Anna Bieganowska

ĆWICZENIE NR 2

Wyznaczanie efektu cieplnego reakcji zobojętniania za pomocą mikrokalorymetru różnicowego.

Reakcja zobojętnienia (neutralizacji) - reakcja chemiczna między kwasem a zasadą, która prowadzi do zmiany pH środowiska reakcji w kierunku bardziej obojętnego odczynu. W jej wyniku powstaje sól i często, choć nie zawsze, woda.

Reakcja zobojętniania może zachodzić w różnych środowiskach i mieć w związku z tym różny przebieg. Jej przebieg zależy też od tego, czy do roztworu kwasu dodaje się zasadę, czy też na odwrót, do zasady dodaje się kwas. W tym pierwszym przypadku następuje spadek stężenia jonów hydroniowych (H₃O⁺), zaś w tym drugim następuje spadek stężenia jonów hydroksylowych.

W roztworach wodnych reakcja zobojętniania zachodzi zawsze w kierunku wyrównywania się stężeń jonów hydroniowych (H₃O⁺) i/lub wodorotlenowych (OH^-), do poziomu charakterystycznego dla wody destylowanej. Upraszczając reakcja zobojętniania polega na łączeniu się jonów wodorowych z jonami wodorotlenowymi na niezdysocjowane cząsteczki wody.

Z przebiegiem wszystkich reakcji chemicznych związanie są efekty cieplne. Gdy ciepło wydzielane jest z układu do otoczenia to mamy do czynienia z reakcją egzotermiczną, w przypadku gdy układ pobiera ciepło - z reakcją endotermiczną. Zgodnie z I zasada termodynamiki układ może wymieniać energię z otoczeniem w postaci ciepła (Q):

∆ U = Q + W

Efekty cieplne towarzyszą m.in. reakcji neutralizacji jako reakcji zachodzącej pomiędzy kwasami i zasadami. Jeśli zachodzi reakcja zobojętniania mocnego kwasu mocna zasadą wówczas efekt cieplny pochodzi od:

• samej reakcji zobojętniania:

H⁺+OH^-↔H₂O+∆H_n

• od procesu przeniesienia jonów pomiędzy obydwoma roztworami

Ciepło zobojętniania (entalpia zobojętniania) ∆H_n to efekt cieplny procesu, w którym 1mol jonów H⁺ reaguje z molem jonów OH^- w roztworze o stałym stężeniu.

Jeżeli jednak w procesie zobojętniania bierze udział słaby kwas lub słaba zasada, to obserwowany efekt cieplny różni się znacznie od efektu cieplnego mocnego kwasu i mocnej zasady. Podczas zobojętniania słabego kwasu zachodzi także proces dysocjacji tego kwasu, który pochłania pewną ilość ciepła. Tak więc efekt cieplny po dodaniu mocnej zasady do słabego kwasu zawiera oprócz ciepeł rozcieńczania kwasu (Q_rHA)i zasady (Q_rOH) ciepło dysocjacji słabego kwasu (∆ H_dys).

Do pomiaru temperatury wykorzystuje się m.in. termoelementy, czyli termopary. Jest to urządzenie zbudowane z dwóch przewodników lub półprzewodników zespolonych końcami. Zasada działania termoelementu polega na mierzeniu różnicy potencjałów na końcach metalowych elementów w funkcji temp. ∆T ~ ∆E. W celu zwiększenia różnicy napięć termoelementu, czyli siły termoelektrycznej można je łączyć w termostosy. Jest to układ termopar połączonych szeregowo stosowany m.in. w przyrządach do pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego.

Pomiary ciepła przemian fizycznych i chemicznych odbywających się pod stałym ciśnieniem przeprowadza się w tzw. kalorymetrach. Działanie kalorymetru oparte jest na tym, że efekt cieplny procesu czy reakcji chemicznej prowadzonej wewnątrz tego urządzenia zostaje całkowicie przekazany układowi kalorymetrycznemu. Zachodzącą zmianę temperatury mierzy się bardzo dokładnym termometrem.

Mikrokalorymetr różnicowy zbudowany jest z dwóch identycznie wykonanych pojedyńczych mikrokalorymetrów umieszczonych w termostacie. Każdy z tych układów zawiera następujące zasadnicze elementy:

• naczynie pomiarowe o pojemności 500cm³

• osłonę wewnętrzną,

• płaszcz próżniowy (naczynie Dewera)

• osłonę zewnętrzną,

• pokrywę.

Mikrokalorymetr różnicowy umożliwia oznaczanie efektów cieplnych długo- i krótkotrwałych przemian chemicznych, fizyczno-chemicznych i biologicznych. Przystosowany jest do badań substancji ciekłych i stałych.

Termostosy znajdują się w przestrzeni pomiędzy osłoną zewnętrzną a osłoną wewnętrzną. Jeden termostos służy do pomiaru siły termoelektrycznej powstałej w wyniku zmian różnicy temperatur pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną osłoną. Drugi termostos umożliwia przesłanie prądu o kierunku właściwym do częściowego lub całkowitego skompensowania efektu cieplnego, wytworzonego w wyniku przemiany cieplnej zachodzącej w naczyniu kalorymetrycznym. Wykorzystany jest tu efekt Peltiera, który zakłada, że na styku dwu metali powstaje tzw. kontaktowa różnica potencjałów.

Literatura:

- Pigoń K., Ruziewicz Z. „Chemia fizyczna”

- Sobczyk L., Kisza A., „Chemia fizyczna dla przyrodników”

- Encyklopedia Szkolna PWN „Chemia”

---