Метал­лического цинка и восстановления ионов меди в водном растворе

Тепловые эффекты реакций измеряются так же, как постоянная калориметра. Тепловой эффект вычисляется по уравнению

Исследуемая реакция является окислительно-восстановительной, и механизм её заключается в переносе электронов от металлического цинка к ионам меди согласно уравнению

Cu²⁺ + Zn⁰ = Cu⁰ + Zn²⁺ + Q_p

Измеряемый тепловой эффект будет равен Q_p = DH. Данный процесс необратим, т.к. цинк, переходя в раствор, не восстанавливается, и реакция идет до полного исчезновения ионов меди в растворе с эквивалентной заменой их на ионы цинка.

400 мл 0,05 М раствора CuSО₄×5H₂O наливают в стакан Б калориметра. Закрывают сосуд А так, чтобы нижние концы термометра и мешалки не доставали дна стакана Б на 1 - 2 см. Включают мотор мешалки и измеряют температуру, точно следуя тем записям, которые проводились при измерении водяного числа (постоянной калориметра). На 11-й минуте через воронку в стакан В высыпают 3 г цинковой пыли.

По полученным данным строят график изменения температуры и находят Dt (рис.6).

Тепловой эффект реакции рассчитывают по уравнению

,

где g_{CuSO4 5H2O} – количество кристаллогидрата, содержащегося в 400 мл 0,05 М раствора.

Тепловой эффект химической реакции является следствием изменения внутренней энергии реагирующих веществ и без воздействия внешних сил на

Рис. 6. Графическое определение Dt для вычисления теплового эффекта реакции.

 

условия протекания реакции она полностью превращается в теплоту. Если эта реакция осуществляется в гальваническом элементе, то часть внутренней энергии будет превращаться в полезную работу. Эта работа будет максимальной, когда химический или физический процесс протекает изотермически и обратимо. Именно этим условиям соответствуют процессы, протекающие в гальванических элементах. Реакция окисления Zn и восстановления Cu²⁺ наблюдается в элементе Даниэля - Якоби:

Cu | Cu²⁺ | KCl | Zn²⁺ | Zn

Максимальная работа по перенесению заряда равна (Дж×моль^-1)

W = n × F × E,

где n – число переносимых электронов, F - число Фарадея (96500 Кл), E - электродвижущая сила (1,10 В). Максимальная работа равна, но противоположна по знаку изменению свободной энергии DG. Следовательно, DG процесса можно рассчитать по уравнению

W = - DG

Свободная энергия является частью энтальпии и связана с ней соотношением DG = DH - T×DS, где T×DS – связанная энергия. Зная DH и DG, можно рассчитать энтропию окисления цинка и восстановления ионов меди по уравнению

,

где Т – температура, при которой проводился эксперимент (температура окончания реакции окисления Zn с точностью до 1⁰). При расчете DS следует свободную энергию (DG) и тепловой эффект реакции (DH) привести в единую систему измерения величин, т.е. тепловой эффект, рассчитанный в калориях перевести в джоули (1 калория = 4,18 Дж).

Таблица 15

Определение Z

Масса KCl 7,2 г

Периоды, мин
Предварительный	Главный	Заключительный
Время, мин	Температура, град	Время, мин	Температура, град	Время, мин	Температура, град
		10,5 11,5 12,5 13,5 14,5

 

Таблица 16

Определение теплового эффекта реакции

Периоды, мин
Предварительный	Главный	Заключительный
Время, мин	Температура, град	Время, мин	Температура, град	Время, мин	Температура, град
		10,5 11,5 12,5 13,5 14,5

 

Таблица 17

Результаты вычислений

Опыт	Dt, OC	Z	QP, ккал/моль	DG, кДж/моль	DS, Дж/моль К
Определение Z				___	___
Определение QP		___