Главная | Обратная связь

Порядок выполнения работы

Определение теплового эффекта нейтрализации

Сильной кислоты

 

Цель работы

1. Определить константу калориметра.

2. Определить тепловой эффект реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

3. Получить навыки проведения экспериментальной работы и обработки опытных данных, усвоить основные понятия и законы.

 

Оборудование и реактивы

Калориметрическая установка, технические весы, мерный цилиндр на 250 см³, коническая колба или стеклянный стакан на 250 см³, коническая колба на 100 см³, два термометра с ценой деления 0.05°С, электроплитка, секундомер, раствор щелочи (NaOH , КOH) с концентрацией =0.2 моль/л, раствор сильной кислоты (HCl, HNO₃) с концентрацией =0.2 моль/л, дистиллированная вода.

Общие положения

Теплотой нейтрализации называют количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии 1 моль-эквивалента сильной кислоты с 1 моль-эквивалентом сильного основания.

Сильные электролиты в водных растворах почти полностью диссоциированы на ионы (α ≈ 90%), поэтому реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием сводится к соединению одного моль ионов водорода Н+ (а точнее гидратированных ионов водорода Н3О+) с одним моль ионов гидроксила:

Н+ + ОН¯ = Н₂О + Q_нейтр.

Следовательно, независимо от природы кислоты и основания, нейтрализация сводится к образованию одного моль воды из ионов водорода и гидроксила. Тепловой эффект этой реакции называют теплотой нейтрализации.

Теплота нейтрализации слабых кислот сильными основаниями или сильных кислот слабыми основаниями заметно отличаются, что вызвано малой степенью диссоциации слабых электролитов.

Рассмотрим реакцию нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, например, нейтрализацию соляной кислоты гидроксидом натрия:

Оба реагента в водном растворе полностью диссоциированы, поэтому уравнение реакции нейтрализации в ионной форме будет иметь вид:

Таким образом, в случае нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, независимо от природы аниона кислоты и катиона основания, протекает один и тот же процесс образования молекулы воды из водородных и гидроксильных ионов. Установлено, что реакция нейтрализации 1 моля сильной одноосновной кислоты сильным основанием в достаточно разбавленных водных растворах сопровождается одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, который при 298 К равен -57.1 кДж/моль.

При выполнении работ пользуются калориметром, который позволяет производить определение тепловых эффектов с относительной погрешностью 2-5 % при изменении температуры . Его схема приведена на рис. 1.

ТЕРМОХИМИЯ

 

Термохимией называется раздел физической химии, занимающийся изучением тепловых эффектов различных процессов (например, химических реакций, растворения, фазовых переходов). Данные, полученные в результате термохимических измерений, широко используются в термодинамике для вычисления энтальпий, теплот образования соединений, комбинируя которые можно рассчитать тепловые эффекты и константы равновесия химических реакций, энергии связей и т.д. В основе практических расчетов тепловых эффектов различных процессов лежит закон Гесса, согласно которому тепловой эффект не зависит от промежуточных состояний системы, а зависит от начального и конечного ее состояний.

Гесса закон: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от ее промежуточных состояний. Закон Гесса является выражением закона сохранения энергии для систем, в которых происходят химические реакции, и следствием первого начала термодинамики, однако был сформулирован ранее первого начала. Справедлив для реакций, протекающих при постоянном объеме или при постоянном давлении; для первых тепловой эффект равен изменению внутренней энергии системы вследствие хим. реакции, для вторых – изменению энтальпии. Для вычисления тепловых эффектов реакции, в т. ч. практически неосуществимых, составляют систему термохимических уравнений, которые представляют собой уравнения реакций, записанные совместно с соответствующими тепловыми эффектами при данной т-ре. При этом важно указывать агрегатное состояние реагирующих веществ, т. к. от этого зависит величина теплового эффекта реакции.

Если опыт проводится при постоянном объеме (V= const), то измеренное в данном процессе количество теплоты представляет собой изменение внутренней энергии (DU), если же измерения проводятся при постоянном давлении (P= const), то измеренное количество теплоты соответствует изменению энтальпии (DH). В случае экзотермических процессов, сопровождающихся выделением теплоты, DU < 0 и DH < 0. В случае эндотермических процессов, сопровождающихся поглощением теплоты, DU < 0 и DH < 0.

Основной методикой термохимии является калориметрия. Тепловой эффект процесса измеряют в специальных приборах – калориметрах, наблюдая вызванное данным процессом изменение температуры. При проведении опыта давление в калориметрической системе остается постоянным и равным атмосферному давлению, поэтому расчет теплового эффекта процесса проводят на основе уравнения теплового баланса:

(1)

где и – масса и теплоемкость составных частей калориметра и компонентов системы, в которой происходит процесс, сопровождающийся тепловым эффектом.

Сумма произведений теплоемкостей составных частей калориметра на их массы называется постоянной калориметра:

(2)

 

Величина K (Дж/К) представляет собой количество теплоты, необходимое для нагревания калориметра на 1°. Ее можно вычислить по уравнению (2) или определить экспериментально, проводя в калориметре процесс с известным тепловым эффектом.

Рис. 1. Схема калориметра

Калориметр состоит из калориметрического сосуда и изолирующей системы. Калориметрический сосуд (1) представляет собой стеклянный стакан или сосуд Дьюара. Изолирующей системой служит воздушная оболочка, которая образуется другим сосудом (2) и крышкой из пластмассы или пенопласта (3). Калориметрический сосуд устанавливается на асбестовых или пластмассовых подставках (4). В крышке имеются отверстия для термометра (5), мешалки (6) и воронки для введения исследуемого вещества (7).

 

Рис.2. Устройство термометра Бекмана

Термометр Бекмана предназначен для измерения малых изменений температуры. Он состоит (рис.2) из основного 1 и дополнительного 2 резервуаров ртути, соединенных капилляром 3. Шкала термометра 4 позволяет определять максимальное изменение температуры на 5 °С с точностью ±0,01 °С. Особенность термометра состоит в том, что при помощи сифонообразного дополнительного резервуара можно менять количество ртути в основном резервуаре и тем самым использовать термометр для измерений в широком интервале температур. Верхний резервуар имеет шкалу, служащую для ориентировочного определения температуры, на которую настроен термометр. Перед настройкой термометра определяют, каков характер изменения температуры ожидается в предстоящем опыте (или опытах). Если известно, что температура должна понижаться, его настраивают так, чтобы ртутный мениск остановился в верхней части шкалы. В случае повышения температуры, настройку ведут на нижнюю часть шкалы. Когда знак изменения температуры неизвестен, настройку производят на середину шкалы. Так же поступают, если на одном этапе работы ожидается понижение, а на другом – повышение температуры. Для настройки термометра его помещают в воду, имеющую температуру опыта (в данной работе - комнатную температуру). Если по истечении примерно 5 мин. выяснится, что мениск находится значительно ниже требуемого уровня, термометр переворачивают верхней частью вниз. Легким постукиванием по термометру добиваются, чтобы ртуть перетекала из большого резервуара по капилляру в запасной и соединилась с ртутью запасного резервуара. Осторожно, чтобы резким толчком не разорвать столбик ртути в капилляре, переворачивают 6 термометр в правильное положение и снова погружают его в воду с температурой предстоящего опыта.

Ртуть должна перетекать из верхнего резервуара в нижний по принципу сообщающихся сосудов. Шкала верхнего резервуара приблизительно показывает, на какую температуру настроен термометр. После того как мениск ртути в верхнем резервуаре перестанет перемещаться, что наступает обычно через 5 мин., легким ударом термометра об руку разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним резервуаром. Далее незначительно нагревают нижний резервуар, прикасаясь к нему ладонью руки. В результате нагрева в месте соединения капилляра с верхним резервуаром появляется капелька ртути. Легким постукиванием термометра об руку стряхивают эту капельку вниз. Снова помещают термометр в воду, имеющую температуру предстоящего опыта, и наблюдают за установкой мениска ртути. Если мениск ртути окажется значительно выше необходимого уровня, то часть ртути из нижнего резервуара переводят в верхний. Для этого нагревают нижний резервуар ладонью руки и появившуюся в месте соединения верхнего резервуара с капилляром капельку ртути стряхивают вниз. Если ртуть в капилляре остановится ниже нужного уровня, настройку термометра начинают с самого начала.

С термометром Бекмана следует обращаться очень осторожно (не разбить его). Нельзя оставлять термометр в ходе работы без присмотра. Настроенный термометр не должен находиться в горизонтальном положении. В нерабочие промежутки времени термометр помещают в массивный (устойчивый) сосуд с водой, имеющей температуру опыта. В процессе работы следят за тем , чтобы не нарушалась его настройка.

Порядок выполнения работы