Ciepło rozpuszczania (ćwiczenie 3)

Efekt cieplny rozpuszczania ciała stałego w cieczy jest sumą dwu składowych:

1. efektu cieplnego burzenia sieci krystalicznej (topnienie)

2. efektu ewentualnej reakcji cząstek substancji rozpuszczonej z cząstkami rozpuszczalnika (solwatacja - zwana w przypadku roztworów wodnych hydrotacją).

Pierwszy z nich jest zawsze endotermiczny, drugi zazwyczaj egzotermiczny. Proces rozpuszczania bilansujący te dwa efekty cieplne może być wiec egzo- lub endotermiczny. 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). Doświadczalnie wyznacza się zazwyczaj ciepło rozpuszczania 1 mola badanej substancji (w tym przypadku NaOH) w różnych ilościach rozpuszczalnika (w tym przypadku H₂O) Zależność taką pokazuje wykres VIII)

Ciepło reakcji kwas-zasada (reakcja zobojętniania)

W wyniku reakcji kwasu z zasadą powstaje zawsze nie zdysocjowana cząsteczka wody. Reakcje zobojętniania można ogólnie zapisać 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.

Przebieg ćwiczenia

Do wyznaczenia ciepła rozpuszczania NaOH w rozpuszczalniku H₂O, użyliśmy do tego celu kalorymetr. Zważyliśmy zlewkę i mieszadełko ich waga wynosi 234,5g i umieściliśmy ją w kalorymetrze wlewając 549 ml wody. W tak przygotowanym kalorymetrze zaczęliśmy przeprowadzać doświadczenia dodając kolejno 1/20 1/20 1/10 1/5 mola NaOH, po każdorazowym dodaniu NaOH mierzyliśmy temperaturę co 15sek, aż NaOH całkowicie się nie rozpuści. Uzyskane pomiary przedstawiłem na wykresach i w tabelce nr 1.

Wykres I przedstawia przebieg ciepła rozpuszczania 1/20 mola NaOH(2g w postaci granulek)

Wykres II 1/20 mola NaOH dodana do roztworu

Wykres III 1/10 mola NaOH dodana do roztworu

Wykres IV 1/5 mola NaOH dodana do roztworu

Obliczanie efektu cieplnego badanych procesów

Obliczam 1 etap doświadczenia czyli dodanie do H₂O 1/20 mola NaOH (2g)

Dane: Wzór:

549ml wody Q=∆H=(m_sz c_sz + m_w c_w ) ∆t_x⁰

228,5g zlewka

6g mieszadełko

C_sz - ciepło właściwe szkła 0,19

C_w - ciepło właściwe wody 1

0,7°C = ∆t_x⁰ - wyznaczam z wykresu

Q = (234.5[g] ·0,19
+ 549[g] ·
)·0,7°[C]

Q = 593,5
· [0,7ºC]

Q = -415,4 [cal]

Obliczam 2 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/20 mola NaOH (2,05g)

∆t_x⁰ = 0,6[ºC] - wyznaczam z wykresu

Q = 593,5
· 0,6 [ºC]

Q = -356,1 [cal]

Obliczam 3 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/10 mola NaOH (4,07g)

∆t_x⁰ = 1,3ºC - wyznaczam z wykresu

Q = 593,5
· 1,3[ºC]

Q = -771,5 cal

Obliczam 4 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/5 mola NaOH (7,85g)

∆t_x⁰ = 2,6ºC - wyznaczam z wykresu

Q = 593,5
· 2,6[ºC]

Q = -1543.1 cal

Reakcja rozpuszczania ługu NaOH jest egzotermiczna dlatego ciepła są z minusami.

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'

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

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]

Obliczam ciepło zobojętniania

Do uzyskanego wcześniej roztworu dodajemy 25 ml 4 n HCL

25 ml 4 n HCL

m_kw = 26,75 g

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (t_t - t_k) gdy T_t >T_k to „+”

∆t_x^0' = 2,1 + (25,3 - 20,3)

∆t_x^0' = 7,1ºC

Q = ∆H = (234[g] · 0,19
+ 549[g] ·1
) · 2,1[ºC] + 26,75[g] · 1
· 7,1[ºC]

Q = 593,5[cal/ºC] · 2,1ºC + 26,75[cal/ºC] · 7,1[ºC]

Q = - 1,4362 kcal

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

Q'=

Q'=13,912

Powtarzam doświadczenie dodając do tego samego roztworu (zawierającego ług i powstały w wyniku jego częściowego zobojętnienia chlorek) 25 ml 4 n kwasu azotowego HNO₃ .Celem znalezienia ciepła zobojętnienia. Obliczam jw.

25 ml 4 n kwasu azotowego

m_kw = 28,25g

∆t_x^0' = 9 (obliczyłem jak w powyższym obliczeniu biorąc dane z wykresu i po obliczeniu)

Q = 593,5[cal/ºC] · 2,2[ºC] - 28,25[cal/ºC] · 9[ºC]

Q = - 1,56 [kcal]

Q'=

Q'=-15,55

Obliczenia dla KOH

Dane:

526g wody

234,5g waga zlewki i mieszadełka

26,75g masa kwasu solnego

28,25g masa kwasu azotowego

Do uzyskanego roztworu dodajemy 25 ml 4 n kwasu solnego

∆t_x^0' = 8,9[ºC] po wyliczeniu

Q = (234,5[g] · 0,19
+ 526[g] · 1
) · 2,2[ºC] + 26,75[g] · 1
·8,9[ºC]

Q = -1,493 [kcal]

Q'=

Q'=14,48

Do tego samego roztworu dodajemy 25ml 4 n kwasu azotowego

∆t_x^o' = 12,6 po wyliczeniu

Q = 570[cal/ºC] · 3,9[ºC] + 28,25[cal/ºC] · 12,6[ºC]

Q = 2223 [cal] + 135,6 [cal]

Q = -2578,98[cal]

Q'=
-

Q'=

Q'=-25,739

Reguła Hessa

Wyznaczanie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków

(ćwiczenie 4)

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). Regułę te stosuje się zazwyczaj do wyliczania ciepła reakcji w oparciu o zebrane, w dobrze już dziś opracowanych tablicach, dane termodynamiczne ciepła tworzenia substancji reagujących. Rozwinięciem reguły Hessa jest równanie Kirhoffa, określające zależność ciepła reakcji od temperatury.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła rozpuszczania wodorotlenku magnezu MgO.

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. 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 zasadą jest , jak wiadomo z poprzedniego ćwiczenia, wartością stałą, przyjmujemy wartość 13,92 +/- 0,06 kcal na mol powstającej wody.

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

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

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:

Q₁ = (234,5·0,19 + 499g·0,88) ·5,6º = (44,5+439.12)·5,6 = 483,62·5,6 =

=-2.732

Przeliczając na 1mol tlenku otrzymujemy:

Q'₁=
=-27.37

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

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

Q₃=Q₁-(Q₂-Q₄)

Q₃=-27,732 -( -4,25 - 27,84) kcal

Q₃= 4,358 kcal

Wnioski:

Jak widać z opisanego 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.

Metale Nieżelazne

Metalurgia rok II Kraków 29.XII.2002

AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

IM. STANISŁAWA STASZICA

W KRAKOWIE

Zespół „IV”

Ćwiczenie nr 3/4

„Ciepło rozpuszczania i neutralizacji”

&

„Wyznaczanie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków”

Wykonał:

Jakub Urbanowski

MN rok II

---