Определение энтальпии реакции нейтрализации

Теоретические вопросы

1. Энергия. Экзотермические и эндотермические реакции. Виды энергии: тепловая, световая, химическая, ядерная и др. энергии. Типы энергии: кинетическая и потенциальная энергии. Первый закон термодинамики.

2. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования. Стандартная энтальпия реакции. Закон Гесса.

3. Энтропия. Свободная энергия Гиббса. Условие самопроизвольного протекания реакции.

Экспериментальная часть

Определить энтальпию реакции нейтрализации (DH) - это, значит, определить тепловой эффект (Q) реакции образования одного моля воды из сильной кислоты и сильного основания по реакции:

Н⁺ + ОН^- = Н₂О; DH = -Q = -57,6 кДж/моль

Энтальпия нейтрализации сильных оснований сильными кислотами не зависит от их природы и равна -57,6 кДж/моль. Опыты по определению тепловых эффектов химических реакций проводятся в специальных приборах, называемых калориметрами. Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в калориметре, определяется по формуле: q = (t₂ - t₁)×SC, где t₂ - конечная температура раствора, t₁ - начальная температура раствора, SC = C₁m₁ + C₂m₂ - теплоемкость системы, состоящей из калориметрического стакана массой m₁ и теплоемкостью С₁ и раствора массой m₂ и теплоемкостью С₂.

В данной работе экспериментально определяется количество теплоты (q, кДж), которое выделяется при взаимодействии 75 мл раствора NaOH (1М) и 75 мл раствора H₂SO₄(1М), то есть при образовании 0,075 моль Н₂О. Количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моля Н₂О, равно Q = q/0,075 (кДж/моль).

Порядок выполнения работы

1. Взвесьте на весах алюминиевый калориметрический стакан (m₁).

2. В калориметрический стакан с помощью мерного цилиндра налейте 75 мл раствора H₂SO₄ (1М) и измерьте термометром температуру раствора кислоты (t_к).

3. В стеклянный стакан объемом 100-150 мл налейте мерным цилиндром 75 мл раствора NaOH (1M) и измерьте термометром температуру раствора щелочи (t_щ).

4. Соберите калориметрическую установку. Через воронку при постоянном перемешивании быстро влейте раствор щелочи в раствор кислоты и отметьте самую высокую температуру раствора в калориметрическом стакане (t₂).

Форма записи и расчеты

1. Масса калориметрического стакана m₁ =... г.

2. Температура раствора кислоты t_к =... ^оС.

3. Температура раствора щелочи t_щ =... ^оС.

4. Начальная температура раствора t₁ = (t_к + t_щ)/2 =... ^оС.

5. Конечная температура раствора t₂ =...^оС.

6. Масса раствора в калориметре m₂ = 75(r_к+ r_щ) =... г,

где r_к - плотность раствора серной кислоты (г/мл), а r_щ - плотность раствора гидроксида натрия (г/мл). Значения r_ки r_щ можно взять из таблиц или приближенно принять равными 1 г/мл.

7. Количество теплоты, выделившийся в калориметре q =... кДж.

q = (t₂-t₁)(c₁m₁+c₂m₂)/1000,

где с₁ - удельная теплоемкость алюминия, с₁ = 0,905 Дж/(г×град), с₂ - удельная теплоемкость раствора, с₂= 4,19 Дж/(г×град).

8. Экспериментальное значение энтальпии реакции нейтрализации

Э = DН = -Q = -q/0,075 =... кДж/моль.

9. Относительная ошибка опыта К = ½(Т - Э)/Т½×100% =...%,

где Т - теоретическое значение энтальпии нейтрализации Т = -57,6 кДж/моль, а Э - экспериментальное значение энтальпии нейтрализации DH.

Задачи и упражнения

1. Вычислите DH^о следующих реакций:

а) 2Mg + CO₂ ® 2MgO + C	г) 4FeS₂ + 11O₂ ® 2Fe₂O₃ + 8SO₂
б) MnO₂+ 2C ® 2CO + Mn	д) 4NH₃ + 3O₂ ® 2N₂ + 6H₂O(ж)
в) 3Fe₃O₄ + 8Al ® 4Al₂O₃ + 9Fe	е) 2H₂S + 3O₂ ® 2H₂O(ж) + 2SO₂

Если стандартные энтальпии образования веществ равны соответственно (в кДж/моль):

DH^о_обр(CO₂) = -394;	DH^о_обр(MgO) = -601;	DH^о_обр(MnO₂) = -520;
DH^о_обр(CO) = -110;	DH^о_обр(Fe₃O₄) = -1118;	DH^о_обр(Al₂O₃) = -1675;
DH^о_обр(FeS₂) = -174;	DH^о_обр(Fe₂O₃) = -824;	DH^о_обр(SO₂) = -297;
DH^о_обр(NH₃) = -46;	DH^о_обр(H₂O(ж)) = -286;	DH^о_обр(H₂S) = -21.

2. Зная, что DH^о образования N₂O(г) равно 82, 0 кДж/моль и DH^о = -557,5 кДж для реакции: С(графит) + 2N₂O(г) = СО₂(г) + 2N₂(г), определите энтальпию образования СО₂(г).

3. Зная, что DH^о_обр(H₂O(ж) = -286 кДж/моль и DH^о = -196 кДж для реакции: 2H₂O₂ ® 2H₂O(ж) + O₂; определите энтальпию образования H₂О₂

4.Зная, что DH^о образования СО₂(г) и H₂O(г) равны соответственно-394 и -242 кДж/моль и DH^о = -802 кДж для реакции: CH₄(г) + 2O₂(г)= 2H₂O(г) + СO₂(г), определите энтальпию образования CH₄(г).

5. Не производя вычислений, определите, как изменяется энтропия в следующих реакциях:

а) N₂ ₍_г) + 3H₂ ₍_г) ® 2NH_{3 (}_г)	г) 2SO₂ ₍_г) + O₂ ₍_г) ® 2SO_{3 (}_г)
б) H₂O ₍_ж) ® H₂O ₍_г)	д) C₃H₈ _(г)+ 5O₂ _(г)® 3CO₂ _(г)+ 4H₂O_(ж)
в) NH₃ _(г) + HCl _(г) ® NH₄Cl _(к.)	е) 2O₃ ₍_г) ® 3O_{2 (}_г)

6. Вычислите DG^о следующих реакций и определите, в каком направлении они будут протекать при стандартных условиях:

а) 2N₂O + O₂ ® 4NO	г) 2NO + O₂ ® 2NO₂
б) N₂O + NO ® NO₂ + N₂	д) 2NO₂ ® N₂O₄
в) N₂O + NO₂ ® 3NO	е) N₂ + O₂ ® 2NO

Если стандартные энергии Гиббса образования веществ равны соответственно (в кДж/моль): DG^о_обр(N₂O) = 104; DG^о_обр(NO) = 87; DG^о_обр(NO₂) = 51; DG^о_обр(N₂O₄) = 98.

Лабораторная работа 2