Цель работы - определение теплового эффекта процесса растворения соли в воде и теплоты реакции нейтрализации с использованием калориметра с изотермической оболочкой.
Относительно изучаемых процессов нужно иметь в виду следующее: химические реакции, в отличие от фазовых превращений, сопровождаются изменением состава веществ в системе. Промежуточное положение между ними занимают процессы растворения. Эти процессы, если не знать их природы, представляются трудно объяснимыми. Например, чтобы разрушить кристаллы хлористого натрия на отдельные ионы, требуется затратить довольно значительную энергию (ΔЕ кр):
NaCl тв → Na + газ + Сl – газ; DН° разруш = +777,26 кДж/моль. (18)
По первому закону термохимии, обратный процесс образования кристалла из ионов будет иметь экзотермический характер, то есть DН° образ = – 777,26 кДж/моль.
Вместе с тем при взаимодействии с водой хлорида натрия идет процесс соединения ионов Na + и Сl – с полярными молекулами воды, который рассматривается как процесс гидратации ионов, он сопровождается выделением значительного количества теплоты.
В таблице 11 приведены значения энергий связи Е св в некоторых веществах и энтальпий гидратации DН° гидр ионов при стандартных условиях.
В результате процессы растворения ионных соединений рассматриваются как обычные химические реакции и однозначно характеризуются тепловыми эффектами. Для нахождения их необходимо или провести экспериментальное исследование, например, калориметрическое, или использовать табличные значения теплот образования всех гидратированных ионов и соединений, участвующих в процессе растворения.
Обычно теплоту растворения относят к растворению одного моля вещества. При этом предполагается, что образуется бесконечно разбавленный раствор. В итоге механизм растворения представляется как процесс разрушения кристаллической решетки вещества под действием растворителя (эндотермический эффект) и как процесс гидратации образующихся ионов (экзотермический эффект). Суммарный тепловой эффект определяется именно этими процессами.
Таблица 11.
Используя первое следствие из второго закона термохимии, можно рассчитать по имеющимся в табл.11. данным тепловые эффекты растворения указанных веществ, а также теплоту нейтрализации кислоты щелочью.
Например, энтальпия растворения кристаллического хлорида натрия в воде находится по уравнению:
NaCl тв aqua → Na + aq + Сl – aq , (19)
DН° p аств. = DН° гидр (Na + aq) + DН° гидр (Cl – aq) – = (20)
420,1 - 353,7 - (- 777,3) = + 3,5 кДж/моль.
Положительный знак теплового эффекта указывает на то, что процесс растворения протекает с поглощением теплоты и температура раствора при этом должна понижаться.
Теплотой реакции нейтрализации называют количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии 1 эквивалента сильной кислоты с 1 эквивалентом сильного основания. При этом образуется 1 эквивалент жидкой воды.
Найдено, что в случае разбавленных растворов теплота реакций сильных оснований (таких, как NaOH и КОН) с сильными кислотами (например, НСl или H 2 SO 4) не зависит от природы кислоты и основания. Такое постоянство теплоты нейтрализации объясняется практически полной диссоциацией на ионы сильных кислот и оснований, а также образуемых в результате реакции нейтрализации солей. Поэтому при смешивании разбавленных растворов сильной кислоты и сильного основания фактически происходит только одна химическая реакция, а именно: между гидратированными ионами гидроксония H 3 О + aq и гидроксила ОН – а q:
1/2 H 3 О + aq + 1/2 ОН – а q → Н 2 О жидк, (21)
DН° нейтр = DН° образ (Н–OН) – (1/2)·
= – 459,8 – (1/2) · (– 477,8 –– 330,0) = – 55,9 кДж/моль. (22)
Отрицательный знак теплового эффекта говорит о том, что реакция нейтрализации протекает с выделением теплоты и температура раствора при этом должна повышаться.
«Тепловые эффекты при растворении веществ в воде» Андронова Алина Петросян Анаит Ширманова Алина Ученицы 11 класса Руководитель: Шкурина Наталья Александровна, учи тель химии.
Рассмотреть тепловые эффекты при растворении веществ в воде. Опытным путем установить растворение каких веществ в воде сопровождается выделением теплоты (+Q), а каких поглощением (-Q). Ознакомить с исследованием одноклассников.
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом и ужином, как так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.
Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется ЗАТРАТИТЬ ЭНЕРГИЮ. Когда химическая связь образуется, энергия ВЫДЕЛЯЕТСЯ. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.
Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии БОЛЬШЕ, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH 4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты. Реакция даже может идти со взрывом - так много энергии заключено в этом превращении. Такие реакции называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ от латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).
В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H 2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании
Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (к. Дж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется ТЕПЛОВЫМ ЭФФЕКТОМ РЕАКЦИИ. Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений: 2 H 2(г) + O 2(г) = 2 H 2 О(ж) + 572 к. Дж или H 2(г) + 1/2 O 2(г) = H 2 О(ж) + 286 к. Дж
Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются ТЕРМОХИМИЧЕСКИМИ УРАВНЕНИЯМИ
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы. Самая мощная в мире российская ракета "Энергия" перед стартом на космодроме Байконур. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде. Допустим, вам известна работа (в к. Дж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя? Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу. В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплоты сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4, 1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".
Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях называется термохимией Существует два закона термохимии: 1. Закон Лавуазье-Лапласа (тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.) 2. Закон Г. И. Гесса (тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Таким образом, растворение-это физико химический процесс. Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением (+Q) или поглощением (-Q) теплоты - в зависимости от природы веществ. Сам процесс растворения обусловлен взаимодействием частиц растворимого вещества и растворителя.
Опытным путем установить растворение каких веществ в воде сопровождается выделением теплоты (+Q), а каких поглощением (-Q). Материалы: ацетон, сахароза, хлорид натрия, карбонат натрия (безводный и (или) кристаллогидрат), гидрокарбонат натрия, лимонная кислота, глицерин, вода, снег. Оборудование: электронный медицинский термометр или датчик температуры из наборов цифровых датчиков школьных кабинетов химии, физики или биологии.
1. Сахароза 2. Хлорид натрия 3. Карбонат натрия(безводный) 4. Гидрокарбонат натрия 5. Лимонная кислота 6. Глицерин 7. Снег 1 2 3 4 5 6 7
Вывод Растворение карбоната натрия (безводного) и гидрокарбоната натрия происходит с выделением тепла. Снег с водой - с поглощением тепла, остальные без изменения.
1. Набрали полчашки снега. 2. Положили немного снега на дощечку. Пусть он растает, превратившись в маленькую лужицу.
Тест 1. При стандартных условиях теплота образования равна 0 для: а) водорода б)воды в)пероксида водорода г) алюминия. 2. Реакция, уравнение которой N 2+O 2=2 NO-Q относится к реакциям: а)эндотермического соединения б)экзотермического соединения в)эндотермического разложения г)экзотермического разложения.
3. Эндотермической является реакция: а) горения водорода б)разложения воды в) горения углерода г)горения метана. 4. Какое определение неверно для данной реакции: 2 Na. NO 3(тв.)=2 Na. NO 2(тв.)+O 2(г.)-Q а)гомогенная б)эндотермическая в)реакция соединения г)окислительно-восстановительная. 5. Основным законом термохимии является закон: а)Гей-Люссака б) Гесса в)Авогадро г)Пруста
Вывод Результаты педагогических исследований: 1. Учащиеся поняли сущность тепловых эффектов при растворении веществ в воде. 2. Определили экзо- и эндотермические реакции. 3. Результаты теста (83% учащихся справились с заданиями теста).
Количество тепла, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моля вещества в таком количестве растворителя, дальнейшее прибавление которого уже не вызывает изменения теплового эффекта, называется теплотой растворения.
При растворении солей в воде знак и величина теплового эффекта растворения ∆Н определяется двумя величинами: энергией, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки вещества (∆H 1) - эндотермический процесс, и энергией, выделяемой при физико-химическом взаимодействии частиц растворяемого вещества с молекулами воды (процесс гидратации) (∆Н 2) - экзотермический процесс. Тепловой эффект процесса растворения определяется алгебраической суммой тепловых эффектов этих двух процессов:
∆Н = ∆H 1 + ∆H 2 .
Тепловой эффект процесса растворения может быть как положительным, так и отрицательным.
Для практического определения теплот растворения обычно определяют количество тепла, поглощаемого или выделяемого при растворении произвольного количества соли. Затем эту величину пересчитывают на 1 моль, так как количество тепла прямо пропорционально количеству растворенного вещества.
Для термохимических измерений используют прибор, называемый калориметром.
Определение теплоты растворения ведут по изменению температуры раствора, поэтому точность определения зависит от цены деления (точности) используемого термометра. Обычно диапазон измеряемых температур лежит в интервале 2-3°С, а цена деления термометра не более чем 0,05°С.
ХОД РАБОТЫ
Для выполнения работы используйте калориметр, состоящий из теплоизоляционного корпуса, крышки со встроенными электрической мешалкой и термометром, а также отверстием с пробкой.
Получите у преподавателя задание: тип растворяемого вещества.
Откройте пробку на крышке калориметра и залейте в него 200 мл воды, закройте пробку и выдержите 10-15 минут для установления постоянной температуры (t нач ). За это время на весах, используя кальку или часовое стекло, получите навеску вашего вещества (1,5 - 2,0 г) предварительно тщательно растертого в ступке. Полученную навеску, по возможности быстро, через отверстие в крышке поместите в калориметр при включенной мешалке. Следите за изменением температуры. После установления теплового равновесия (температура стабилизируется) запишите максимальную температуру раствора (t maх)и рассчитайте ∆t = t max – t нач. По полученным данным рассчитайте теплоту растворения соли, используя уравнение:
∆Н раств = q M/m , Дж/моль, (1)
где q - теплота, выделившаяся (или поглотившаяся) в калориметре (кДж); m - навеска соли (г); М - молярная масса растворяемого вещества (г/моль);
Теплота q определяется на основании экспериментальных данных из соотношения:
q = (m ст C ст + m р-ра C р-ра)∆t ,(2)
где m ст - масса стакана (г); m р-ра - масса раствора, равная сумме масс воды и соли в стакане (г); С ст - удельная теплоемкость стекла 0,753 Дж/г∙К;
С р-ра - удельная теплоемкость раствора (воды) 4,184 Дж/г∙К.
Сравнив полученный результат с данными табл.2 , рассчитайте относительную ошибку опыта (в %).
Теплота гидратации соли и её определение
Физико-химический процесс взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами воды (растворителя) называется гидратацией. В процессе гидратации образуются сложные пространственные структуры, называемые гидратами, и при этом в окружающую среду выделяется энергия в виде тепла.
Тепловой эффект реакции образования 1 моль гидратированной соли из безводной соли называется теплотой гидратации.
При растворении в воде безводной соли, способной образовывать гидраты, последовательно протекают два процесса: гидратация и растворение образовавшегося кристаллогидрата. Например:
CuSO 4(тв) + 5Н 2 О (ж) = CuSO 4 ×5H 2 О (тв),
CuSO 4 ×5H 2 О (тв) + n H 2 O (ж) = CuSO 4(р) ,
CuSO 4(р) + n H 2 O (ж) = Cu 2+ (р) + SO 4 2- (р)
Растворение электролитов сопровождается процессом электролитической диссоциации. Теплота гидратации молекулы равна сумме теплот гидратации образовавшихся при этом ионов с учетом теплоты диссоциации. Процесс гидратации-экзотермический.
Приближенно теплота гидратации вещества может быть определена как разность между теплотами растворения безводной соли и ее кристаллогидрата:
∆H гидр = ∆H безв - ∆H крист, (3)
где ∆H гидр - теплота гидратации молекул;
∆H безв - теплота растворения безводной соли;
∆H крист - теплота растворения кристаллогидрата.
Таким образом, для определения теплоты гидратации молекул необходимо предварительно определить теплоту растворения безводной соли и теплоту растворения кристаллогидрата этой соли.
ХОД РАБОТЫ
Теплоту растворения безводного сульфата меди CuS0 4 и кристаллогидрата CuS0 4 ×5H 2 0 необходимо определить, используя лабораторный калориметр и методику проведения работы 1.
Для более точного определения теплоты гидратации необходимо получить навески по 10-15 г кристаллогидрата и безводной соли сульфата меди. Необходимо знать, что безводная соль меди легко поглощает воду из воздуха и переходит в гидратированное состояние, поэтому безводную соль необходимо взвешивать непосредственно перед опытом. По полученным данным необходимо рассчитать теплоты растворения безводной соли и кристаллогидрата, а затем из соотношения (3) определить теплоту гидратации. Рассчитайте относительную ошибку опыта в процентах, используя полученные данные и данные табл.2.
Растворение – физико-химический процесс, ведущий к образованию гомогенной системы. Тепловые эффекты, сопровождающие его, являются следствием самых разнообразных причин. Рассмотрим несколько примеров:
А) Процесс растворения в воде жидкостей может сопровождаться такими явлениями, как диссоциация полярных молекул с образованием ионов, возникновением водородных связей между полярными молекулами воды и молекулами веществ, содержащих элементы с высокой электроотрицательностью, гидратацией химических частиц, и т.д.
С 2 Н 5 ОН - Н 2 О
Эта система отвечает образованию идеальных растворов в широком диапазоне концентраций. Процесс растворения должен сопровождаться образованием водородных связей, следовательно, является энергетически выгодным, то есть обладает положительным тепловым эффектом.
СН 3 СООН - Н 2 О
Уксусная кислота является слабой одноосновной кислотой К д = 1,8 10 -5 , следовательно, при растворении в воде какая то часть энергии будет затрачена на диссоциацию молекул (отрицательный тепловой эффект), а часть энергии, наоборот, будет выделяться в виде теплоты при гидратации ионов. Суммарный эффект будет зависеть от соотношения этих величин.
Б) Процесс растворения твердых веществ в воде зависит от типа кристаллической решетки последних. Как правило, растворение ионных кристаллов связано с двумя противоположными эффектами: положительной величиной энергии гидратации ионов и отрицательной – разрушения кристаллической решетки. У молекулярных кристаллов первая составляющая практически отсутствует. При сливании разбавленных растворов солей сильных электролитов теплового эффекта не наблюдается. Если же при этом образуется осадок, наблюдается тепловой эффект осаждения.
Интегральная теплота растворения –это количество теплоты, поглощающееся или выделяющееся при растворении 1 моль вещества в очень большом (300 моль/ моль вещества) количестве растворителя.
Пример расчетной задачи:
Вычислить интегральную теплоту растворения хлорида аммония, если при растворении 1,473 г соли в 528,5 г воды температура понизилась на 0,174 о С. Массовая теплоемкость раствора 4,109 Дж/г. К. Теплоемкость калориметра 181,4 Дж/ г. К
Решение: Интегральную теплоту растворения можно рассчитать по формуле:
Q = (C калорим. + С р-ра. m)× ΔТ/n,
где С - теплоемкость, n - количество растворенного вещества: n = m/M
m (р-ра) = 528,5 +1,473 = 530 г,
ΔТ = -0,174 о С,
Q = (4,109 × 530 + 181,4)×(-0,174)×53,5/ 1,473×1000 = -15,11 кДж/моль Из курса химической термодинамики известно, что мерой теплового эффекта химического процесса при изобарном процессе (постоянство давления в системе) является термодинамическая функция состояния – энтальпия
ΔН = Н кон. – Н нач. Тепловой эффект при этом равен по абсолютной величине энтальпии, но противоположен ей по знаку. Экзотермический процесс, сопровождающийся выделением тепла, соответствует –ΔН, а эндотермический, сопровождающийся поглощением тепла, соответствует +ΔН.Таким образом, в рассмотренной выше задаче процесс растворения хлорида аммония – эндотермический, ΔН = 15,11 кДж/моль.
Раздел 5. РОЗЧИНИ.ТЕОРІЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ
§ 5.3. Тепловые явления при растворении
Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением или поглощением теплоты - в зависимости от природы вещества. Во время растворения в воде, например, гидроксида калия, серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата аммония - сильное охлаждение раствора, то есть поглощение теплоты. В первом случае осуществляется экзотермический процесс (∆Н 0), во втором - эндотермический (∆Н > 0). Теплота растворения ∆Н - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моль вещества. Так, для гидроксида калия ∆Н° = -55,65 кДж/моль, а для нитрата аммония ∆ Н = +26,48 кДж/моль.
В результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами, если растворителем является вода). Образование таких соединений роднит растворы с химическими соединениями.
Великий русский химик Д.И. Менделеев создал химическую теорию растворов, которую он обосновал многочисленными экспериментальными данными, изложенными в его труде “Исследование водных растворов по их удельному весу", опубликованной в 1887 г. “Растворы суть химические соединения, определяемые силами, действующими между растворителем и растворенной веществом”, - писал он. Теперь известна природа этих сил. Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-дипольного взаимодействия, за счет водородных связей, а также взаимодействия дисперсной (в случае растворов родственных веществ, например бензола и толуола). Особенно склонны к гидратации (соединения с водой) ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы (см. § 5.4); поэтому, например, в растворе ион купруму(II) голубой, а в безводном сульфаті купруму он бесцветный. Многие из таких соединений непрочны и легко разлагаются при выделении их в свободном состоянии, однако в ряде случаев образуются прочные соединения, которые можно легко выделить из раствора кристаллизацией. При этом выпадают кристаллы, содержащие молекулы воды.
Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристалогідратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристалізаційною. Кристалогідратами есть много природных минералов. Ряд веществ (в том числе и органические) добываются в чистом виде только в форме кристаллогидратов. Д.И. Менделеев доказал существование гидратов серной кислоты, а также ряда других веществ.
Следовательно, растворение - не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Ученик Д.И. Менделеева Д.П. Коновалов всегда подчеркивал, что между химическими соединениями и растворами нет границ.
Жидкие растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями постоянного состава и механическими смесями. Как и химические соединения, они однородны и характеризуются тепловыми явлениями, а также концентрацией, что часто наблюдается - уменьшением объема при смешивании жидкостей. С другой стороны, в отличие от химических соединений растворы не подлежат закон постоянства состава. их, как и смеси, можно легко разделить на составляющие части. Процесс растворение - это физико-химический процесс, а растворы - физико-химические системы.
Большое внимание изучению растворов уделял М.В. Ломоносов. Он провел исследование по установлению зависимости растворимости веществ от температуры, изучал явления выделения и поглощения теплоты при растворение и открыл охлаждающие смеси. М.В. Ломоносов впервые установил, что растворы замерзают (кристаллизуются) при более низкой температуре, чем растворитель. Он также дал молекулярно-кинетическое объяснение растворению, близкий к современному, считая, что частицы вещества, растворились, равномерно распределяются среди частиц растворителя.
1 В химических формулах и гидратов кристаллогидратов формулу воды пишут отдельно (через точку), например H 2 SO 4 ∙ Н 2 О, H 2 SO 4 2Н 2 О, H 2 SO 4 ∙ 4Н 2 О, Н 2 С 2 О 4 ∙ 2Н 2 O , N 2 SO 4 ∙ 10 Н 2 О, Al 2 (S 0 4) 3 1 8Н 2 О и др.
Около 40 лет научной работы посвятил изучению растворов Д.И. Менделеев. Его химическая теория растворов оказалась исключительно плодотворной. На ее основе сформировались новые научные дисциплины - такие, как физико-химический анализ, химия комплексных соединений, электрохимия неводных растворов. Ныне эта теория общепризнана.
Значительный вклад в развитие химической теории растворов внесли известные российские ученые Д.П. Коновалов, 1.0. Каблуков, М.С. Курнаков.
