2733

с окружающей средой, следствием чего являются тепловые потери. Поэтому разница между температурами начала и конца изучаемого процесса обычно отличается от изменения температуры процесса, определяемого в условиях, исключающих тепловые потери.

Величину тепловых потерь принято оценивать с помощью постоянной калориметра, которая по физическому смыслу представляет собой теплоемкость и является неизменной величиной для конкретного прибора. Она не зависит ни от типа протекающей в калориметре химической реакции, ни от факторов внешней среды.

Постоянная калориметра равна отклонению величины известной теоретической теплоты растворения определенного количества соли KCl от экспериментальной.

Для определения постоянной калориметра используемой лабораторной установки необходимо в стаканчик налить 80 мл калориметрической жидкости (дистиллированной воды), установить его в калориметр и закрыть крышкой с укрепленным в ней датчиком температуры.

Войти в программу УЛК. Установить скорость перемешивания (от 2 до 7 единиц) и включить магнитную мешалку. Выбрать автоматический режим записи данных (с усреднением), интервал измерений (3 с), количество измерений (100).

Начать измерение путем нажатия кнопки «Измерение». Через 2,5 мин после начала записи данных (через 50 измерений) в калориметр ввести измельченную соль KCl (2 г) с известной теплотой растворения.

Изменение температуры раствора в ходе эксперимента определяется графическим методом согласно п. 2.2. Полученное значение обозначается T1 и фиксируется в таблице результатов.

Расчет постоянной калориметра производится в следующей последовательности:

1. Определяется количество вещества хлорида калия n, моль, по формуле

n = m / МKCl,

(13)

11

где m – масса хлорида калия (в лабораторной работе – равна 2 г); МKCl – молярная масса соли KCl (равна 74,5 г/моль).

2. Моляльная концентрация Cm раствора, образующегося при растворении 2 г хлорида калия, рассчитывается из пропорции:

в массе воды mв = 80 г	n моль соли
в 1 000 г воды	Cm = х моль

3. Методом линейной интерполяции находится изменение теплоты растворения для раствора с указанной моляльностью на основе данных, представленных в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость изменения теплоты растворения хлорида калия от моляльности раствора

Моляльность Cm, моль/кг	Изменение теплоты Нm, кДж/моль
0,3	17,57
0,4	17,50
0,5	17,43

4. Определяется интегральная теплота растворения хлорида калия Qинт, Дж/г, с указанной моляльностью по формуле

Qинт = – Нm / МKCl, (14)

где Нm –изменение теплоты, кДж/моль; МKCl – молярная масса соли KCl (равна 74,5 г/ моль).

5. Определяется теплота растворения Q, Дж, 2 г хлорида калия:

Q = Qинтm,	(15)
где m – масса навески хлорида калия.
6. Рассчитывается постоянная калориметра по формуле
k = Q / T1 – Суд (m1 + m2),	(16)

где k – постоянная калориметра, Дж/К; Q – теплота растворения 2 г хлорида калия, Дж; T1 – изменение температуры раствора, определенное по графику, К; Суд – удельная теплоемкость раствора, Дж/(г∙К), Суд ≈ 4,18; m1 и m2 – масса воды и хлорида калия соответственно, г.

Постоянная калориметра является неизменной величиной, характеризующей конкретный прибор. Она не зависит от проводимых опытов и может варьироваться для разного оборудования от 1 до 100 Дж/К.

12

Пример расчета

Пусть изменение температуры по графику составило

T1 = 1,35 °С(рис. 3).

Рис. 3. График изменения температуры при растворении соли KCl

1. Количество вещества хлорида калия:

n = 2 / 74,5 = 0,026 8 моль. 2. Моляльная концентрация Cm раствора:

Cm = х = 0,026 8 ∙ 1 000 / 80 = 0,335 моль/кг.

3. Нm = 17,546 кДж/моль, т.е. изменение теплоты при увеличении моляльности на 0,1 моль составляет 0,07 кДж/моль. Тогда

изменение теплоты Нm при	изменении моляльности на		Сm =
= Cm – Cm = 0,335 – 0,3 = 0,035	моль/кг составит	НIm = 0,07 ∙	Сm =
= 0,07 ∙ 0,035 = 0,002 45 кДж/моль.		Нm = Нm +	НIm =
Отсюда интегральное изменение теплоты

=17,546 + 0,002 45 = 17,548 45 кДж/моль.

4.Интегральная теплота растворения хлорида калия:

Qинт = –17,54845 / 74,5 = 0,236 кДж/г = 236 Дж/г. 5. Теплота растворения хлорида калия в примере:

Q = 236 ∙ 2 = 472 Дж.

13

6. Находим постоянную калориметра:

k = 472 / 1,35 – 4,18(80 + 2) = 6,87 Дж/К.

Контрольные вопросы

1.Какой прибор используют для измерения тепловых эффектов? Из каких частей он состоит?

2.Что называют калориметрической системой?

3.Какие вещества чаще всего используются в качестве калориметрической жидкости?

4.Из каких основных блоков состоит лабораторная установка для калориметрических измерений?

5.Используя схему (см. рис. 1), поясните, как связаны между собой блоки лабораторной установки для калориметрических измерений. Объясните назначение каждого модуля.

6.Каким образом контролируется изменение температуры в ходе калориметрического опыта?

7.Дайте определение постоянной калориметра. Для чего ее определяют?

8.Какими способами можно определить действительное изменение температуры по данным, полученным в результате измерений в калориметре?

9.Опишите периоды измерения температуры (начальный, главный, конечный).

10.Как получают температурные данные с помощью калориметрической установки?

11.Для чего в калориметрическую систему вводят магнитную мешалку?

12.Как по графику определить действительное изменение температуры?

13.От чего зависит крутизна линии главного периода на графике?

14.От чего зависит крутизна линий начального и конечного пе-

риодов?

15.Как по виду кривой, описывающей термохимический процесс, можно судить о качестве проведенного опыта?

14

Лабораторная работа № 1 Определение теплового эффекта реакции нейтрализации щелочи кислотой

Цель работы: определить тепловой эффект реакции нейтрализации щелочи кислотой.

Задачи работы:

1)определить постоянную калориметра;

2)определить количество тепла, выделившегося при нейтрализации кислоты щелочью;

3)определить теплоту разведения щелочи;

4)рассчитать тепловой эффект нейтрализации щелочи.

Оборудование и реактивы:

1)калориметрическая установка (компьютер, контроллер,

модуль «Термостат» с термодатчиком, установленным в крышке, магнитной мешалкой и стаканчиком (100 мл) в изотермической оболочке);

2)лабораторная посуда (мерные цилиндры объемом 100 и 10 мл, воронки большая и маленькая, стаканчик объемом 100 мл для ополаскивания термодатчика, керамический тигель, ложечка для соли и пипетка);

3)реактивы: НСl (0,1 М раствор), NaOH (1 н раствор), КСl (порошок), Н2О (дистиллированная).

Обоснование работы

Реакциями ионного обмена называются такие химические реакции, которые происходят между ионами в растворах электролитов и характеризуются выделением в результате реакции воды, газа или осадка. Процесс взаимодействия щелочи с кислотой, рассматриваемый в данной работе, является примером ион- но-обменной реакции.

Нейтрализация – взаимодействие кислот с основаниями, в результате которого образуются соли и вода. При взаимодействии моль-эквивалента сильной кислоты с сильным основанием в водных растворах выделяется одинаковое количество теплоты ∆H = –55,9 кДж/моль при 298К. В ходе лабораторной работы необходимо определить тепловой эффект, наблюдаемый при ней-

15

трализации, который помимо теплоты нейтрализации включает также теплоту разведения кислоты щелочью или щелочи кислотой. Кроме того, в ходе эксперимента следует учитывать тепловое влияние прибора измерения, т.е. определить постоянную калориметра.

Ход работы

I. Определение постоянной калориметра

Определение и расчет постоянной калориметра выполняются в последовательности, описанной в п. 2.3.

Полученные значения T1 и постоянной калориметра k заносятся в соответствующие графы таблицы результатов (табл. 2).

		Таблица результатов				Таблица 2
Изменения температуры, оп-				Расчетные величины
ределенные по графикам, °С
			Постоян-	Теплота	Энтальпия	Относи-
T1	T2	T3	ная кало-	химиче-	химиче-	тельная
			риметра k,	ской рек-	ской реак-	погреш-
			Дж/К	ции Q,	ции H,	ность δ, %
				кДж	кДж/моль

II. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации щелочи

1. Определение теплоты нейтрализации щелочи В стаканчик налить 80 мл 0,1 М раствора соляной кислоты,

установить его в калориметр и закрыть крышкой с укрепленным в ней датчиком температуры.

Установить необходимые параметры эксперимента (см. п. 2.3). В цилиндр объемом 10 мл заранее отмерить 5 мл раствора щелочи и ввести их в калориметр через 2,5 мин после начала за-

писи данных.

График изменения температуры в процессе нейтрализации изображен на рис. 4.

16

Рис. 4. График изменения температуры при взаимодействии гидроксида натрия с соляной кислотой

По графику определить изменение температуры в процессе нейтрализации (см. п. 2.2), обозначить его T2 и занести в таблицу результатов (см. табл. 2).

Прежде чем выполнить расчет теплового эффекта нейтрализации щелочи, необходимо учесть теплоту разведения (разбавления) щелочи кислотой.

2. Определение теплоты разбавления щелочи

Встаканчик налить 80 мл дистиллированной воды, установить его в калориметр и закрыть крышкой с укрепленным в ней датчиком температуры.

Установить необходимые параметры эксперимента (см. п. 2.3).

Вцилиндр объемом 10 мл заранее отмерить 5 мл раствора щелочи и ввести их в калориметр через 2,5 мин после начала записи данных.

График изменения температуры в процессе разбавления представлен на рис. 5.

17

Рис. 5. Изменение температуры при разбавлении щелочи

По графику определить изменение температуры в процессе разбавления (см. п. 2.2), обозначить его T3 и занести в таблицу результатов (см. табл. 2).

3. Расчет теплового эффекта реакции нейтрализации щелочи Анализ теплового эффекта реакции нейтрализации щелочи

включает в себя несколько этапов:

1) Производится расчет теплоты химической реакции Q, Дж, по формуле

Q = (m1С+ m2С + k) (ΔT2 – T3),

(17)

где С – теплоемкость раствора, равная ≈ 4,18 Дж/(г∙К); m1 – масса раствора кислоты, г (раствор кислоты слабый, в учебных целях можно допустить, что плотность раствора HCl приближенно равна единице, следовательно, масса раствора численно будет равна объему); m2 – масса раствора щелочи, г (определить с учетом того, что плотность ρNaOH = 1,041 г/моль, объем VNaOH = 5 мл); k – постоянная калориметра (определенная в первом опыте); T2 и T3 – изменение температуры раствора при нейтрализации и разбавлении щелочи соответственно.

18

2) Рассчитывается энтальпия нейтрализации щелочи	H,
кДж/моль, по формуле
H = –Q / n,	(18)

где Q – теплота химической реакции, кДж; n – количество вещества щелочи, моль (определяется с учетом концентрации раствора).

n = сVNaOH / 1 000,

(19)

где с – концентрация раствора NaOH, равная 1 н; VNaOH – объем раствора NaOH, равный 5 мл.

3) Вычисляется относительная			погрешность			экспериментов
по формуле
		Н Н	спр		100 %,	(20)
		Нспр
где H – энтальпия химической реакции, кДж;						Hспр – энтальпия

нейтрализации щелочи из справочника, равная –55,9 кДж/моль. Допустимая относительная погрешность не должна превы-

шать 5–10 %.

4) Результаты вычислений заносят в таблицу (см. табл. 2). Полученные данные анализируют и формулируют общие выводы.

Лабораторная работа № 2 Определение тепловых эффектов окислительно-

восстановительных реакций

Цель работы: определить тепловой эффект взаимодействия перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде.

Задачи работы:

1)определить постоянную калориметра;

2)определить количество тепла, выделившегося при взаимодействии перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде;

3)определить теплоту разбавления сульфита натрия кисло-

той;

4)рассчитать тепловой эффект взаимодействия перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде по следствию из закона Гесса и сравнить с экспериментальными данными.

Оборудование и реактивы:

19

1)калориметрическая установка (компьютер, контроллер, модуль «Термостат» с термодатчиком, установленным в крышке, магнитной мешалкой и стаканчиком (100 мл) в изотермической оболочке);

2)лабораторная посуда (мерные цилиндры объемом 100 и 10 мл, воронки большая и маленькая, стаканчик объемом 100 мл для ополаскивания термодатчика, керамический тигль, ложечка для соли и пипетка);

3)реактивы: Н2SO4 (0,1 М раствор), KMnO4 (0,05 M кислый раствор), Na2SO3 (0,02 M кислый раствор), КСl (порошок), Н2О (дистиллированная).

Обоснование работы

Химические процессы, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, на-

зываются окслительно-восстановительными. При окислении веществ степень окисления элементов возрастает, при восстановлении – понижается. Большинство окислительно-восстано- вительных процессов являются экзотермическими (например, горение природного газа, угля, реакции в растворах с участием перманганатов, бихроматов, взаимодействия металлов с кислотами и т.д.). Знание тепловых эффектов различных процессов дает информацию по управлению этими процессами, их эффективному использованию.

Взаимодействие перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде осуществляется по реакции

2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3Н2SO4 = 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 +

+ 3Н2O + Q.

(21)

В ионном виде:

2MnO4– + 5SO32– + 6Н+ = 2Mn2+ + 5SO42– + K2SO4 + 3Н2O + Q. (22)

Через Q в данном случае обозначен суммарный тепловой эффект взаимодействия перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде. Дело в том, что в тепловой эффект, наблюдаемый при взаимодействии перманганата калия с сульфитом натрия в кислой среде, помимо теплоты химической реакции входит также теплота разбавления сульфита натрия кислотой. Кроме того, в ходе эксперимента следует учитывать тепловое влияние прибора

20