ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

Для измерения тепловых эффектов реакций используют калориметры или калориметрические установки (рис.1.). В наружный сосуд (стакан на 0,8 л) вставляется калориметрический стакан меньшей вместимости (0,5 л). Во избежание потерь теплоты через стенки калориметрического стакана между сосудами помещают пробковые прокладки. Калориметрический стакан закрывают деревянной крышкой с отверстиями для термометра (цена деления 0,1 К), мешалки и воронки. Мешалку присоединяют к электромотору или приводят в движение вручную.

Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся в калориметре, вычисляют по формуле

q = ∑c (Т₂ - Т₁),

где Т₂ и Т₁ – конечная и начальная температуры жидкости в калориметрическом стакане; ∑c – теплоемкость системы, равная с₁m₁ + с₂m₂ (m₁ и m₂ – массы калориметрического стакана и жидкости в стакане; с₁ и с₂ – удельные теплоемкости стекла и жидкости).

Согласно теории электролитической диссоциации нейтрализация сильной кислоты сильным основанием в разбавленном растворе отвечает уравнению H⁺ + OH^- = H₂O. Стандартная теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием равна при 298 К – 55,9 кДж на один моль образующейся воды. Термохимическое уравнение реакции нейтрализации имеет вид

H⁺ _(ж) + OH ^- _(ж) = H₂O _(ж), DH ⁰_{298 реакции} = - 55,9 кДж/моль.

В опыте используют 1 М растворы КOH, NaOH, HCl и HNO₃. Для нейтрализации берут равные объемы (120 -180 мл) растворов кислоты и щелочи.

Получить у преподавателя задание и записать его в лабораторный журнал.

Перед началом опыта взвесить сухой калориметрический стакан

(с точностью до 0,1 г).

Затем собрать калориметрическую установку (рис. 1.) и через воронку 2 налить в сосуд заданный объем 1 М раствора щелочи; записать температуру раствора щелочи Т_щ с точностью до 0,1 К.

Налить в мерный цилиндр такой же объем 1 М раствора кислоты и измерить температуру раствора Т_к с той же точностью. Начальная температура смеси кислоты и щелочи Т₁ – среднее арифметическое от Т_щ и Т_к.

Рис. 1. Калориметрическая установка: 1 - мешалка; 2 - воронка;

3 - калориметрический стакан; 4- наружный сосуд; 5 - крышка;

6 - термометр

При работающей мешалке 1 через воронку 2 быстро влить кислоту в калориметрический стакан и отметить самую высокую температуру Т₂, которую покажет термометр 6 после сливания растворов

Данные записать в таблицу:

По полученным данным определить:

1. Разницу температур (Т₂ - Т₁).

2. Массу жидкости (m₂), в калориметрическом стакане (при расчете считать плотность жидкости равной единице).

3. Теплоемкость системы [при расчете считать удельную теплоемкость стекла с₁ = 0,75∙10³ Дж/(кг∙К), а удельную теплоемкость раствора с₂ = 4,18 ∙10³ Дж/(кг ∙К)].

4. Количество теплоты (q), выделившейся при реакции.

5. Число молей нейтрализованной кислоты (щелочи) или число молей полученной воды, учитывая заданную молярную концентрацию и объем раствора.

6. Теплоту нейтрализации DH ⁰ _Т (кДж/моль H₂O).

Сравнить полученную теплоту нейтрализации с теоретической и рассчитать абсолютную и относительную ошибку опыта.

Записать термохимическое уравнение проведенной реакции нейтрализации.

Объяснить убыль энтальпии в процессе нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Что изучает термодинамика?

2. Что позволяет термодинамика в применении к химии?

3. Назвать параметры состояния системы и термодинамические функции параметров состояния системы?

4. Что называется внутренней энергией системы (U)

5. Cформулировать первое начало термодинамики.

6. Что называется тепловым эффектом реакции?

7. Какие реакции называются экзотермическими и эндотермическими?

8. Чему соответствует тепловой эффект реакции при V = const,

Т = const?

9. Чему соответствует тепловой эффект реакции при P = const,

T = const?

10. Как изменяется энтальпия для экзотермических и эндотермических реакций, в каких единицах она измеряется?

11. Какие условия протекания реакции называются стандартными?

12. Что называется стандартным состоянием вещества?

13. Что называется стандартной энтальпией образования соединения и чему она равна для простых веществ, устойчивых в стандартных условиях?

14. Что называется термохимическим уравнением?

15. Сформулировать закон Гесса и следствие из закона Гесса.

16. Пользуясь таблицей 1, написать термохимические уравнения следующих реакций и процессов:

а) H_{2 (г)} + 1/2O_{2 (г)} = H₂O _(ж);

б) H_{2 (г)} + 1/2O_{2 (г)} = H₂O _(г);

в) H₂O _(г) = H₂O _(ж);

г) H₂O _(ж) = H₂O _(г).

17. Пользуясь таблицей 1, указать экзотермические процессы:

а) 2C₆H₆ + 15O_{2 (г)} = 12CO_{2 (г)} + 6H₂O_(ж);

б) 2С _{(графит)} + H_{2 (г)} = C₂H_{2 (г)};

в) 1/2N_{2 (г)} + 3/2H_{2 (г)} = NH_{3 (г)};

г) 1/2J_{2 (г)} + 1/2H_{2 (г)} = HJ_(г).

18. При нейтрализации 0,5 моль KOH соляной кислотой выделилось 27,95 кДж теплоты. Рассчитать, сколько молей воды образовалось при этом, и теплоту реакции нейтрализации. Записать термохимическое уравнение реакции. Ответ: - 55,9 кДж.

19. Теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием при стандартных условиях и 298К равна - 55,9 кДж/(моль H₂O). Вычислить, сколько теплоты выделится при смешении 100 мл 0,5 М раствора HCl с 100 мл 0,5 М раствора NaOH. Ответ: 2,80 кДж.

20. При взаимодействии трех молей оксида азота (I) с аммиаком образуются азот и пары воды. Тепловой эффект реакции равен

- 877,76 кДж. Написать термохимическое уравнение этой реакции и вычислить теплоту образования N₂O, если известны теплоты образования NH_{3 (г)} и H₂O _(г) (см. табл.1).

Ответ: + 81,55 кДж.