Лабораторная работа № 3
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ
Цели работы.
1. Определить тепловой эффект реакции нейтрализации щёлочи кислотой;
2. Определить теплоту растворения нитрата калия и гидроксида калия.
Теоретическая часть.
Все химические реакции сопровождаются поглощением или выделением тепловой энергии. Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими, а с поглощением – эндотермическими. Количество выделенного или поглощенного тепла называется тепловым эффектом реакции.
Физико-химические процессы (растворение, плавление, гидратация и др.) сопровождаются, как и химические реакции, поглощением или выделением тепла. При растворении солей в воде происходят два процесса: эндотермический, связанный с разрушением кристаллической решетки, и экзотермический, обусловленный взаимодействием растворенного вещества и воды с образованием гидратов. В зависимости от того, какой из этих процессов преобладает, тепловой эффект растворения может быть или положительным (эндотермическое растворение), или отрицательным (экзотермическое растворение).
Количество теплоты, поглощающейся (выделяющейся) при растворении одного моля вещества, называется теплотой растворения данного вещества.
Экспериментальное определение тепловых эффектов химических реакций проводят в специальных устройствах – калориметрах. Калориметр представляет собой сосуд, снабженный теплоизолирующей рубашкой для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Простейший калориметр (рисунок 3.1) состоит из двух стаканов: наружного (1) и внутреннего (2) – собственно калориметра, установленного на теплоизолирующей подставке и снабженного термометром (3) и мешалкой (4). Чтобы свести потери тепла к минимуму, внутренний стакан не должен касаться стенок внешнего.
Рисунок 3.1. Схема простейшего калориметра: 1 – наружный стакан, 2 – внутренний стакан, 3 – термометр, 4 – мешалка.
Количество теплоты, выделившейся или поглощённой в ходе реакции, определяется по формуле:
Q = К·ΔТ, (3.1)
где К – теплоемкость калориметра, ΔТ – изменение температуры в ходе реакции.
По физическому смыслу теплоемкость калориметра есть количество теплоты, необходимое для нагрева всех его частей на один градус. Она складывается из теплоемкости раствора, который находится во внутреннем стакане (Cp·mp), и теплоемкости самого стакана (Cст·mст):
К = Cp·mp + Cст·mст (3.2)
Поскольку концентрация раствора мала, удельная теплоемкость раствора принимается равной теплоемкости воды, т.е. 4,18 Дж/(г·К); масса раствора известна и теплоемкость раствора может быть вычислена. Однако теплоемкость стакана неизвестна, и её необходимо определить экспериментально. Поэтому данная работа выполняется в два этапа: 1) определение теплоемкости калориметра (опыт 1); 2) определение теплоты реакции или растворения(опыты 2–4).
Экспериментальная часть.
Опыт 1 Определение теплоёмкости калориметра с помощью горячей воды
1. Записать температуру калориметра (Т1).
2. С помощью мерного цилиндра набрать в стакан 50 мл воды, нагретой до 50 оС (Т2). Быстро вылить нагретую воду во внутренний стакан калориметра. Постоянно перемешивая, через каждую минуту замерять температуру воды в калориметре и показания термометра заносить в таблицу:
| Время, мин | |||||||||||
| Температура, оС |
В ходе измерений наблюдается три периода: 1) температура в калориметре быстро уменьшается (нагревается внутренний стакан калориметра); 2) температура стабилизируется (наступает тепловое равновесие); 3) температура медленно уменьшается (за счет рассеивания тепла). Для расчетов теплоемкости брать температуру второго периода, остающуюся постоянной в течение 2–3 мин. Эту температуру назовём равновесной и обозначим символом θ (греч. «тэта»).
Количество тепла, сообщенное калориметру нагретой водой, определяется по уравнению
Q=CH2O⋅mH2O⋅(T2 −θ) (3.3)
Количество теплоты, поглощенное калориметром, определяется по уравнению:
Q = K·(θ – Т1) (3.4)
Поскольку левые части уравнений (3.3) и (3.4) равны, то приравниваем правые части и получаем формулу для расчета теплоемкости калориметра:
(3.5)
Определяемая по формуле (3.5) величина К измеряется в Дж/град.
Опыт 2. Определение теплоты реакции нейтрализации
1. Отмерить мерным цилиндром 25 мл 0,1 н раствора кислоты, налить её в калориметр и измерить температуру (Т).
2. Отмерить с помощью мерного цилиндра 25 мл раствора 0,1 н щелочи, прилить её к кислоте в калориметр и перемешать. Наблюдать изменение температуры и записывать её значения в таблицу:
| Время, мин | |||||||||||
| Температура, оС |
В ходе опыта наблюдается три периода: 1) температура повышается, так как идет экзотермическая реакция нейтрализации; 2) температура стабилизируется и некоторое время остается постоянной; 3) температура понижается из-за рассеивания тепла. Для вычисления брать температуру второго периода, обозначив её θ.
Вычислить количество тепла, выделившегося в калориметре, по формуле
Q = К·ΔT = К·(θ – T), (3.6)
где К – теплоемкость калориметра, определенная в опыте 1.
Вычислить количество (моль) кислоты и щелочи, взятых для опыта, и количество образующейся воды.
Вычислить энтальпию нейтрализации в кДж/моль (ΔН°оп).
Сравнить экспериментально полученную энтальпию с теоретической (-57,2 кДж/моль). Определить погрешность опыта по формуле:
(3.7)
В выводе указать на возможные причины погрешности.
Опыт 3. Определение теплоты растворения нитрата калия
1. Во внутренний стакан калориметра налить 50 мл воды, измерить и записать температуру (Т).
2. Взвесить 1 г нитрата калия.
3. Всыпать нитрат калия в калориметр. Постоянно перемешивая, через каждую минуту замерять температуру раствора и записывать ее в таблицу:
| Время, мин | |||||||||||
| Температура, оС |
В ходе опыта наблюдается три периода: 1) температура в калориметре уменьшается, т.к. идет растворение с поглощением тепла; 2) температура стабилизируется (растворение закончилось); 3) температура медленно повышается за счет поступления тепла извне. Для расчетов берется температура второго периода (θ).
Количество поглощенного тепла вычисляется по формуле 3.6.
Затем производится пересчет на один моль нитрата калия (ΔН°оп).
Погрешность опыта (в %) вычисляется по формуле 3.7 с учетом теоретической величины теплоты растворения нитрата калия (36,3 кДж/моль).
Опыт 4. Определение теплоты растворения гидроксида калия
1. Во внутренний стакан калориметра налить 50 мл воды, измерить и записать температуру (Т).
2. Взвесить 1 г гидроксида калия, соблюдая меры предосторожности при работе с сухими щелочами.
3. Щелочь всыпать во внутренний стакан калориметра и, непрерывно перемешивая, замерять температуру через каждую минуту. Показания термометра заносить в таблицу:
| Время, мин | |||||||||||
| Температура, оС |
Количество выделившегося тепла вычисляется по формуле 3.6.
Затем производится пересчет на один моль гидроксида калия (ΔН°оп).
Погрешность опыта (в %) вычисляется по формуле 3.7 с учетом теоретической величины теплоты растворения гидроксида калия (-55 кДж/моль).
В выводе объясните разные тепловые эффекты при растворении нитрата калия и гидроксида калия.