CHEMIA FIZYCZNA Ćwiczenie 2 Wyznaczanie molowego ciepła zobojętniania mocnego kwasu mocną zasadą. Niemal wszystkim przemianom fizycznym i chemicznym przebiegającym w dowolnym układzie towarzyszą efekty cieplne. Jednym z efektów cieplnych, dającym się dokładnie zmierzyć jest ciepło zobojętniania. Reakcję zobojętniania kwasu zasadą można przedstawić równaniem: H 3 O OH 2H 2 O Q zoboj. (1) W roztworach rozcieńczonych efekt cieplny tej reakcji powinien mieć wartość stałą, określoną przez ciepło tworzenia cząsteczki wody. Ciepło w tych warunkach standardowych (T=25°C, aktywności jonów równe 1) wynosi 56.567 kJ/mol. Gdy w reakcji zobojętniania bierze udział słaby kwas lub słaba zasada, efekt cieplny reakcji różni się od ciepła tworzenia cząsteczki wody. Tworzenie wody nie jest jedyną reakcją w tym procesie. Towarzyszy jej reakcja dysocjacji słabego kwasu lub słabej zasady. Oprócz tego występuje jeszcze efekt hydratacji jonów powstających podczas dysocjacji. Gdy stężenia reagujących ze sobą składników znacznie się różnią, w obliczeniach należy także uwzględnić udział ciepła rozcieńczania. Wartości liczbowe ciepła rozcieńczania dla wielu substancji podawane są w tablicach. Można je także wyznaczyć wykonując dodatkowy pomiar. Molowe ciepło zobojętniania oblicza się na podstawie równania: Q mol gdzie: K ( Tz Tr ) n [ J / mol] K - pojemność cieplna kalorymetru Tz - przyrost temperatury w procesie zobojętniania Tr - przyrost temperatury w procesie rozcieńczania n - liczba moli wody powstałej w czasie reakcji (2) Pojemność cieplna kalorymetru K jest definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podwyższenia temperatury kalorymetru o jeden stopień. Pojemność tą można wyznaczyć dostarczając do kalorymetru określoną ilość ciepła i mierząc przyrost temperatury. Kalorymetr można podgrzać za pomocą grzałki elektrycznej. Znając natężenie prądu, napięcie zasilające grzałkę i czas ogrzewania pojemność cieplną kalorymetru oblicza się według równania: K gdzie: Uit T [ J / K] U - napięcie zasilające grzałkę [V] i - natężenie prądu [A] t - czas ogrzewania [s] T - przyrost temperatury ZAGADNIENIA TEORETYCZNE - pierwsza zasada termodynamiki, - znaczenie praw Kirchhoffa i Hessa, - ciepło przemian chemicznych, - ciepło zobojętniania, rozcieńczania, rozpuszczania, solwatacji i hydratacji - charakterystyka izolowanego układu termodynamicznego, - pojemność cieplna ciał, - metody wyznaczania pojemności cieplnej kalorymetrów. LITERATURA 1. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980. 2. Sobczyk L., Kisza A., Chemia fizyczna dla przyrodników, PWN, Warszawa 1981. 3. Praca zbiorowa, Eksperymentalna chemia fizyczna. 4. Barrow G., Chemia fizyczna. 5. Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980. (3) CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA SPRZĘT I ODCZYNNIKI - kalorymetr z termometrem i grzejnikiem - mieszadło magnetyczne z mieszadełkiem - zasilacz ZLS 4 - stoper - rozdzielacz 50 ml - cylinder miarowy 500 ml - cylinder miarowy 20 ml - roztwór KOH 0.5 mol/dm3 - stężony kwas solny WYKONANIE POMIARÓW UWAGA • nie podłączać grzałki do zasilacza, gdy nie jest ona zanurzona w cieczy, gdyż grozi to jej uszkodzeniem • przed wylaniem cieczy z kalorymetru wyjąć mieszadełko, aby uniknąć wrzucenia go do rury kanalizacyjnej Wyznaczanie pojemności cieplnej kalorymetru: 1. W kalorymetrze umieścić 520 cm3 wody i wrzucić mieszadełko. Zakryć pokrywę kalorymetru z termometrem i grzałką. W pokrywie kalorymetru umieścić pusty rozdzielacz. Włączyć mieszadło. Odczekać 10 minut, aby wyrównały się temperatury wszystkich elementów kalorymetru. Zanotować temperaturę. 2. Włączyć zasilacz i ustawić na wyjściu napięcie 18V (przełącznik „pomiar” w pozycji „U”. Podłączyć grzałkę do zasilacza i jednocześnie włączyć stoper. Co minutę odczytywać temperaturę i natężenie prądu. Po 5 minutach wyłączyć zasilanie i notować temperaturę przez dalsze 3 minuty. Wyznaczanie ciepła zobojętniania: 1. W kalorymetrze umieścić 500 cm3 roztworu 0.5 mol/dm3 KOH, wrzucić mieszadełko, nałożyć pokrywę kalorymetru i uruchomić mieszadło. 2. W pokrywie kalorymetru umieścić rozdzielacz zawierający 20 cm3 stężonego kwasu solnego. 3. Co minutę notować temperaturę. Gdy temperatura w kolejnych odczytach będzie stała w ciągu 5 minut, wlać z rozdzielacza stężony HCl. 4. Co pół minuty odczytywać temperaturę do chwili, aż w ciągu trzech minut odczytywana temperatura będzie stała. 5. Wyłączyć mieszanie, rozmontować, umyć i wysuszyć części kalorymetru. Wyznaczanie ciepła rozcieńczania: 1. W kalorymetrze umieścić 500 cm3 wody, wrzucić mieszadełko, nałożyć pokrywę kalorymetru i uruchomić mieszadło. 2. W pokrywie kalorymetru umieścić rozdzielacz zawierający 20 cm3 stężonego kwasu solnego. 3. Co minutę notować temperaturę. Gdy temperatura w kolejnych odczytach będzie stała w ciągu 5 minut, wlać z rozdzielacza stężony HCl. 4. Co pół minuty odczytywać temperaturę do chwili, aż w ciągu trzech minut odczytywana temperatura będzie stała. 5. Wyłączyć mieszanie, rozmontować, umyć i wysuszyć części kalorymetru. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Obliczyć pojemność cieplną kalorymetru korzystając z równania 3. Do obliczeń należy wziąć średnią wartość natężenia prądu płynącego przez grzałkę. 2. Sporządzić wykres temperatury kalorymetru w funkcji czasu podczas procesów zobojętniania i rozcieńczania. 3. Z wykresów odczytać przyrosty temperatury podczas procesu zobojętniania Tz i procesu rozcieńczania Tr. 4. Napisać równanie reakcji kwasu solnego z wodorotlenkiem potasu. Obliczyć liczbę moli kwasu solnego użytego w procesie rozcieńczania i zobojętniania oraz liczbę moli KOH użytego w procesie zobojętniania. Określić liczbę moli wody powstałej podczas procesu zobojętniania. 5. Na podstawie równania 2 obliczyć molowe ciepło zobojętniania. 6. Porównać uzyskaną wartość z literaturową wartością ciepła zobojętniania, obliczyć błąd względny. Określić możliwe źródła powstawania błędów i ich znaczenie podczas wyznaczania tego ciepła.