Физическая и коллоидная химия (стр. 2 )

2) гидратация ионов, при этом выделяется определенное коли-чество теплоты.

Теплота растворения соли равна алгебраической сумме тепловых эффектов этих двух процессов.

Прямым измерением трудно точно определить теп­лоту образования кристаллогидратов, поскольку реакция об­разования кристаллогидратов из безводной соли и воды идет быстро только вначале, пока не прореагируют с водой поверхностные соли кристаллов безводной соли, а затем ре­акция сильно замедляется и протекает весьма долго. Кроме того, процесс осложняется растворением вещества в во­де. Однако, используя закон Гесса, теплоту образования кри­сталлогид-рата можно определить, если измерить теплоту рас­творения безводной соли и теплоту растворения кристалло­гидрата. Затем из первой величины вычесть вторую.

Поэтому вещества с прочной кристаллической решеткой и слабо гидратирующиеся в растворе будут растворяться с по­глощением теплоты (+∆Н). Вещества с непрочной кристал­лической решеткой, образующие в растворе сильно гидрати­рующиеся ионы, например, ионы водорода или гидроксида, будут растворяться с выделением теплоты (–∆Н). К таким веществам от­носятся некоторые соли, а также кислоты и щелочи.

Тепловой эффект химической реакции (Q) обычно измеряют в условиях постоянного давления и температуры и отсутствия полезной работы. В этих условиях тепловой эффект соответствует изменению термодинамической функции энтальпии (ΔH).

При обычных условиях протекания химических реакций при простом смешении в открытых сосудах исходное и конечное давление одинаково и равно атмосферному и никакая полезная работа не производится. Поэтому достаточно реакционную смесь привести к исходной температуре и измерить отводимое или подводимое для этого тепло.

Тепло, особенно отводимое, измерить не очень легко. Поэтому в практической калориметрии измеряют изменение температуры Δt реакционной смеси (или другой системы) в градусах. Реакционную смесь при этом теплоизолируют, чтобы переход тепла меньше влиял на измерение температуры. В данной работе используется простейшая теплоизоляция внутреннего реакционного стакана за счет двухслойной воздушной прослойки. В научной работе пользуются сосудами с многослойными посеребренными стенками, из промежутка между которыми откачан воздух (типа сосудов-термосов).

Расчетным методом или дополнительным опытом определяют теплоемкость всей конечной системы (C, Дж/град). В систему входят вещества и все, что находится с ними в тепловом равновесии: сосуд с мешалкой, термометр, дополнительные устройства типа манометров или нагревательных элементов и т. д. Простым расчетом можно найти теплоту, вызвавшую это изменение температуры по отношению к исходной:

ΔH = Q = –Δt ∙ C. (1.1)

Знак минус отражает то, что выделяющаяся и отводимая от системы теплота, которая в отсутствии теплоотвода вызывает повышение температуры, считается отрицательной. Использование этой формулы предполагает, что теплоемкость не меняется с температурой и в системе при изменениях температуры в пределах Δt не происходит фазовых переходов. Учитывая небольшие значения Δt в обычных калориметрических измерениях, это предположение выполняется хорошо.

В данной лабораторной работе теплоемкость будет определяться упрощенным расчетным методом. Так как будут изучаться разбавленные водные растворы, то будет учитываться только теплоемкость воды и стеклянного стакана с мешалкой (меньший вклад).

Удельная теплоемкость воды равна 4,2 Дж/(г∙град). Удельная теплоемкость различных сортов стекла различна, но для большинства лабораторных стекол ее можно принять равной 0,7 Дж/(г∙град). Плотность растворов принимается за 1 г/мл. При массе стеклянного стакана с мешалкой 100 г, содержащем 115г раствора, суммарная теплоемкость системы составит:

C = 115 г ∙ 4,2 Дж/(г∙град) + 100 г ∙ 0,7 Дж/(г∙град) = 553 Дж/град. (1.2)

При изучении химических реакций рассчитанное изменение энтальпии принято пересчитывать к 1 моль одного из участвующих веществ. Для этого ΔH, рассчитанное по формуле (1.1), делят на количество моль прореагировавшего или выделившегося вещества.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ

ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
И ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (КАЛОРИМЕТРИЯ)

Приборы и материалы: калориметр, термометр Бекмана или термометр с делениями 0–50° (цена деления 0,1°), магнитная мешалка, технохимические весы, пипетки, мерный цилиндр на 150 мл, раство-ры 1 н. NaOH и 1 н. НСl, измельченный и высушенный CuSО4 в эксикаторе, измельченный CuSO4 ∙ 5H2O.

Калориметр. Тепловые эффекты химических реакций из­меряют в специальных приборах, называемых калориметрами. Простейший калориметр состоит из двух различающихся по размеру стаканов, вставленных друг в друга. Между стенка­ми стаканов должна иметься воздушная прослойка. Стаканы закрываются крышкой с отверстиями для термометра, мешал­ки и пробирки.

Разборка прибора. Обращение с термометром и мешалкой.

Термометр содержит ртуть и является очень хрупким устройством, поэтому при разборке прибора его предельно осторожно извлекают первым. В калориметрии часто используется термометр Бекмана. Шкала такого термометра составляет всего 5°, что дает возможность нанести цену деления 0,01°. Наиболее крупными цифрами отмечены целые градусы, условно подписанные от 0 до 5. Длинными чертами –десятые доли градуса, подписанные через 0,2°, самыми короткими – сотые доли. Все цифры подписаны над чертой, к которой они относятся. Термометр устроен так, что количество ртути в его «шарике» и капилляре можно регулировать, подливая ее из специальной емкости в верхней части термометра. Таким образом, термометр можно настроить на любую температуру от –20 до +150 °С. Это значит, что температуру данный термометр не измеряет, а отсчитывает только небольшие изменения в пределах своей шкалы. В данной работе термометр заранее настроен на температуру в лаборатории. Внимательно рассмотрите шкалу термометра и найдите конец столбика ртути где-то посередине шкалы. Чтобы не сбить настройку, термометр нельзя переворачивать и нежелательно класть горизонтально, так как при этом ртуть может перетекать между основной частью термометра и дополнительной емкостью. Вынутый термометр следует аккуратно поставить вертикально в ведро, массивный мерный цилиндр или дополнительное гнездо калориметра. В работе может также использоваться традиционный термометр с делениями 0,1°, который не требует настройки, но имеет в 10 раз меньшую точность отсчета небольших значений Δt.

В предложенном калориметре используется стеклянная мешалка с гибкой связью резиновой трубки с металлической осью электромотора. Перед разборкой прибора после извлечения термометра следует сразу отсоединить стеклянную ось мешалки от резиновой трубки. Для этого, придерживая одной рукой ось мешалки, другой рукой аккуратно снимают резиновую трубку со стеклянной оси. После этого можно открутить крышку. Поднимать открытую крышку следует опять же осторожно, следя за тем, чтобы не сломать стеклянную мешалку. После этого можно извлечь стакан для реакционной смеси. Собирают прибор в обратной последовательности.

Опыт 1. Измерение теплоты реакции нейтрализации

Реакция между любой сильной кислотой и любым сильным основанием в сокращенной ионной форме, будет иметь следующий вид:

H+ + OH– = H2O.

Поэтому и теплота нейтрализации не будет зависеть от того, какую именно сильную кислоту и щелочь взять.

Ход опыта. После разборки прибора в чистый и сухой стеклянный стакан (вместе с мешалкой он весит около 100 г, но для повышения точности можно взвесить на технических весах) налейте 150 мл 0,1 н. NaOH (пипеткой на 50 мл в три приема). Установите стеклянный стакан в калориметр.

Проденьте мешалку через отверстие в крышке и аккуратно, без перекоса, закрутите крышку, следя за погружением мешалки в стакан со щелочью. Придерживая левой рукой стеклянную ось, правой наденьте на нее резиновую трубку. Поворачивая вручную железную ось мотора, убедитесь, что мешалка вращается на небольшой высоте над днищем стакана без заедания. В широкое отверстие крышки вставьте пробирку, предварительно налив в нее пипеткой 10 или 10,77 мл 2 н. HCl для выравнивания температуры среды. После этого можно установить термометр, убедиться, что его «шарик» полностью погружен в жидкость, но не задевается мешалкой. Затем включается электромотор.

Найдите конец ртутного столбика и убедитесь, что он находится не выше чем 1,5° от краев шкалы. Проследите за тем, чтобы столбик ртути не имел разрывов. Обратитесь к преподавателю или лаборанту, если имеется разрыв или конец столбика ртути не находится в средней части термометра. Не пытайтесь сами перенастроить термометр, лучше подогнать температуру раствора, слегка нагрев его или охладив. Или воспользуйтесь термометром на интервал 0–50° с ценой деления 0,1°, для которого настройка не требуется.

Отметьте время и начните отсчитывать и записывать температуру один раз в минуту. Сделайте не менее пяти отсчетов, после чего содержимое пробирки с кислотой быстро влейте в щелочь сквозь отверстие. Продолжайте делать отсчет температуры в том же темпе и сделайте еще не менее пяти отсчетов после смешивания реагентов. Время сливания и результаты отсчета запишите в таблицу.

Время, мин	0	1	2	3	4	5	5,5	6	7	8	9	10
t, условн. °							слив.

По результатам измерений постройте график в координатах температура – время. Отведите не менее 10 см на 1°. График состоит из двух почти прямых линий хода температуры и скачка. Для максимально точного отсчета сразу проводят касательные к прямым линиям, а затем вертикальную линию через середину скачка. По пересечению вертикальной линии с касательными отсчитайте скачок температуры Δt.

Рассчитайте теплоемкость, подставив свои числа масс воды и стекла в формулу (1.2). Затем рассчитайте тепловой эффект по форму - ле (1.1). Разделив его на количество моль прореагировавших веществ (0,015 моль), вы найдете молярную теплоту нейтрализации.