Название: лабораторные работы по химии (В.Н. Паутов, Г.К. Лупенко )

Жанр: Химия

Просмотров: 1629


4. измерение тепловых эффектов химическихреакций и расчет энергии гиббса процессов

 

Цель работы

 

Выполнение калориметрических измерений и термодинамических расчетов, связанных с энергией химических реакций.

 

Теоретическое введение

 

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии: теплота Q, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии U и на совершение системой работы А над внешней средой (первый закон термодинамики):

 

Q = DU + А.

 

Если химическая реакция протекает в открытом сосуде при постоянной температуре (р, Т = const) и единственным видом совершаемой работы является работа расширения (А = р. DV), то тепловой эффект этой реакции равен изменению энтальпии DН системы:

Qр.т. = DU + рDV = DН,

где Н = U + рV.

 

При DrH > 0 (теплота подводится к системе из окружающей среды) реакцию называют эндотермической, а при DrH < 0 (теплота выделяется в окружающую среду) – экзотермической.

Если в уравнении химической реакции указан ее тепловой эффект, уравнение называют термохимическим. Например:

N2(г) + 3Н2(г) = 2NН3(г);     DrHо(298 К) = – 92,4 кДж.

При записи термохимических уравнений реакций указывают:

        а) агрегатное состояние или аллотропные модификации веществ;

        б) условия протекания процесса (DrHо(298 К) – стандартный тепловой эффект реакции при 298 К).

Тепловой эффект химической реакции зависит от количества реагирующих веществ. Так, например, при нейтрализации в водном растворе 0,1 моль NаОН избытком соляной кислоты выделяется 5,7 кДж теплоты, а при нейтрализации 10 моль NаОН –

570 кДж.

Возможность и пределы самопроизвольного протекания ре-акции при р, Т = const определяют с учетом энергии Гиббса

G = Н-ТS, где Н – энтальпия, S – энтропия, Т – температура.

Изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции называют энергией Гиббса химической реакции (DrG). В тех случаях, когда DrG < 0, реакция протекает самопроизвольно. Пределом самопроизвольного течения реакции является условно DrG = 0. Величины DrН, DrS и DrG вычисляют на основании следствий из закона Гесса. Изменение энтропии DrS, энергии Гиббса химичес-кой реакции DrG, так же как и тепловой эффект реакции DrН, зависят от количества веществ в системе.

 

Экспериментальная часть

 

Опыт 1.  Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием

и расчет энергии Гиббса реакции

 

Подпись:  Для измерения тепловых эффектов реакций используют калориметрические установки (рис. 3). В наружный сосуд вставляется калориметрический стакан меньшей вместимости. Во избежание потерь теплоты через стенки калориметрического стакана между сосудами располагают пробковые прокладки. Калориметрический стакан закрывают крышкой с отверстиями для термометра (цена деления 0,1 К) и воронки.

Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся в калориметре, вычисляют по формуле

Q = åС(Т2 – Т1),

Подпись: Рис. 3. Калориметри-ческая установкагде Т2 и Т1 – конечная и начальная температуры жидкости в калориметрическом стакане; åС – теплоемкость  системы,  равная

 

åС = С1m1 + С2m2 ,

 

где 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 термохимическому уравнению:

 

Н+(ж) + ОН-(ж) = Н2О(ж);   DrНо(298 К) = – 57 кДж/моль.

 

В опыте используют 1 М растворы КОН, NаОН, НСl и НNО3

(условное обозначение 1 М = 1 моль/л). Для нейтрализации берут равные объемы (70…100 мл) растворов кислоты и щелочи.

Соберите калориметрическую установку согласно рисунку и через воронку налейте в сосуд заданный объем 1 М раствора щелочи; запишите температуру раствора щелочи Т1 с точностью

до 0,1 К.

Налейте в мерный цилиндр такой же объем 1 М раствора кислоты и при работающей мешалке через воронку быстро влейте кислоту в калориметрический стакан и отметьте самую высокую температуру Т2, которую покажет термометр после слияния растворов. Данные опыта сведите в таблицу:

 

Масса калориметрического стакана, m1, кг

Суммарный объем жидкости в стакане, V, мл

Температура, К

Т1

Т2

 

 

 

 

 

По полученным данным определите:

1) разницу температур (Т2 – Т1);

2) массу жидкости (m2) в калориметрическом стакане (при расчете считать плотность жидкости равной единице);

3) теплоемкость системы åС [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 (nН2О), учитывая заданную молярную концентрацию и объем раствора;

6) теплоту нейтрализации DrНо(Т) (кДж/моль Н2О);

7) изменение энтропии  DrSо(Т) Дж/(моль К);

    SоН+  = О;   SоОН- = – 10,55 Дж/(моль.К);  

    Sо(Н2О) = 69,96 Дж/(моль.К);

8) энергию Гиббса реакции нейтрализации

DrGо(298) = DrНо(298) – ТDrSо(298), кДж/моль.