Оценка теплового эффекта реакции нейтрализации с помощью датчика температуры

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра управления инновациями (УИ)
ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу общей химии:

«Определение теплового эффекта реакции нейтрализации».

_______________ Н.А. Габов
_______________ А.К. Гончаров
_______________ Т.А. Кретов

Цель работы: определить тепловой эффект реакции нейтрализации; доказать справедливость закона Гесса при проведении реакции в одну и две стадии.

Приборы и реактивы: калориметр, термометр, воронка, мерные цилиндры на 100 мл, химический стакан объемом 800 мл.
ХОД РАБОТЫ

Опыт 1. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации, проводимой в две стадии

Для I стадии опыта используются такие объемы кислоты и щелочи, чтобы соотношение количеств реагирующих веществ в молях было равно 1:1. В растворе протекает реакция с образованием кислой соли:

В результате реакции нейтрализации выделяется определенное количество тепла, и температура раствора будет повышаться. При этом тепловой эффект I стадии реакции равен .

Выполнение опыта:

1. в калориметр отмерили 40 мл раствора серной кислоты 0,5М Н₂SO₄;
2. измерили температуру раствора кислоты t₁ в калориметре;
3. быстро (и без потерь) влили в кислоту 20 мл одномолярного раствора щелочи NaOH из мерного цилиндра и получили раствор кислой соли NаHSO₄ (объем V₁);
4. определили температуру t₂ раствора после реакции, которая протекает по уравнению:

H ₂ SO ₄ + NaOH = Na Н SO ₄ + H ₂ O
где — теплота реакции;

1. определили разность температур t₁ = t₂ – t₁ и объем V₁ полученного раствора;
2. охладили раствор до начальной температуры;
3. к полученному раствору NaНSO4 быстро прилили оставшиеся 20 мл раствора щелочи, перемешали и определили температуру раствора t₃. В данном случае кислая соль превращается в среднюю по реакции:

NaHSO ₄ + NaOH = Na ₂ SO ₄ + H ₂ O
где — теплота реакции;

1. определили разность температур t₂ = t₃ – t₁ и объем V₂ полученного раствора;
2. результаты опыта занесли в табл. 1;

Опыт 2. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации, проводимой в одну стадию

В данном опыте берутся такие объемы растворов кислоты и щелочи, что соотношение количеств их веществ составляет 1:2. В таком случае реакция протекает сразу с образованием нормальной соли:

В результате реакции, проводимой в одну стадию, тепловой эффект составит .

Выполнение опыта:

1. в калориметр отмерили 40 мл раствора серной кислоты 0,5М Н₂SO₄;
2. измерили температуру раствора кислоты t₄ в калориметре;
3. быстро (и без потерь) влили в кислоту 40 мл одномолярного раствора щелочи NaOH из мерного цилиндра и получили раствор средней соли Nа₂SO₄;
4. определили температуру t₅ раствора реакции полной нейтрализации,

H ₂ SO ₄ + 2NaOH = Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O ΔH ₃
где H₃ — теплота реакции;

1. определили разность температур t₃ = t₅ – t₄ и объем V₃ полученного раствора;
2. результаты опыта занести в табл. 1;
3. вычислили энтальпию (H₁, H₂,H₃) реакции нейтрализации по формуле:

ΔH = V ∙ d ∙ C ∙ Δt ∙ 25 ∙ 0,001,

где V – объем раствора, мл; d – плотность раствора, г/мл; C – удельная теплоемкость раствора, Дж/г·К; Δt – разность температур, полученная экспериментально; 25 – коэффициент пересчета теплового эффекта при реакции раствора, содержащего 1 эквивалент (1 моль) щелочи; 0,001 – коэффициент пересчета Дж в кДж.

1. вычислили суммарную теплоту H₁ + H₂ реакции нейтрализации;
2. сравнили значение суммарной теплоты реакции H₁ + H₂ со значением H₃ и сделали соответствующие выводы;
3. вычислили абсолютную и относительную ошибки определения теплоты реакции;

= 60 * 1,027 * 4,054 * 4,4 * 25 * 0,001 = 27,47 кДж;

= 80 * 1,027 * 3,981 * 3,4 * 25 * 0,001 = 27,80 кДж;

= 80 * 1,027 * 3,981 * 6,8 * 25 * 0,001 = 55,60 кДж;

Таблица 1.

Рассчитав тепловые эффекты реакций нейтрализации, которые проводились в две и в одну стадию и, проанализировав полученные результаты, мы убедились в справедливости закона Гесса.

Согласно закону Гесса тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном объеме или при постоянном давлении, не зависит от пути реакции, а зависит только от природы исходных и конечных веществ и их состояния.

Источник

Тема «Определение теплового эффекта реакции нейтрализации»

Цель работы – освоить методику калориметрических измерений и методику экспериментального определения теплового эффекта реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, овладеть навыками осуществления термохимических расчетов.

Приборы и посуда: жидкостный калориметр, весы с разновесами; термометр на 100 °С; штатив с пробирками; мерные цилиндры емкостью 50 мл; химические стаканы емкостью 100 мл (2 шт.); пипетка; шпатель.

Реактивы: серная кислота H₂SO₄ (1,0 М раствор); 2) гидроксид натрия NaОН (2,0 М раствор).

Определение теплового эффекта реакции производят в пробирках называемых калориметрами. Простейший из них изображен на рисунке. Серную кислоту можно нейтрализовать двумя способами.

Первый способ – это последовательная нейтрализация в две стадии:

Второй способ – полная нейтрализация в одну стадию:

Опыт 1. нейтрализация серной кислоты в две стадии.

В калориметрический стакан влить 50 см 3 1,0 М раствора серной кислоты. Измерить температуру (t₁) . В два стакана отмерить по 25см 3 2,0 М раствора щелочи NaOH. В раствор кислоты быстро и без потерь вылить из 1-го стакана щелочь. Перемешать путем встряхивания полученный раствор кислой соли NaHSO₄ и быстро измерить максимальную температуру (t₂). К полученному раствору кислой соли NaHSO₄ быстро прилить раствор щелочи из второго стакана и после перемешивания измерить максимальную температуру (t₃) раствора средней соли Na₂SO₄. Результаты опыта записать в таблицу.

Опыт 2. Нейтрализация серной кислоты в одну стадию.

В калориметрический стакан влить 50 см 3 1М раствора серной кислоты. Измерить температуру (t₁). В раствор серной кислоты влить 50 см 3 2М раствора щелочи. Перемешать раствор, измерить максимальную температуру (t₂). Результаты опыта записать в таблицу.

Теплота, выделяющаяся в результате реакции нейтрализации, вычисляется по формуле:

V – общий объем раствора в калориметре, см 3 ;

d – плотность раствора в калориметре, г/см 3 ;

C – удельная теплоемкость раствора, кДж/моль;

∆t – разность температур до и после реакции;

1. Рассчитать тепловой эффект первой и второй стадии реакции нейтрализации в первом опыте.

2. Рассчитать тепловой эффект реакции нейтрализации во втором опыте.

3. На основании следствия из закона Гесса рассчитать теоретический тепловой эффект реакции нейтрализации серной кислоты щелочью, если известны теплоты образования продуктов реакции и исходных веществ:

4. Сравнить тепловой эффект реакции нейтрализации во втором опыте с теоретическим тепловым эффектом.

5. сравнить суммарный тепловой эффект реакции нейтрализации в первом опыте с тепловым эффектом во втором опыте и сделать вывод о выполнении закона Гесса.

1. Как изменяется энтальпия системы, если реакция идет с поглощением тепла?

2. Вычислить тепловой эффект реакции

по стандартным энтальпиям образования веществ, участвующих в реакции, если (NaH_(k))=-56,94 кДж/моль, (NaOH_(р)) = 469,47 кДж/моль, (H₂O_(ж)) =-285,84 кДж/моль.

3. Определить знак изменения энтропии в следующих реакциях:

4. В каком направлении нижеприведенная реакция будет протекать самопроизвольно?

Источник

Расчёт теплового эффекта реакции нейтрализации

По лабораторной работе №3

Цель работы: определение тепловых эффектов и направления химических процессов.

Краткая теория

Химическая термодинамика изучает превращение энергии химических реакций в другие виды – тепловую, электрическую, лучевую.

Химические вещества и системы могут характеризоваться термодинамическими функциями, которые имеют такое же значение, как понятие молекулярная и атомная масса, плотность. В химической термодинамике рассматриваются начальные и конечные состояния химических систем, их превращения, предсказывается изменение энергий этих превращений независимо от характера изменений, скорости реакций и природы промежуточных продуктов, образовавшихся в результате реакции.

Химические процессы, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими.

Химические процессы, протекающие с поглощением тепла, называются эндотермическими.

Первый закон термодинамики:

Для изобарных систем (p-const) тепловой эффект проявляется как изменение энтальпии (ΔН)

Химические уравнения с приведенными тепловыми эффектами Q и ΔН называются термохимическими.

Тепловой эффект химической реакции не зависит от промежуточных стадий процесса.

ΔН 0 _{298 к.р.=}d ΔН 0 _{298 обр.D} + c ΔН 0 _{298 к.р.C} — aΔН 0 _{298 обр.А} — b ΔН 0 _{298 обр.В}

По закону Гесса можно определить теплоту образования неустойчивых соединений, теплоту фазовых и агрегатных переходов.

Энтропия – логарифмическая функция вероятности существования системы, определяющая меру беспорядка в системе.

ΔS=R * ln беспорядок системы в конечном состоянии

беспорядок системы в исходном состоянии

Для измерения тепловых эффектов используют калориметры. Теплота, выделяемая или поглощаемая в калориметре:

с₁,с₂ – удельные теплоемкости веществ

k – постоянная калориметра

T₁ , T₂ – начальная и конечная температура

Экспериментальная часть

Оценка энтропии растворения соли.

Опыт проводится в упрощенном калориметре. Нальем 50 мл дистиллированной воды в реакционный сосуд. Измерим температуру воды через равные промежутки времени. Занесем эти данные в таблицу 1.

Введем капсулу с солью KCl, массой 0,5 г.

Помешаем и измерим температуру полученного раствора. Занесем данные в таблицу.

Используя таблицу, построим график зависимости температуры от времени.

а) Определим тепловой эффект процесса и пересчитаем на моль вещества по формуле: Q * M_c

ΔН = m_c * 1000 , кДж/моль (1)

Подставим данные в формулу (2):

Подставим данные в формулу (1):

б) рассчитаем изменение энтропии процесса по формуле:

ΔН_р-ра* M_c

ΔН_m = m₁ * 1000 = 193,7 кДж/моль

Вывод: на лабораторной работе мы научились определять тепловые эффекты, рассчитывать выделенную тепловую энергию.

Расчёт теплового эффекта реакции нейтрализации

NHCl = 0.2 VHCl =8 мл NNaOH =0.4 VNaOH = 50мл МNaCl = 58 г/моль МHOH=18 г/моль

Масса соли NaCl в граммах: m_NaCl = N_HCl* V_HCl* M_NaCl/1000 = 0.2*8*58/1000= 0,1 кг

Для подсчёта Q_нейтр. по формуле считается, что с_NaCl = 4.103 кДж/кг. сH₂O = 4.1 кДж/кг, К=239 Дж

кол-во молей соли n_NaCl = (N_HCl*V_HCl)/1000 = 0,2*8/1000 = 0,0016 моль

Полученная величина теплового эффекта выделилась при взаимодействии объёма кислоты V_HCl с молярностью М. Вычислим количество молей кислоты n_HCl, вступившей в реакцию нейтрализации. Количество молей кислоты составит

Моль кислоты при реакции нейтрализации выделяет ∆H o ₂₉₈ = -57 кДж/моль. Найдем экспериментальное значение молярного теплового эффекта реакции нейтрализации по формуле

Таким образом мы получили экспериментальное значение теплового эффекта, которое отличается от экспериментального на величину теплоты разбавления кислоты при её растворении в калориметре.

Источник