Определение энтальпии реакции нейтрализации лабораторная работа относительная ошибка

Лабораторная работа. Определение стандартной энтальпии реакции нейтрализации.

Цель:
научиться
экспериментально определять изменение
энтальпии реакции.

Задание:
определить стандартную энтальпию
реакции нейтрализации азотной кислоты
гидроксидом натрия.

Оборудование:
калориметр,
мерные цилиндры, термометр, воронка.

Реактивы:
растворы
азотной кислоты и гидроксида натрия.

Сущность
работы:
теплота
реакции нейтрализации определяется
калориметрически по измеренному
изменению температуры и рассчитанной
теплоемкости системы.

Лабораторный
калориметр:

1 – внешний стакан,
2 – внутренний стакан, 3 – раствор, 4 –
воронка, 5 – термометр.

Энтальпия реакции
нейтрализации, протекающей между
сильными одноосновными кислотами и
сильными однокислотными основаниями
практически не зависит от их природы,
так как реально в растворах протекает
одна и та же реакция:

Н⁺_(aq)
+ ОН^–_(aq)
= Н₂О_(ж)
; DН°_r
= -57,3 кДж/моль.

В случае реакции
нейтрализации слабых кислот и слабых
оснований такого постоянства не
наблюдается, так как часть теплоты
расходуется на ионизацию слабой кислоты
и слабого основания.

Выполнение
эксперимента:

1.
Подготавливают калориметр к работе.
(Осматривают его, чтобы убедиться в
исправности всех деталей. Ополаскивают
дистиллированной водой внутренний
стакан).

2.
Мерными цилиндрами отмеривают равные
объемы растворов кислоты и основания
(20 – 25 мл, по указанию преподавателя).

3. Измеряют начальные
температуры кислоты и щелочи с помощью
термометра.

4. Раствор кислоты
переливают при помощи воронки во
внутренний стакан калориметра.

5. Раствор щелочи
быстро вливают в калориметр к раствору
кислоты и наблюдают за столбиком ртути
термометра. Записывают самое высокое
показание. Опыт повторяют 2 — 3 раза.

Э



кспериментальные данные:

Масса
внутреннего стакана калориметра, m
(стакана) = ______ г

Объемы
растворов реагирующих веществ, V(HNO₃)
= _______ мл, V(NaOH)
= _______ мл

Концентрация
растворов, c(HNO₃)
= _____ моль/л, c(NaOH)
= _______ моль/л

Плотность
растворов, ρ(HNO₃)
= _______ г/мл, ρ(NaOH)
= _______ г/мл

Удельная
теплоемкость растворов (воды), C_m(H₂O)
= 4,184 Дж/(г∙К)

Удельная
теплоемкость стекла, С_m(ст.)
= 0,753 Дж/(г∙К)

Обработка
результатов эксперимента:

Для
вычисления по экспериментальным данным
теплоты реакций нейтрализации сначала
рассчитывают общую теплоемкость
калориметра С_m,
учитывая теплоемкость раствора и
теплоемкость внутреннего стакана:

С_m
= C_m(H₂O)
∙ m(раствора)
+ С_m(ст.)
∙ m(стакана)

где:
m(раствора)
= V(HNO₃)
∙ ρ(HNO₃)
+ V(NaOH)
∙ ρ(NaOH)

Затем
вычисляют выделившуюся в калориметре
теплоту: Q
= C_m
∙ ΔT

где:
ΔT
= t(после
нейтрализации)
–

Эта
теплота постепенно, по мере выравнивания
температуры передается в окружающую
среду и может быть принята равной по
абсолютной величине изменению энтальпии
системы (калориметра): Δ_nH
= -Q

Для
расчета стандартной энтальпии реакции
нейтрализации найденное значение
теплоты необходимо пересчитать на 1
моль реагирующей ки­слоты или основания,
что соответствует 1 моль образующейся
воды:

Δ_nH°
=

где:
ν – количество вещества кислоты или
щелочи (в зависимости от того, что
находится в недостатке).

ν(HNO₃)
= V(HNO₃)
∙ c(HNO₃),
или ν(NaOH)
= V(NaOH)
∙ c(NaOH)

Рассчитанную
стандартную энтальпию реакции
нейтрализации сравнивают со справочными
данными. Рассчитывают отклонение
найденных значений от справочных.
Объясняют вероятные причины отклонений.

Расчеты:

1. t⁰₁
   =
   =

2. ∆t⁰
   = t₂
   – t₁
   =

1. C_р-ра
   = C⁰_m(H₂O)
   m_р-ра
   =

1. V_{1
   р-ра} =
   V_к.ρ_к.
   + V_щ.ρ_щ.
   =

1. С_стак.
   = С⁰_стак.
   m_стак.
   =

1. С_{системы}
   = С_стак.
   + C_р-ра
   =

1. ∆H = -Q
   = -С_сист.∆t
   =

1. ν = С_к.V_к.
   =

   ( расчёт ведётся по недостатку)

1. ∆_nH⁰_эксп.
   =
   =

Относительная
ошибка: ε_отн.=

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



Вывод
(указывают
полученный результат, метод исследования,
относительную ошибку):

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Занятие
___. Дата
____.____. 20___

Соседние файлы в предмете Химия

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Задачи

Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТЕПЛОВОГО  ЭФФЕКТА
РЕАКЦИИ  НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

Цель работы – определение теплового
эффекта реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием с использованием
калориметрической установки и проведение термодинамических расчетов.

1.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии (теплоты).
Первые называются экзотермическими,
вторые – эндотермическими.

Количество выделенной или поглощенной теплоты называют тепловым эффектом процесса (Q). Последний зависит от природы веществ, их количества,
агрегатного состояния и температуры процесса. Изучением тепловых эффектов
химических процессов занимается термохимия.

Большинство химических
процессов протекают при постоянном давлении (р = const), т.е. является изобарными.
Для изобарных процессов тепловой эффект равен разности энтальпий () конечного и исходного состояния системы, характеризующей
«теплоспособность» системы:

Величина () – энтальпия химической реакции — измеряется в кДж. Для экзотермических реакций () < 0, для эндотермических — () > 0. Изменение энтальпии (тепловой эффект
химической реакции), а также агрегатное состояние каждого из исходных веществ и
продуктов реакции указывают в термохимических
уравнениях.  Кроме этого, в них допускается применение
дробных коэффициентов, так как тепловой эффект рассчитывается на один моль
вещества.

Пример термохимического
уравнения:

(NH₄)₂Cr₂O_7(к) = N_2(г) + Cr₂O_3(к) + 4H₂O_(ж);   = -477 кДж.

В данной записи (к), (г),
(ж) означают, соответственно, кристаллическое, газообразное и жидкое состояния.

Для термохимических расчетов
важна стандартная энтальпия образования соединений ΔН^о_обр
– это тепловой
эффект реакции образования 1 моля этого соединения из простых
веществ, устойчивых при стандартных условиях (температура 298
К и давление 101,3 кПа).

Основным законом термохимии
является закон Г.И.Гесса, согласно которому
изменение энтальпии (внутренней энергии) в химической реакции определяется
только видом и состоянием исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от
пути перехода от начальных веществ к конечным.

Следствием из закона Гесса
является соотношение:

Где  – энтальпия химической
реакции.

Первый член в правой части уравнения – сумма энтальпий образования
продуктов реакции, взятых с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении
реакции;

Второй член – аналогичная
сумма для исходных веществ.

Известно, что нейтрализация 1
эквивалента любой сильной кислоты любым сильным основанием в разбавленных
водных растворах сопровождается экзотермическим эффектом, при 298 К равным – 57,22 кДж/моль.

Это объясняется тем, что изменение энтальпии таких реакций
не зависят от исходных веществ, и определяется при взаимодействии любых сильных
кислот и щелочей реакцией:

Н⁺_(р)  + ОН‾_(р)
= Н₂О_(ж);     = -57,22 кДж/моль

Этот факт подтверждает полную диссоциацию сильных электролитов в водных растворах.
Например, нейтрализация азотной кислоты гидроксидом калия
в разбавленных водных растворах сводится к образованию 1 моля жидкой воды, что
следует из ионно-молекулярного уравнения реакции:

НNO₃
+ KOH = KNO₃ + H₂O_(ж)

Н⁺ + ОН‾ =
Н₂О _(ж)

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ

Тепловые
эффекты, сопровождающие химические реакции, измеряют в приборах, называемых
калориметрами или калориметрическими установками (рис.1).

Простейший калориметр состоит из 2-х сосудов: наружного (4)
и внутреннего калориметрического (3). Во избежание потерь теплоты через стенки
калориметрического сосуда он помещается на подставку из пенопласта (материал с
малой теплопроводностью). Калориметр закрывается крышкой (5) с тремя
отверстиями: для воронки (2), мешалки (6) и термометра (7).

В работе используют 1 М растворы KOH и HNO₃. Для реакции нейтрализации берут равные объемы
кислоты и щелочи.

Перед началом опыта необходимо взвесить сухой калориметрический
сосуд или узнать его массу у лаборанта.

Соберите калориметрическую установку и через воронку в
калориметрический сосуд налейте отмеренные мерным стаканом 50 мл 1 М
раствора кислоты. Во второй мерный стакан налейте 50 мл 1 М раствора щелочи и поставьте
его на 3-4 мин. для выравнивания температуры рядом с калориметром.

Опустите термометр в стакан
с раствором щелочи и замерьте температуру раствора с точностью до 0,1 К (Т_Щ).
Затем, ополоснув шарик термометра водой и осушив его фильтровальной бумагой,
опустите термометр в раствор кислоты. Замерьте температуру раствора кислоты (Т_К). Среднее арифметическое Т_Щ и Т_К даст Т₁– начальную температуру раствора в калориметре:

                                       (1)

Затем через воронку вылейте
раствор кислоты в щелочь. Отметьте самую высокую температуру Т₂,
которую покажет термометр после сливания растворов. Результаты измерений
занесите в таблицу 1.

Таблица
1

Теплоту, выделяющуюся или
поглощающуюся в калориметре, вычисляют по формуле

q =  Σc ·(T₂ – T₁),                                                 (2)

где

Т₁ – начальная температура жидкости, К;

Т₂ – конечная температура
жидкости в калориметре, К;

Σc – теплоемкость
системы, равная

Σc = с₁·m₁ + c₂·m₂ + c₃·m₃;                                          (3)

c₁, c₂ – удельная теплоемкость
растворов кислоты, щелочи, принимаемые равными удельной теплоемкости воды, 4,19 кДж/(кг·К);

с₃ –
удельная теплоемкость стекла 0,75 кДж/(кг·К);

m₁, m₂ – масса раствора кислоты и
щелочи, кг ‑ (плотность растворов кислоты и щелочи принять равными плотности
воды 1000 кг/м³);

m₃ – масса калориметра, кг.

Определить число молей
нейтрализованной кислоты (щелочи) n, учитывая заданную молярную
концентрацию и объем раствора, рассчитать энтальпию нейтрализации.

Так как реакция
нейтрализации является экзотермической, то

ΔН = — q/n,   кДж/моль.                                                          (4)

Сравнить
полученную энтальпию нейтрализации с теоретической и рассчитать относительную
ошибку опыта.

                      (5)

Где _экспер. – полученное
в ходе эксперимента значение энтальпии реакции;

_теор. – теоретическое
значение энтальпии реакции нейтрализации, равное – 57,22 кДж/моль.