Ciepło rozpuszczania (ćwiczenie 3)
Efekt cieplny rozpuszczania ciała stałego w cieczy jest sumą dwu składowych:
efektu cieplnego burzenia sieci krystalicznej (topnienie)
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 zobojetniania 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 reagujacych substancji.
Przebieg ćwiczenia
Do wyznaczenia ciepła rozpuszczania NaOH w rozpuszczalniku H2O, użyliśmy do tego celu kalorymetr. Zważyliśmy zlewke 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=(msz csz + mw cw ) ∆tx0
228,5g zlewka
6g mieszadełko
Csz ciepło właściwe szkła 0,19 [cal/g· ºC]
Cw ciepło właściwe wody 1[cal/g· ºC]
0,7°C = ∆tx0 - wyznaczam z wykresu
Q = (234.5[g] ·0,19[cal/g ·°C] + 549[g] ·1cal/g ·°C)·0,7°[C]
Q = 593,5[cal/°C] · [0,7ºC]
Q = 415,4 [cal]
Obliczam 2 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/20 mola NaOH (2,05g)
∆tx0 = 0,6[ºC] - wyznaczam z wykresu
Q = 593,5 [cal/ºC] · 0,6 [ºC]
Q =356 [cal]
Obliczam 3 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/10 mola NaOH (4,07g)
∆tx0 = 1,3ºC - wyznaczam z wykresu
Q = 593,5[cal/ºC] · 1,3[ºC]
Q = 771,5 cal
Obliczam 4 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/5 mola NaOH (7,85g)
∆tx0 = 2,6ºC - wyznaczam z wykresu
Q = 593,5 [cal/ºC] · 2,6[ºC]
Q = 1543,1 cal
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 = (msz · csz + mw · cw )∆tx0 + mkw · cw · ∆tx0'
gdzie∆tx0' ,jest równe wartości ∆tx0 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
mkw = 26,75 g
∆tx0' = ∆tx0 - (Cp początkowe - Ckw )
∆tx0' = 2,1 - (25,3 - 20,3)
∆tx0' = -2,9ºC
Q = ∆H = (234[g] · 0,19[cal/g · ºC] + 549[g] · 1[cal/g · ºC]) · 2,1[ºC] + 26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · -2,9[ºC]
Q = 593,5[cal/ºC] · 2,1ºC - 26,75[cal/ºC] · 2,9[ºC]
Q = - 1168,8 cal
Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres V
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
mkw = 28,25g
∆tx0' = 4,7 (obliczyłem jak w powyższym obliczeniu biorąc dane z wykresu i po obliczeniu)
Q = 593,5[cal/ºC] · 2,1[ºC] - 28,25[cal/ºC] · 4,7[ºC]
Q = - 1113,58 [cal]
Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres V
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
∆tx0' = -4,5[ºC] po wyliczeniu
Q = (234,5[g] · 0,19[cal/g·ºC] + 526[g] · 1[cal/g·ºC]) · 2,2[ºC] + 26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · (-4,5[ºC])
Q = -1374,3 [cal]
Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres VI
Do tego samego roztworu dodajemy 25ml 4 n kwasu azotowego
∆txo' = -4,8 po wyliceniu
Q = 570[cal/ºC] · 3,9[ºC] + 28,25[cal/ºC] · (-4,8)[ºC]
Q = 2223 [cal] + 135,6 [cal]
Q = -2358,6 [cal]
Przebieg ciepła zobojętnienia przedstawia wykres VI
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 wlewamyokoło 500g 2 n HCL i wsypujemy1/10 mola MgO (tj.4g MgO). Przyrost temperatury w czasie reakcji ∆tx0 wyznacza się jak w poprzednim ćwiczeniu. Efekt cieplny procesu wylicza się przyjmując w bilansie cieplnym ciepło wlaściwe 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.
Przebieg reakcji jest przedstawiony na wykresie VII
Dwa schematy przebiegu reakcji z wodnym roztworem kwasu:
I: MgO + 2HCLroztw → MgCl2(roztw) + H2O +Q1
II:MgO + H2O → Mg(OH)2(st) +Q2
Mg(OH)2(st) + 2HClroztw → [Mg(OH)2 + 2HCLroztw] +Q3
Mg(OH)2 + 2HClroztw → MgCl2(roztw) + 2H2O +Q4
MgO + 2HCl(roztw) → MgCl2(roztw) + H2O +Q2 +Q3 +Q4
Q2 = QMg(OH) - QMgO - QH2O
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 = (234,5·0,19cal/g·ºC + 499g·0,88 cal/g·ºC)·6,3ºC = (44,5cal/ºC+439.12cal/ºC)·6,3ºC = 483,62cal/ºC·5,6ºC = 2,7kcal
Q4 = 2·13,92=27,84 kcal - ponieważ mamy 2H2O
Q3=Q1-Q2-Q4
Q3=2,7 + 4,25 - 27,84 kcal
Q3= -20,8 kcal
Jeden mol tlenku magn
MOJE BZDETY
Jak wiadomo z poprzedniego ćwiczenia , wyznaczanie ciepła rozpuszczalności związków nie przysparza większych trudności. W przypadku złej rozpuszczalności , trudność polega na konieczności wykonania pomiaru z użyciem niewielkiej ilości substancji rozpuszczanej lub dużej ilości rozpuszczalnika . Zmiany temperatury obserwowane w takim przypadku będą niewielkie i co za tym idzie - błąd oznaczenia będzie duży. Używając kwasu (np. HCl) - powstaje sól dobrze rozpuszczalna. W oparciu o pomiar reakcji ciepła rozpuszczania odpowiedniego tlenku z roztworem tego kwasu unikamy trudności jakie powstają w wyniku
ezu wynosi 205,9 kcal