Numer ćwiczenia: 17	Temat ćwiczenia: Wyznaczanie entalpii swobodnej (ΔG), entalpii (ΔH) i entropii (ΔS) reakcji zachodzącej w ogniwie Clarka	Data wykonania ćwiczenia: 24.03.2014 r.
				Data oddania sprawozdania: 26.03.2014 r.
Grupa: A2	Góralik Monika	Nazwisko sprawdzającego: mgr Elżbieta Kurowska
Uwagi:		Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie wartości kilku funkcji termodynamicznych: entalpii swobodnej, entalpii i entropii reakcji zachodzącej w ogniwie Clarka za pomocą pomiarów siły elektromotorycznej.

2. Wykonanie.

• Zmontowano zestaw pomiarowy: ogniwo Clarka podłączone do woltomierza przymocowano do stojaka i umieszczono w naczyniu Dewara napełnionym wodą

• Obniżono temperaturę wody do 5 °C (278 K) za pomocą lodu, termostatowano układ przez
  ok. 15 minut i dokonano pomiaru

• Dokonano kolejnych pomiarów w temperaturach od 10 do 30 °C (283-303 K; różnica między kolejnymi temperaturami: ok. 5 °C) poprzez wymianę zimnej wody na ciepłą
  i termostatowanie przez ok. 15 minut po każdym podwyższeniu temperatury

3. Wyniki.

Tabela1.: wyniki pomiarów

T [K]	SEM [V]
278,0	1,427
283,1	1,423
288,0	1,420
293,0	1,416
297,9	1,411
302,9	1,405

4. Opracowanie wyników.

Dzięki znajomości równania:

gdzie:

zF - ładunek, który przepłynął przez układ [C]

E - różnica potencjałów - SEM ogniwa w danej temperaturze [V]

T - temperatura w określonym momencie pomiaru [K]

ΔH - entalpia [kJ/mol]

wyprowadzonego poprzez podstawienie zależności

ΔG=-zFE

gdzie:

ΔG - entalpia swobodna [kJ/mol]

do równania Gibbsa-Helmholtza:

oraz narysowaniu wykresu zależności SEM od temperatury wyznaczono wartość współczynnika temperaturowego.

Pierwsze równanie można skrócić do formy:

które odpowiada równaniu poniższego wykresu określonego funkcją liniową. Jej współczynnik kierunkowy równa się średniemu współczynnikowi temperaturowemu ogniwa.

Wykres1.: zależność SEM od temperatury

Tabela2.: wartości funkcji termodynamicznych reakcji zachodzącej w ogniwie Clarka

T [K]	SEM [V]	ΔG [kJ/mol]		ΔH [kJ/mol]		ΔS [J/mol*K]
				dośw.	teor.	dośw.	teor.	dośw.	teor.
278,0	1,427	-275,368	-279,584	-321,503	-328,591	-165,954	-176,284
283,1	1,423	-274,596	-278,675	-321,578	-329,649	-165,954	-180,057
288,0	1,420	-274,017	-277,784	-321,812	-330,666	-165,954	-183,617
293,0	1,416	-273,246	-276,857	-321,870	-331,704	-165,954	-187,189
297,9	1,411	-272,281	-275,931	-321,718	-332,720	-165,954	-190,630
302,9	1,405	-271,123	-274,970	-321,390	-333,758	-165,954	-194,084

Reakcja stanowiąca źródło siły elektromotorycznej w badanym ogniwie o schemacie:

- Zn(Hg)| ZnSO₄*7H₂O | Hg₂SO₄ | Hg +

jest dana równaniem:

Zn + Hg₂SO₄ + 7H₂O → ZnSO₄*7H₂O + 2Hg

i podczas niej są wymieniane dwa elektrony pomiędzy metalicznym cynkiem a dwoma jonami Hg⁺ trudno rozpuszczalnego siarczanu rtęci(I). Wartość ładunku, jaki przepływał przez ogniwo można obliczyć ze wzoru:

q=zF

gdzie:

F - stała Faradaya (96485 C/mol)

z - liczba elektronów biorących udział w reakcji (w badanym przypadku 2 elektrony)

stąd:

q=zF=2*96485=192970 C

Doświadczalną wartość zmiany entalpii obliczono ze wzoru:

gdzie T to temperatura pomiaru [K].

Przykład:

Doświadczalną wartość zmiany entalpii swobodnej obliczono ze wzoru:

ΔG_T=-zFE

Przykład:

ΔG₂₇₈=-192970*1,427=-275368,19 J/mol=--275,368 kJ/mol

Doświadczalna wartość zmiany entropii została wyznaczona ze wzoru:

Przykład:

(Ta wartość jest stała dla wszystkich temperatur, w których dokonywano pomiaru - patrz: Wnioski)

Teoretyczną wartość zmiany entalpii wyznaczono ze wzoru:

Gdzie:

i

Przykład:

Teoretyczna wartość zmiany entropii została obliczona ze wzoru:

Gdzie:

Przykład:

Teoretyczną wartość entalpii swobodnej wyznaczono ze wzoru:

ΔG_T= ΔH_T- T*ΔS_T

Przykład:

ΔG₂₇₈= -328,591-278*(-0,176284)=-279,584 kJ/mol

Wartości ΔH⁰₂₉₈, ΔG⁰₂₉₈, ΔS⁰₂₉₈ i ΔC_p dla substratów i produktów zostały zaczerpnięte
z tabeli podanej w opisie ćwiczenia w sekcji „opracowanie wyników”.

5. Wnioski.

Na podstawie pomiarów SEM dokonanych podczas ćwiczenia wyznaczono wartości zmiany entalpii, zmiany entalpii swobodnej i zmiany entropii reakcji zachodzącej w badanym ogniwie. Różnią się od obliczonych wartości teoretycznych przez błędy wynikające z niepewności pomiaru temperatury i SEM przez woltomierz, problemy z utrzymaniem stałej temperatury i odmienne warunki wyznaczania literaturowych wartości funkcji termodynamicznych dla reagentów od tych, w których wykonywano opisane w niniejszym sprawozdaniu doświadczenie. Doświadczalna wartość entropii jest stała ze względu na przyjęcie liniowej zależności SEM od temperatury.