Визначення теплового ефекту процесу

гідратації КУПРУМ (II) сульфату

Мета роботи: оволодіння практичними навичками визначення теплових ефектів процесів, що відбуваються в різних системах, а саме визначення інтегральної теплоти розчинення солі.

При розчинені солі у воді спостерігається або поглинання, або виділення тепла. При цьому відбуваються одночасно такі процеси:

1. Руйнування кристалічної решітки речовини (відбувається поглинання тепла в кількості, яка дорівнює Q₁).

2. Гідратація іонів (супроводжується виділенням кількості тепла, яка дорівнює Q₂).

Теплота розчинення солі дорівнює алгебраїчній сумі теплових ефектів цих процесів: Q = Q₁ + Q₂.

Сполуки, які мають міцну кристалічну решітку та слабо підлягають гідратації в розчині, будуть розчинятися з поглинанням тепла. Сполуки з нестійкою кристалічною решіткою та які утворюють в розчині сильно гідратовані іони, будуть розчинятися з виділенням тепла. Наприклад, це такі сполуки, які при розчинені утворюють іони Гідрогену або гідроксільні іони.

Теплота розчинення речовини збільшується зі збільшенням кількості розчинника, яка приходиться на один моль розчиненої речовини. Якщо на один моль речовини приходиться більш 100-300 молей розчинника, то подальше розбавлення розчину дуже слабо змінює значення теплоти розчинення.

Теплотою розчинення називають кількість теплоти, яка поглинається або виділяється при розчиненні одного моля речовини в такій кількості розчинника, коли подальше додавання його не супроводжується зміною теплового ефекту.

Калориметрія – це метод визначення теплових ефектів різних процесів. Прилад, що застосовується для визначення різних теплових ефектів називається калориметр. Найпростіший калориметр наведено на рис.1.

1 – стакан з водою

2 – термоізоляція (полістирол)

3 – магніт

4 – електомагнітна мішалка

5 - термометр

n – кількість речовини,

Рис. 1. Простіший калориметр

Тепловий ефект у кДж/моль або у ккал/моль будь-якого процесу можна розрахувати за формулою:

Q = К∙ Dt/n, де

К- постійна калориметра,

Dt – зміна температури в ході процесу,

n – кількість речовини, що застосовується в ході процесу.

Постійна калориметра(К) – це та кількість теплоти, яку необхідно підвести до калориметра, щоб підвищити його температуру з усім його вмістом (термометром, мішалкою, водою та сіллю) на 1 градус.

Методика визначення:

1. Визначення постійної калориметра К.

Для розрахунку теплового ефекту процесу, який проходить в калориметрі (рис.1), необхідно знати постійну калориметра. Постійну калориметра можна визначити за відомою теплотою розчинення якоїсь солі, наприклад, калій нітрату Q_p(KNO₃)= - 34, 77 кДж/моль.

Для цього в стакан калориметра наливають 100 см³ дистильованої води, яка має кімнатну температуру. Вмикають електромагнітну мішалку (нагрів на приладі не вмикати!) та перемішують спочатку воду. Одночасово вмикають секундомір та фіксують зміну температури води кожні півхвилини до тих пір, поки температура не встановиться постійною. Це буде початковий період ( протягом 3-5 хвилин).

Після цього висипають усю наважку солі KNO₃ (5 г) у воду та, розмішуючи розчин і не вимикаючи секундомір, спостерігають за зміною температури розчинення солі (головний період). Спочатку температура буде різко падати (ендотермічний процес), а потім знов підвищуватися до кімнатної температури.

У кінцевому періоді також, як і в початковому, температуру фіксують протягом 3-5 хвилин через кожні 30 секунд поки температура не буде змінюватися.

Результати досліджень занесіть в таблицю 1.

2. Визначення теплоти розчинення безводного купрум (ІІ) сульфату.

Експеримент з купрум (ІІ) сульфатом проводять таким же способом, як і з калій нітратом, визначаючи зміну температури в калориметрі при розчиненні 4, 8 г безводного купрум (ІІ) сульфату в 100 г води. Заміри температури роблять також кожні півхвилини у початковому, головному та кінцевому періодах. Результати досліджень занесіть в таблицю 1.

3. Визначення теплоти розчинення кристалогідрату купрум (ІІ) сульфату.

Експеримент повторюють з кристалогідратом CuSO₄·5H₂O (7, 5 г).

Результати досліджень занесіть в таблицю 1.

Таблиця 1

(інтервал 0, 5 хвил)

Обчислення результатів

Для розрахунку точної зміни температури Dt розчинення солі креслять на міліметровому папері графік (рис.2), де на вісі абсцис відкладають час та на вісі ординат - температури через кожні 0, 5 хвилин. Якщо з’єднати знайдені таким чином точки, то отримують дві похилені прямі АВ та СD, похил яких буде залежати від різниці температур між калориметром та навколишнім середовищем.

Оскільки протягом всього процесу триває обмін теплом між калориметром та навколишнім середовищем, необхідно зробити поправку, щоб отримати зміну температури, яка викликається розчиненням солі. Для цього продовжують прямі початкового та кінцевого періодів зміни температур на графіку. Довжину між кінцевими точками другого періоду поділяють навпіл та проводять пряму, паралельну осі ординат до перетинання з продовженими лініями. Довжина між точками перетинання М та N дорівнює зміні температури внаслідок розчинення солі.

Рис.2. Зміна температури за часом при розчиненні KNO₃.

Після знаходження значення Dt, розраховують постійну калориметра К за рівнянням:

К = , де

Q_p - відома теплота розчинення солі;

n - кількість молей солі (KNO₃);

За знайденим значенням постійної калориметра та за результатами досліду розраховують теплоту розчинення безводного купрум(ІІ) сульфату та його кристалогідрату за формулою:

Q = К∙ Dt/n.

Результати розрахунків занесіть в таблицю 2.

Таблиця 2

Різниця між теплотою розчинення безводної солі та теплотою розчинення кристалогідрату дорівнює теплоті утворення кристалогідрату із безводної солі.

Завдання для самостійної роботи

Підготувати теоретичний матеріал за темою, оформити лабораторний журнал, підготуватися до відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1. Що таке теплота і робота? Що таке внутрішня енергія системи? Чи можливо визначення її абсолютного значення?

2. Сформулюйте перший закон термодинаміки.

3. Що таке ентальпія і теплоємність? Як залежить ентальпія від температури?

4. Сформулюйте закон Гесса. Як визначаються тепловий ефект хімічних реакцій через стандартні ентальпії утворення реагентів?

5. Що таке інтегральна теплота розчинення? Як вона визначається? Як залежить тепловий ефект хімічної реакції від температури?

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2

РОЗЧИНИ ЕЛЕКТРОЛІТІВ ТА НЕЕЛЕКТРОЛІТІВ.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ РОЗЧИНІВ