Ćwiczenie nr 3/4.

(3)Temat: Ciepło rozpuszczania i neutralizacji.

(4)Temat: Reguła Hessa

Ciepło rozpuszczania i neutralizacji - temat 3

I. Wprowadzenie.

Efekt Cieplny jest sumą dwóch składowych:

1. efekt cieplny burzenia sieci krystalicznej - topnienie

2. efekt reakcji cząsteczek substancji rozpuszczonej z cząsteczkami rozpuszczalnika - solwatacja ( w przypadku roztworów wodnych zwana hydratacją)

Pierwszy z nich jest zawsze endotermiczny, drugi zazwyczaj egzotermiczny.

Celem uproszczenia obrazu zjawiska celowe jest oddzielne rozpatrywanie dwu układów: jednego, w którym istnieją tylko procesy solwatacyjne (np. mieszanie dwóch cieczy); - drugiego, w którym obok solwatacji ma miejsce burzenie sieci krystalicznej (rozpuszczanie ciała stałego w ciecz) Zagadnienie komplikuje się, jeśli jedna z substancji badanego układu występuje w fazie stałej. Konieczne jest wówczas uwzględnienie ciepła topnienia oraz faktu pojawienia się granicznej rozpuszczalności (roztwory nasycone).

Ciepło reakcji kwas-zasada (reakcja zobojętniania)

W wyniku reakcji kwasu z zasadą powstaje zawsze nie zdysocjowana cząsteczka wody. Reakcje zobojętniania zapisujemy równaniem:

H⁺ + A^- + B⁺ + OH^- = H₂O + A^- + B⁺

Istnieją dwie możliwości przebiegu procesu

a)w przypadku jeśli kwas, zasada i powstająca sól są częściowo zdysocjowane, wówczas obserwowany doświadczalnie efekt cieplny procesu będzie sumą ciepła dysocjacji kwasu i zasady, częściowej asocjacji jonu wodorowego i hydroksylowego na praktycznie nie zdysocjowaną wodę. Mierzone ciepło reakcji zobojętniania powinno być w takim przypadku zależne od rodzaju reagujących substancji.

II. Cel ćwiczenia.

1. Wyznaczenie zależności ciepła rozpuszczania 1 mola NaOH (lub KOH) od ilości moli wody w roztworze.

2. Wyznaczenie ciepła zobojętniania ługów sodowego i potasowego kwasem solnym i azotowym. W oparciu o uzyskane wyniki należy wyciągnąć wnioski co do stopnia dysocjacji użytych roztworów kwasów i zasad oraz powstających soli.

III. Przebieg ćwiczenia - obliczanie efektu cieplnego badanych procesów:

Do wykonania tego ćwiczenia (wyznaczenia ciepła rozpuszczania NaOH w rozpuszczalniku H₂O) wykorzystujemy proste urządzenie kalorymetryczne. Mierzymy wagę zlewki, mieszadełka i podajemy masę wody. Przeprowadzamy doświadczenie dodając kolejno 1/20, 1/20, 1/10, i 1/5 mola NaOH. Po każdorazowym dodaniu NaOH mierzyliśmy temperaturę co 15sek, aż NaOH całkowicie się nie rozpuści. Wyniki pomiarów przedstawiamy w tabelce.

Obliczanie efektu cieplnego badanych procesów:

Wzór: Q=∆H=(m_szc_sz + m _wc_w)∆t_x⁰

Dodanie do H₂O 1/20 mola NaOH (2g)

Dane: ­­­­

540 ml wody

231,5g zlewka + mieszadełko

C_sz ciepło właściwe szkła 0,19 [cal/g· ºC]

C_w ciepło właściwe wody 1[cal/g· ºC]

0,8°C = ∆t_x⁰ - wyznaczam z wykresu (temperatura układu reagującego w kalorymetrze jako funkcja czasu)

Q = (231.5[g] ·0,19[cal/g ·°C] + 540[g] ·1cal/g ·°C)·0,8°[C]

Q = 583,5[cal/°C] · [0,8ºC]

Q = 466,8 [cal]

Dodanie do powstałego roztworu 1/20 mola NaOH (2,05g)

∆t_x⁰ = 0,7[ºC] - wyznaczam z wykresu II

Q = 583,5 [cal/ºC] · 0,7 [ºC]

Q =408,45 [cal]

Dodanie do powstałego roztworu 1/10 mola NaOH (4,07g)

∆t_x⁰ = 1,3ºC - wyznaczam z wykresu III

Q = 583,5[cal/ºC] · 1,3ºC]

Q = 758,55 cal

Dodanie do powstałego roztworu 1/5 mola NaOH (7,85g)

∆t_x⁰ = 2,9ºC - wyznaczam z wykresu IV

Q = 583,5 [cal/ºC] · 2,9[ºC]

Q = 1692,15 cal

Wyniki pomiarów ciepła rozpuszczania

Tabela nr1

Nr pomiaru 1 M1 =0 [g] M2 =2 [g] M3 =2 [g]		Nr pomiaru 2 M1 =2 [g] M2 =4 [g] M3 =2 [g]		Nr pomiaru 3 M1 =4 [g] M2 =8 [g] M3 =4 [g]		Nr pomiaru 4 M1 =8 [g] M2 =16 [g] M3 =8 [g]
Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	19,8 20,1 20,2 20,3 20,4 20,5 20.6 20,7 20,7 20,7 20,7 20,7	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	20,7 20,8 20,9 21 21,1 21,2 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21,4 21,5 21,6 21,8 22 22,2 22,3 22,4 22,5 22,6 22,7 22,7	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	22,7 23 23,4 23,8 24,1 24,3 24,7 25 25,3 25,6 25,6 25,6

Tabela nr 2

Nr pomiaru	Ilość ługu dodana w pomiarze n1 [moli]	Sumaryczna ilość ługu w roztworze n2 [moli]	∆Tx^0 [ºC]	Ciepło rozpuszczania n1 moli w roztworze Q1 [cal]	Sumaryczne ciepło rozpuszczania n2 moli ługu Q2 [cal]	Sumaryczne ciepło rozpuszczania przeliczone na 1 mol ługu Q=Q2/n2 [cal/mol]	Ilość moli wod y przypadająca na mol ługu w roztworze ^nH20 = ^nH20/n2
1 2 3 4	1/20 1/20 1/10 1/5	1/20 1/10 1/5 2/5	0,8 0,7 1,3 2,9	466,8 408,45 758,55 1692,15	466,8 875,25 1633,8 3325,95	9336 8752,5 8169 8314,875	600 300 150 75

W oparciu o dane z tabeli sporządziłem wykres zależności ciepła rozpuszczania 1 mola ługu od ilości moli wody. Zależność tą przedstawia wykres V.

Ciepło zobojętniania

Do roztworu uzyskanego w trakcie wyznaczania ciepła rozpuszczania (zawierającego około 2/5 mola ługu) dodajemy, odmierzone pipetą 25 ml 4 n kwasu solnego. Mierzymy przy tym zmianę temperatury w czasie i obliczamy w sposób pokazany wyżej, uwzględniając w bilansie pojemność cieplną dodanego roztworu kwasu (przyjmujemy ciepło właściwe roztworu równe ciepłu właściwemu wody) oraz jego temperaturę początkową.

Q = ∆H = (m_sz · c_sz + m_w · c_w )∆t_x⁰ + m_kw · c_w · ∆t_x^0'

Wyliczony efekt cieplny przeliczamy na jeden mol wody powstającej w wyniku reakcji zobojętniania. Od wyniku odejmujemy ciepło rozcieńczania kwasu, które wynosi dla HCL: 450 [cal/mol], dla HNO₃ : 50 [cal/mol]

Obliczanie ciepła zobojętniania

(Do uzyskanego wcześniej roztworu dodajemy 25 ml 4 n HCL)

25 ml 4 n HCL

m_kw = 26,75 g

∆t_x^0' ,jest równe wartości ∆t_x⁰ pomniejszonej lub powiększonej o różnice temperatur pomiędzy temperaturą początkową roztworu ługu oraz temperaturą początkową roztworu kwasu.

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x^0' = 2,2 + (25,6 - 22,7)

∆t_x^0' = 2,2 + 2,9 = 5,1 ºC

Q = ∆H = (231.5[g] · 0,19[cal/g · ºC] + 540[g] · 1[cal/g · ºC]) · 2,2[ºC] + 26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · 5,1[ºC]

Q = 583,985[cal/ºC] · 2,2ºC + 26,75[cal/ºC] · 5,1[ºC]

Q = 1284,767+136,425= -1421,2cal

Q = -1,4212kcal

Ciepło przeliczamy na mol powstałej wody i uwzględniamy ciepło rozcieńczania kwasu.

Q'=

Q'=13,762

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres z tabeli 3 pomiar 1.

Dodaje do tego samego roztworu (zawierającego ług i powstały w wyniku jego częściowego zobojętnienia chlorek) 25 ml 4 n kwas azotowy HNO₃ .Celem znalezienia ciepła zobojętnienia:

25 ml 4 n kwasu azotowego

m_kw = 28,25g

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x^0' = 2,3 + (27,8 - 25,6)

∆t_x^0' = 2,3 + 2,2 = 4,5 ºC

Q = 583,985[cal/ºC] · 2,3[ºC] + 28,25[cal/ºC] · 4,5[ºC]

Q =- 1470,3[cal]

Q =- 1,4703[kcal]

Q'=

Q'=-14,653

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres z tabeli 3 pomiar 2.

Doświadczenie to powtarzamy dla KOH lecz nie mierzymy już ciepła rozpuszczania KOH w H₂O, tylko od razu tworzymy 0,4 n roztwór ługu i dodajemy kolejno 25ml 4 n kwasu solnego i 25ml 4 n kwasu azotowego.

Obliczenia dla KOH:

Dane:

540g wody

231,5g waga zlewki i mieszadełka

26,75g masa kwasu solnego

28,25g masa kwasu azotowego

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres z tabeli 3 pomiar 3.

Do uzyskanego roztworu dodajemy 25 ml 4 n kwasu solnego:

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x⁰ = 28,5 - 26,5 = 2

∆t_x^0' = 2 + (26,5 - 20,5)

∆t_x^0' = 6 + 2 = 8 ºC

Q = (231,5[g] · 0,19[cal/g·ºC] + 540[g] · 1[cal/g·ºC]) · 2[ºC] +

+26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · 8[ºC]

Q =1,382[kcal]

Q'=

Q'=13,37

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres z tabeli 3 pomiar 4.

Do tego samego roztworu dodajemy 25ml 4 n kwasu azotowego:

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x⁰ = 30,7- 28,5 = 2,2

∆t_x^0' = 2,2 + (28,5 - 26,5)

∆t_x^0' = 2 + 2,2 = 4,2 ºC

Q = (231,5[g] · 0,19[cal/g·ºC] + 540[g] · 1[cal/g·ºC]) · 2[ºC] +

+26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · 8[ºC]

Q = 583,985[cal/ºC] · 2,2[ºC] + 28,25[cal/ºC] · 4,2[ºC]

Q = 1286.62 [cal]

Q = -1,287 [cal]

Q'=

Q'=-12,82

Przebieg ciepła zobojętnienia przedstawia wykres z tabeli 3 pomiar 5.

Tabela nr 3

Nr pomiaru 1 + HCL		Nr pomiaru 2 + HNO3		Nr pomiaru 3 KOH		Nr pomiaru 4 HCL		Nr pomiaru 5 HNO3
Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	25,6 25,9 26,3 26,6 26,9 27,3 27,5 27,6 27,7 27,8 27,8	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	27,8 28,3 28,9 29,2 29,5 29,7 29,9 30,0 30,1 30,1 30,1	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	20,5 25,0 26,0 26,3 26,4 26,5 26,5 28,5 26,5 26,5 26,5	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	26,5 27,0 27,5 28,0 28,2 28,4 28,5 28,5 28,5 28,5 28,5	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	28,5 29,2 30,4 30,5 30,6 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7

Reguła Hessa - temat 4

Wyznaczanie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków

I. Wprowadzenie:

Reguła Hessa powiada, że ciepło reakcji przebiegającej pod stałym ciśnieniem lub w stałej objętości zależy jedynie od stanu wyjściowego i końcowego (rodzaj, ilość, stężenie substratów i produktów reakcji oraz temperatura).

Rozwinięciem reguły Hessa jest równanie Kirhoffa, określające zależność ciepła reakcji od temperatury.

II. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła rozpuszczania: MgO , Cao i ZnO .

III. Przebieg ćwiczenia:

Do kalorymetru wlewamy około 500g 2 n HCL i wsypujemy1/10 mola MgO (tj.4g MgO). Przyrost temperatury w czasie reakcji ∆t_x⁰ wyznacza się jak w poprzednim ćwiczeniu:

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x⁰ = 26,8- 21 = 5,8

∆t_x^0' = 5,8 - (21 - 19,8)

∆t_x^0' = 5,8 - 1,2 = 4,6 ºC

Efekt cieplny procesu wylicza się przyjmując w bilansie cieplnym ciepło właściwe roztworu równe 0,88 [cal/g·ºC]. Ciepło reakcji przelicza się na jeden mol tlenku (kwas jest w nadmiarze). Ciepło powstawania stałego wodorotlenku można wyliczyć posługując się podanymi w tabeli ciepłami tworzenia. Ciepło zobojętniania kwasu jest zasadą, jak wiadomo z poprzedniego ćwiczenia, wartością stałą, przyjmujemy wartość 13,92 +/- 0,06 kcal na mol powstającej wody.

Przebieg reakcji jest przedstawiony na wykresie

Dwa schematy przebiegu reakcji z wodnym roztworem kwasu:

I: MgO + 2HCL_roztw → MgCl_2(roztw) + H₂O +Q₁

II:MgO + H₂O → Mg(OH)_2(st) +Q₂

Mg(OH)_2(st) + 2HCl_roztw → [Mg(OH)₂ + 2HCL_roztw] +Q₃

Mg(OH)₂ + 2HCl_roztw → MgCl_2(roztw) + 2H₂O +Q₄

MgO + 2HCl_(roztw) → MgCl_2(roztw) + H₂O +Q₂ +Q₃ +Q₄

Q₂ = Q_Mg(OH) - Q_MgO - Q_H2O

Q₁=Q₂+Q₃+Q₄

Q₁ -wyznaczam w pomiarze kalorymetrycznym

Q₂ -wyliczam znając ciepła tworzenia substancji

Q₃ -jest szukanym ciepłem rozpuszczania

Q₄ -jest ciepłem reakcji zobojętniania

Obliczam ciepło rozpuszczania:

Q₂ = -218,7 -(-146,1) - (-68,35) = -218,7 + 146,1 + 68,35 = -4,25 kcal

Q₁ = (231,5·0,19cal/g·ºC + 500g·0,88 cal/g·ºC)·4,6ºC = (43,9cal/ºC+440cal/ºC)·4,6ºC = 483,9cal/ºC·4,6ºC = 2,2kcal

Q₄ = 2·13,92=27,84 kcal - ponieważ mamy 2H₂O

Q₃=Q₁-Q₂-Q₄

Q₃=2,7 + 4,25 - 27,84 kcal

Q₃= -20,89 kcal

Tabela nr4

Nr pomiaru 1 500gHCl+4gMgO		Nr pomiaru 2 H2O+0,5gCaO		Nr pomiaru 3 H2O+5,5gCaO		Nr pomiaru 4 H2O+5,5gCaO+ 100ml 2n HCl
Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21 21,4 22 23,1 23,8 24,1 25,2, 26,1 26,5 26,7 26,8 26,8	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	19,8 20,5 20,8 21,2 21,4 21,5 21,6 21,6 21,6 21,6 21,6 21,6	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21,6 21,8 22,3 22,5 22,9 23,1 23,2 23,2 23,2 23,2 23,2 23,2	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	23,2 24,3 25,0 25,5 25,9 26,2 26,3 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4

Wnioski:

Jak widać z doświadczenia, posługując się regułą Hessa oraz pomiarami kalorymetrycznymi odpowiednio dobranych procesów można pośrednio wyznaczyć ciepła reakcji, których bezpośredni pomiar jest trudny. Proces dobiera się tak, aby pomiar nie powodował większych trudności doświadczalnych. Dobór badanych procesów jest dowolny, nie ma ogólnych reguł postępowania.

10

---