Sprawozdanie z ćwiczenia nr 17: Ciepło neutralizacji kwasu solnego.

1. Wstęp teoretyczny:

Z przebiegiem każdej reakcji chemicznej związane są efekty cieplne. W reakcjach egzotermicznych ciepło jest wydzielane z układu do otoczenia, a w reakcjach endotermicznych układ pobiera ciepło z otoczenia. Proces zobojętniania mocnej zasady za pomocą mocnego kwasu (np. NaOH + HCl  NaCl + H₂O) jest w istocie reakcją pomiędzy jonami H ⁺ i OH^- z utworzeniem słabo zdysocjowanej cząsteczki wody. Ciepłem zobojętniania (entalpią neutralizacji) jest efekt cieplny procesu: H ⁺ + OH^-  H₂O w którym 1 mol jonów H ⁺ reaguje z 1 molem jonów OH^- w roztworze o stałym stężeniu.

Ciepło neutralizacji mocnych kwasów za pomocą mocnych zasad jest praktycznie niezależne od rodzaju kwasu i zasady i w temperaturze 25^oC wynosi 13,33 kcal/mol (55,81 kJ/mol).

Po wprowadzeniu do roztworu NaOH roztworu HCl obserwuje się efekt cieplny będący sumą ciepła neutralizacji i ciepła rozcieńczania.

W przypadku reakcji zobojętniania słabych kwasów za pomocą mocnych zasad (lub słabych zasad za pomocą mocnych kwasów) efekt cieplny reakcji jest sumą ciepła neutralizacji, ciepła rozcieńczania oraz ciepła dysocjacji słabego kwasu (zasady). Dla reakcji zobojętniania kwasu octowego za pomocą NaOH ciepło neutralizacji wynosi 13,30 kcal. Pewna ilość ciepła jest pochłonięta na dysocjację kwasu octowego. Jeszcze mniejsze efekty cieplne towarzyszą reakcją zobojętniania słabych kwasów słabymi zasadami.

2. Opracowanie wyników:

Zmiany temperatury T obliczam z wykorzystaniem równania termistora:

gdzie: b = 3731,5577
2,7854; lnR_∞ = -9,434696
0,009139; z równania tego można obliczyć odpowiednio wszystkie temperatury pomiaru;

T = T_p - T_k gdzie: T_p - temperatura przed rozpoczęciem procesu; T_k - temperatura po zakończeniu procesu;

Ciepło reakcji neutralizacji i rozcieńczenia:

Q_n+r = -(m_rc_w + w_w)T_n+r = Q_n + Q_r gdzie: Q_n+r - ciepło neutralizacji i rozcieńczenia; m_r - masa roztworu; c_w - ciepło właściwe roztworu (4,02368 [J/g*K]); w_w - wartość wodna kalorymetru (68,57 [J/K]); T_n+r - skorygowany przyrost temperatury reakcji neutralizacji i procesu rozcieńczenia (0,764251 [K]).

Ciepło procesu rozcieńczenia:

Q_r = -(m_rc_w + w_w)T_r gdzie: Q_n+r - ciepło rozcieńczenia; m_r - masa roztworu; c_w - ciepło właściwe roztworu (4,18697 [J/g*K]); w_w - wartość wodna kalorymetru (68,57 [J/K]); ciepło właściwe roztworu przyjęto w badanym zakresie za równe ciepłu właściwemu wody; T_r - skorygowany przyrost temperatury procesu rozcieńczenia (0,120181 [K]).

Ciepło reakcji neutralizacji:

Q_n+r = Q_n + Q_r czyli Q_n = Q_n+r - Q_r

Czas [min]	Czas [s]	Temperatura kalorymetru [ ^0C ] przy pomiarze sumy entalpii neutralizacji i entalpii rozcieńczania		Temperatura kalorymetru [ ^0C ] przy pomiarze entalpia rozcieńczania
				V [mV]	T [K]	V [mV]	T [K]
0	0	24,08	295,7781	23,44	296,411
0,25	15	24,08	295,7781	23,44	296,411
0,5	30	24,08	295,7781	23,44	296,411
0,75	45	24,08	295,7781	23,44	296,411
1	60	24,08	295,7781	23,44	296,411
1,25	75	24,08	295,7781	23,44	296,411
1,5	90	24,08	295,7781	23,44	296,411
1,75	105	24,08	295,7781	23,44	296,411
2	120	24,08	295,7781	23,44	296,411
2,25	135	24,08	295,7781	23,44	296,411
2,5	150	24,21	295,6519	23,44	296,411
2,75	165	24,08	295,7781	23,44	296,411
3	180	24,34	295,5265	23,44	296,411
3,25	195	24,74	295,1455	23,44	296,411
3,5	210	24,74	295,1455	23,44	296,411
3,75	225	24,88	295,0139	23,56	296,2908
4	240	24,88	295,0139	23,56	296,2908
4,25	255	24,88	295,0139	23,56	296,2908
4,5	270	24,88	295,0139	23,56	296,2908
4,75	285	24,88	295,0139	23,56	296,2908
5	300	24,88	295,0139	23,56	296,2908
5,25	315	24,88	295,0139	23,56	296,2908
5,5	330	24,88	295,0139	23,56	296,2908
5,75	345	24,88	295,0139	23,56	296,2908
6	360	24,88	295,0139	23,56	296,2908
6,25	375	24,88	295,0139	23,56	296,2908
6,5	390	24,88	295,0139	23,56	296,2908
6,75	405	24,88	295,0139	23,56	296,2908
7	420	24,88	295,0139	23,56	296,2908

Proces	Masa roztworu [g]	T [K]		Q [J]
Reakcji neutralizacji i proces rozcieńczania	425,0	0,764251	Qn+r = - 1359,32
Proces rozcieńczania		0,120181	Qr = - 222,09

Obliczam ciepło neutralizacji: Q_n+r = Q_n + Q_r czyli Q_n = Q_n+r - Q_r = - 1359,32 - (- 222,09) = - 1137,23

Przeliczam na jeden mol HCl: H_n = - 1137,23/(0,025 * 4) = - 11372,3 [J/mol] = - 11,37 [kJ/mol]

2.4. Obliczenie maksymalnego ciepła reakcji neutralizacji na podstawie wzoru:

Maksymalny błąd znalezionego ciepła neutralizacji Q_n oblicza się na podstawie błędów maksymalnych pomiaru masy m_r przyrostu temperatury T oraz liczby moli neutrlizowanego kwasu n_kw . Na podstawie równania : Q_n = - [(m_rc_wł + w_w)T]1/n_kw otrzymuje się błąd maksymalny molowego ciepła neutralizacji wyrażenie :Q_n =
[(c_włT 1/n_kw)m_r + (m_rc_wł1/n_kw + w_w1/n_kw)(T) + (m_rc_włT + w_wT)1/n²_kw n_kw]

Błąd maksymalny ważenia (m_r), pomiaru przyrostu temperatury ((T) ) oraz liczby moli kwasu n_kw przyjmujemy w następujący sposób : m_r = 0.5 g; (T) = 0.01 K; n_kw = 0.0005 mol;

zatem Q_n =
880,7265 [J]

3. Wnioski:

Molowe ciepło neutralizacji wyznaczone w ćwiczeniu: H_n= - 11,37 ± 0,88 [kJ/mol]

Wyznaczona wartość ciepła reakcji neutralizacji H_n= - 11,37 ± 0,88 [kJ/mol] odbiega od wartości literaturowej, która wynosi H_n= - 55,81 [kcal/mol]. Może to być spowodowane złą izolacją termiczną kalorymetru, uchodzenie ciepła do otoczenia, wahaniami temperatury otoczenia, obarczony błędem może być pomiar temperatury. Również stężenia badanych roztworów mogły nieco odbiegać od podanych wartości.

2

---