Беляев Б.А. и др. Лабораторный практикум по химической термодинамике (1022705), страница 3
Текст из файла (страница 3)
- точная навеска растворяемого вещества (г),AT - изменение температуры калориметра в процессе растворениясоли (К).Различают интегральную и дифференциальную теплоты растворения.1) Интегральнаятеплота растворения- тепловойэффект,Iотносящийсяк единицеколичестварастворенноговеществав\определенном количестве растворителя (в J кг или в п моль)Удельная интегральная теплота - это количество тепла, приходящеесяна 1 грамм растворенного вещества, а молярная - количество тепла,приходящееся на 1 моль растворенного вещества.
Интегральная теплотарастворения зависит от концентрации раствора в конечном состоянии.Например, растворение 4 моль КС1 в 1 кг воды АН = 15,75 кДж/моль, а прирастворении 0,02 моль КС1 в 1 кг воды АН = 17,44 кДж/моль. Из этих данныхможно рассчитать интегральную теплоту разбавления раствора. Теплотурастворения в очень большом количестве растворителя, когда дальнейшееразбавление не приводит к изменению теплоты, называется интегральнойтеплотой при бесконечном разбавлении.
При выполнении лабораторныхработ определяют интегральную теплоту растворения.2) Дифференциальнаятеплота растворения - тепловой| сопровождающий растворение одного моль вещества в такомИэффект,большомколичестве раствора,что егоjпрактически постоянной.концентрацияприэтомостается jДифференциальная теплота растворения тоже зависит от концентрациираствора, она изменяется от начальной теплоты, когда один моль веществарастворяется в чистом растворителе, до дифференциальной теплотынасыщения, когда последний моль вещества растворяется в бесконечнобольшом количестве почти насыщенного раствора. Дифференциальнаятеплота растворения определяется графически как тангенс угла наклонакасательной к кривой, определяющей зависимость интегральной теплотырастворения от количества растворенного вещества.При определении постоянной калориметра в качестве растворителяиспользуется дистиллированная вода, а в качестве растворяемого вещества хлорид калия.Необходимая для расчета постоянной калориметра величина удельнойтеплоты растворения хлорида калия при условиях опыта находится наосновании табл.31 стр.
46 "Краткого справочника физико-химическихвеличин" [1]. По данным таблицы строится график зависимости интегральнойтеплоты растворения 1 моль хлорида калия от конечной концентрациираствора, выраженной числом моль соли, растворенных в 1000 г воды. Впроведенном опыте по определению постоянной калориметра рассчитываетсяконечная концентрация раствора по объему воды и величине навески соли.Плотность воды при 20-25 °С равна 0,9976 ±0,0006 г/см 3 . По построенномуграфику определяется теплота растворения 1 моль хлорида калия при 25 °С.Для температуры опыта, мало отличающейся от таковой, принимается та жевеличина, поскольку в узком интервале температур теплоту растворенияможно считать постоянной в пределах погрешности измерений. Эта величинапересчитывается на удельную <?[Дж/г], которая и используется дляопределения постоянной калориметра по уравнению: (1.14).2.1.4.
Обработка результатов калориметрическихпроведение расчетовизмерений иКак уже отмечалось выше, в калориметрических экспериментахизмеряется не сама температура, а пропорциональная ей величина.Использование термометра сопротивления и изопериболичсскго калориметрапозволяют определять изменение температуры с высокой степенью точности.В установке, представленной на рис.1.1, шкала регистрирующего исамопишущего прибора КСП-4 пропорциональна изменению температуры инастроена так, что 1 мм ее соответствует 1 К.
ПоэтомуAT = Ткон - Тнзч = k(n 2 - n |) ,К,12(1.15)где к - коэффициент пересчета длины отрезка (n 2 - п j), измеренного вмм в градусы К, к =1 град/мм (правильнее К/мм). Следовательно, задачасводится к определению длины отрезка (n 2 - n i), который численно будетсоответствовать AT, К.Для определения величины (п2 - П[) используется запись кривойизменения температуры в ходе опыта, приведенная на рис 1.2ОООООООоооооооРис.1.2.
Калориметрическая кривая для определения изменениятемператур в ходе калориметрического опытаНа записи четко выделяются начальный (АВ}) и конечный (D 2 E)периоды опыта, характеризующиеся стационарным режимом теплообменасистемы с окружающей средой. Между начальным и конечным периодаминаходится главный период. Чтобы найти изменение температуры с учетомпоправок на теплообмен, прямые, соответствующие начальному и конечномупериодам, при помощи линейки и карандаша продлеваются, и определяютсяточки Bi и D 2 , В которых наступает или заканчивается изменение режиматеплообмена.
Через эти точки проводятся линии, перпендикулярные осивремени (в данном случае вертикальные). На пересечении этих линий спродолжением линий АВ ( и ED 2 находят точки Di и В 2 , а делением отрезковDiBj и D 2 B 2 пополам находят точки Cj, которая соответствует значению n-i иС2, которая соответствует значению п 2 ,определяющие отрезок CjC 2 .Следовательно, величина отрезка CiC 2 в мм будет отвечать величине (n 2 - nj),пропорциональнойизменению температуры с учетом поправок натеплообмен.13Таким образом, уравнение для расчета постоянной калориметра имеетвид:К-—/Тk(n2-n,J(1.16)Полученное значение К используется во всех расчетах при определенииудельных теплот растворения по формуле:К k (n 9 - п , )qP.B=~mp .D.(1-17).При этом необходимо учитывать, что знак q p в зависит от знака (гъ - п5),т.е.
при (п2 - П|) < 0 q p в > 0 и наоборот.В лабораторной работе «Термохимия» проводятся определенияинтегральных теплот растворения. Последовательность проведения операцийи обработки полученных результатов приводится так, как указано в разделах2.1.2 и 2.1.4. Все измеряемые и расчетные величины заносятся в таблицурезультатов измерений2.2. Выполнение лабораторных работЦель работы: Определение тепловых эффектов процесса растворениясолив воде,реакциинейтрализациииреакцииобразованиякристаллогидрата.2.2.1, Определение теплоты растворения соли в водеРассмотрим процесс растворения солиКС1(ТБ) + aq = K'aq + CXaq.Согласно закону Гесса, этот процесс можно представить в видеотдельных стадий: Сначала происходит разрушение кристаллическойрешетки твердой соли с образованием газообразных ионов:1.
КС1ТЯ -> К(rM)+ С1 (газ)Qp = АНрсц, > 0 .При этом теплота поглощается (процесс эндотермический). ДНрсш. - этоколичество тепла, которое необходимо затратить, чтобы «разорвать» на ионы1 моль твердой соли.Далее происходит взаимодействие ионов с водой (гидратация ионов),при этом теплота выделяется (процессы гидратации экзотермические):2. К+ (Га3) + a q -> K+aqQ P = ДНгидр.кат < О3.
С Г (Га3) + aq —» Cl"aqQ P - A H , w a i l < 0,14Суммируя реакции 1-3, получим уравнение, характеризующее и реакциюрастворения:КС1(ТВ) + aq = K+aq + Cl~aq,где aq - «бесконечно большое» количество воды, т.е. такое уравнениесправедливо для разбавленных растворов, в которых диссоциация прошлаполностью. Следовательно, и результирующий тепловой эффект равеналгебраической сумме тепловых эффектов этих же реакций:АН — Д НрСШ+ДГ11Хар кат+АНГИДр анЗнак теплового эффекта реакции растворения зависит от соотношенияэнергии кристаллической решетки и суммарной теплоты гидратации ионов.При выполнении работы используют в качестве растворителя 300 млдистиллированной воды.
Растворяемая соль берется в количестве 1 - 4 г.Место установки пишущего узла КСП-4 для записи изменения температурызадают преподаватель или лаборант.Расчет удельной теплоты растворения проводится по уравнению (1.17).После расчета теплоты растворения и проверки результата у преподавателястуденту сообщается название соли. По известной формуле проводитсярасчет мольной теплоты растворения.К защите лабораторной работы студенту необходимо рассчитатьконцентрациюсолив конечномсостояниисистемы,определитьинтегральную теплоту растворения 1 моль соли в 1 ООО г воды и, сопоставивполученные результаты со справочными данными (табл.31 - 33, стр.46 - 48[1]), рассчитать ошибку опыта. Все результаты измерений и расчетовзаносятся в таблицу.2.2.2.Определение теплоты реакциинейтрализацииРассмотрим еще один процесс - реакцию нейтрализации на примеревзаимодействия разбавленных растворов сильной кислоты и сильногооснования:НС1 aq + КОН aq = КС1 aq + Н 2 0Оба компонента полностью диссоциированы в растворе,реакцию в ионной форме можно записать так:поэтомуН + aq + СГ aq + К + aq + ОН" aq = К + aq + СГ aq + Н 2 0при этом выделяется теплота Q P = ДН нсйтр , которая отвечает реакцииобразования воды:И4 aq + ОН" aq = Н 2 0 + aq15Т.к.
в водных растворах свободный ион протона не существует, тореакцию образования воды следует рассматривать как взаимодействие междуионом гидроксония и ионом гидроксила, или:HjO'aq + ОН" aq = Н 2 0 + aqAH„e№ip = 57684 Дж/мольКогда в реакции участвует слабая кислота, или слабое основание, илиоба компонента относятся к слабым электролитам, то тепловой эффектреакции нейтрализации не будет отвечать, приведенному выше. Студентампредлагается самостоятельно рассмотреть реакцию нейтрализации с участиемслабых электролитов и объяснить различия в значениях тепловых эффектовэтих реакций.Для определения теплоты нейтрализации необходимо сначалаэкспериментачьно найти теплоту растворения твердой щелочи в воде, а затемв растворе кислоты.
Определение теплоты растворения щелочи в водепроводится точно так же, как описано в разд.2.2.1 для теплоты растворениясоли. Растворитель - 300 мл дистиллированной воды. Гранулы щелочидолжны занимать около 1/4 объема пробирки. Пишущий узел прибора передначатом записи изменений температуры системы устанавливается на 1 5 - 2 0делений диаграммной бумаги, так как температура системы при растворениищелочи повышаетсяОпределение теплоты растворения щелочи в кислоте проводится точнотак же, с тем лишь отличием, что в качестве растворителя используетсяраствор, приготовленный из 250 мл дистиллированной воды и 50 мл 0,2 Мсоляной кислоты. Перед доведением до метки в колбу с дистиллированнойводой добавляют 3-4 капли метилового оранжевого индикатора илифенолфтапеина для контроля полноты последующейнейтрализации.Количество щелочи и место установки пишущего узла прибора такие же, какпри растворении щелочи в воде.Появление (в случае фенолфталеина) или изменение окраскииндикатора после полного растворения щелочив растворе кислотыуказывает на то, что вся взятая кислота нейтрализована щелочью.Растворение щелочи в кислоте согласно закону Гесса может быть обобщеннопредставлено двухстадийным процессом: растворением щелочи в воде ипоследующей нейтрачизацией кислоты щелочью в растворе.
Алгебраическаясумма тепловых эффектов стадий равна тепловому эффекту процессарастворения щелочи в кислоте, определяемому экспериментально. Длянахождения теплоты нейтрализации взятого количества кислоты, необходимоиз величины теплоты растворения щелочи в кислоте вычесть теплотурастворения той же навески щелочи в воде.АЬнейтр = (qp.K - qP.B)mP.K,где Ah „ейтр- удельнаякислоты,теплота нейтрашзации16(1.18 )взятогоколичестваqp>K- удельная теплота растворения щелочи в кислоте,q pB - удельная теплота растворения щелочи в воде,nip к- навеска гранул щелочи, растворенная в кислоте.Найденная величина может быть пересчитана на 1 моль кислоты поуравнению:A hW=~ДЬНСЙ1Т -юоо'V (m)(1Л9)где АН 1)ейтр- теплота нейтрализации 1 моля одноосновной сильнойкислоты,V - объем взятого в опыте раствора кислоты (50 мл),(М) - концентрация этого раствора кислоты в моль/л (0,2 М).Все расчеты проводятся с учетом знаков удельных теплот растворениящелочи в воде и кислоте.Полученные в результате экспериментов данные заносятся в таблицу.При защите лабораторной работы студенты должны уметь провестианализ источников ошибки при определении теплового эффекта реакциинейтрализации и объяснить отличие теплового эффекта этой реакции оттеплоты образования воды, приведенного в справочнике (стр.77 [1])2.2.3.Определение теплоты образованиякристаллогидратаДля определения теплоты образования кристаллогидрата проводятсяопределения теплот растворения безводной соли и ее кристаллогидратаЗапишите по стадиям процесс растворения веществ, начиная с реакцииобразования кристаллогидрата из безводной соли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
