CHEMIA FIZYCZNA

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:
(1)
H 3 O   OH   2H 2 O  Q zoboj.
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:
K  ( Tz  Tr )
(2)
Q mol 
[ J / mol]
n
gdzie:
K - pojemność cieplna kalorymetru
Tz - przyrost temperatury w procesie zobojętniania
Tr - przyrost temperatury w procesie rozcieńczania
n - liczba moli wody powstałej w czasie reakcji
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:
Uit
K
[ J / K]
(3)
T
gdzie:
U - napięcie zasilające grzałkę [V]
i - natężenie prądu [A]
t - czas ogrzewania [s]
T - przyrost temperatury
1
ZAGADNIENIA TEORETYCZNE
- funkcje termodynamiczne – rodzaje, definicje, zastosowanie,
- pierwsza zasada termodynamiki,
- prawa Kirchhoffa i Hessa i ich zastosowanie,
- standardowe ciepło tworzenia związku chemicznego,
- ciepło przemian chemicznych
- reakcje egzotermiczne i endotermiczne,
- czynniki wpływające na równowagę reakcji chemicznych,
- ciepło zobojętniania, rozcieńczania, rozpuszczania, solwatacji i hydratacji,
- charakterystyka układów termodynamicznych,
- 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. Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, t.1. Podstawy fenomenologiczne, PWN,
Warszawa 2005.
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
2
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 przestawieniu przełącznika „pomiar” w
pozycję „I”. 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
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. Narysować wykres temperatury kalorymetru w funkcji czasu podczas procesu
ogrzewania. Na wykresie zaznaczyć również punkty zanotowane podczas ustalania
się temperatury przed ogrzewaniem i po ogrzewaniu. Odczytać z wykresu przyrost
temperatury kalorymetru.
2. Obliczyć pojemność cieplną kalorymetru korzystając z równania 3. Do obliczeń
należy wziąć średnią wartość natężenia prądu płynącego przez grzałkę.
3. Sporządzić wykres temperatury kalorymetru w funkcji czasu podczas procesów
zobojętniania i rozcieńczania. Na wykresie zaznaczyć również punkty zanotowane
podczas ustalania się temperatury przed dodaniem kwasu do kalorymetru.
4. Z wykresów odczytać przyrosty temperatury podczas procesu zobojętniania Tz i
procesu rozcieńczania Tr.
5. 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.
6. Na podstawie równania 2 obliczyć molowe ciepło zobojętniania.
7. Porównać uzyskaną wartość z literaturową wartością ciepła zobojętniania, obliczyć
błąd względny. Określić możliwe źródła powstawania błędów i ich znaczenie
podczas wyznaczania tego ciepła.
4