Wydział: Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej |
Data wykonania ćwiczenia: |
|---|---|
Kierunek: Metalurgia |
Nr ćwiczenia: 4 |
| Tytuł ćwiczenia: Wyznaczanie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków | |
| Data oddania sprawozdania: | |
| Data oddania sprawozdania do poprawy: |
1.Cel ćwiczenia
Wyznaczenie ciepł rozpuszczania wodorotlenków wapnia, magnezu i cynku.
2.Wstęp teoretyczny
Reguła Hessa dotyczy ciepła reakcji przebiegającej pod stałym ciśnieniem lub w stałej objętości. Według tej reguły ciepło tak zachodzącej reakcji zależy wyłącznie od stanu wyjściowego i końcowego (rodzaj, ilość, stężenie substratów i produktów reakcji oraz temperatura). Regułę tę stosuje się zazwyczaj do wyliczania ciepła reakcji w oparciu o zebrane w tablicach ciepła tworzenia substancji reagujących.
Reguła Hessa umożliwia również wyznaczenie ciepł reakcji, metodą pośrednią. Metodę tą stosujemy, gdy bezpośredni pomiar jest trudny lub praktycznie niemożliwy.
Dwa schematy przebiegu reakcji z wodnym roztworem kwasu:
I: MgO + 2HClroztw → MgCl2(roztw) + H2O +Q1
II:MgO + H2O → Mg(OH)2(st) +Q2
Mg(OH)2(st) + 2HClroztw → [Mg(OH)2 + 2HClroztw] +Q3
Mg(OH)2 + 2HClroztw → MgCl2(roztw) + 2H2O +Q4
MgO + 2HCl(roztw) → MgCl2(roztw) + H2O +Q2 +Q3 +Q4
Q2 = QMg(OH) - QMgO – QH2O
Q1=Q2+Q3+Q4
Q1 -wyznaczam w pomiarze kalorymetrycznym
Q2 –wyliczam znając ciepła tworzenia substancji
Q3 –jest szukanym ciepłem rozpuszczania
Q4 –jest ciepłem reakcji zobojętniania
2.Wykonanie ćwiczenia
Pomiaru dokonuje się w kalorymetrze. Aparatura oraz metodyka pomiaru jest identyczna jak w ćwiczeniu 3.
Wyznaczanie ciepła rozpuszczania wodorotlenku magnezu
Odważamy 4 gramy MgO z dokładnością do 4 miejsc po przecinku.
Do zlewki wewnętrznej kalorymetru wlewamy ok. 500 g 2n kwasu solnego i wykonujemy 10 pomiarów temperatury w odstępach czasu wynoszących 15 [s].
Następnie do roztworu wprowadzamy 1/10 mola tlenku, tj. około 4g MgO i dokonujemy pomiarów w odstępach 15 sekundowych aż do ustalenia temperatury.
| 500g HCl | 4g MgO + 500g HCl |
|---|---|
| Nr | Czas t [s] |
| 1 | 0 |
| 2 | 15 |
| 3 | 30 |
| 4 | 45 |
| 5 | 60 |
| 6 | 75 |
| 7 | 90 |
| 8 | 105 |
Q = ∆H = (msz · csz + mr · cr )∆tx0
msz – 389,8 [g]
csz – 0,19 [cal/g]
mr – 500 [g]
cr - 0,88 [cal/g]
Δt0= Δtx + Δtu
Δtx = 3,25°C (wykres)
Δtu = 0 brak różnicy temperatur między układem kalorymetrycznym i otoczeniem
Q1= (389,8 · 0,19 + 500 · 0,88) · 3,25 = -1670,702 [cal]
Obliczamy ilość moli tlenku wiedząc, że dodaliśmy 3,93155 [g] MgO
MMgO = 40,3044[g] 1 mol - 40,3044 [g]
x - 3,9315 [g]
x = 0,0975 mol
Przeliczamy efekt cieplny na mol tlenku:
$Q_{1} = \frac{1670,702}{0,0975} = - 17135,4\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$
Ciepło powstawania stałego wodorotlenku (Q2) można wyliczyć posługując się podanymi w tabeli ciepłami tworzenia.
$$Q_{2} = - 68,35 - 146,1 - 218,7 = - 4,25\lbrack\frac{\text{kcal}}{\text{mol}}\rbrack$$
W naszym przypadku powstaje 0,1 mola Mg(OH)2 więc:
$$Q_{2} = - 4250\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$$
Ciepło zobojętniania kwasu zasadą (Q4) jest wartością stałą. Przyjmujemy wartość 13,92 +/- 0,06 kcal na mol powstającej wody.
W naszym przypadku powstaje 2 mole wody, więc:
$$Q_{4} = 13920 \bullet 2 = - 27840\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$$
Za pomocą tych danych możemy wyznaczyć szukane ciepło rozpuszczania.
$Q_{3} = Q_{1} - Q_{2} - Q_{4} = 17135,4 - 4250 - 27840 = - 14954,6\lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$
b). wyznaczenie ciepła rozpuszczania Zn(OH)2
| 500g HCl | 8g ZnO + 500g HCl |
|---|---|
| Nr | Czas t [s] |
| 1 | 0 |
| 2 | 15 |
| 3 | 30 |
| 4 | 45 |
| 5 | 60 |
Q = ∆H = (msz · csz + mr · cr )∆tx0
msz – 389,8 [g]
csz – 0,19 [cal/g]
mr – 500 [g]
cr - 0,88 [cal/g]
Δt0= Δtx + Δtu
Δtx = 2,2°C (wykres)
Δtu = 0 brak różnicy temperatur między układem kalorymetrycznym i otoczeniem
Q1= (389,8 · 0,19 + 500 · 0,88) · 2,2 = -1130,9364 [cal]
Obliczamy ilość moli tlenku wiedząc, że dodaliśmy 7,998 [g] ZnO
MZnO = 81,408 [g] 1 mol - 81,408 [g]
x - 7,998 [g]
x = 0,09824 mol
Przeliczamy efekt cieplny na mol tlenku:
$Q_{1} = \frac{1670,702}{0,09824} = - 11511,286\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$
Ciepło powstawania stałego wodorotlenku (Q2) można wyliczyć posługując się podanymi w tabeli ciepłami tworzenia.
$$Q_{2} = - 68,35 - 83,5 - 218,7 = - 0,371\lbrack\frac{\text{kcal}}{\text{mol}}\rbrack$$
W naszym przypadku powstaje 0,1 mola Zn(OH)2 więc:
$$Q_{2} = - 3710\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$$
Ciepło zobojętniania kwasu zasadą (Q4) jest wartością stałą. Przyjmujemy wartość 13,92 +/- 0,06 kcal na mol powstającej wody.
W naszym przypadku powstaje 2 mole wody, więc:
$$Q_{4} = 13920 \bullet 2 = - 27840\ \lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$$
Za pomocą tych danych możemy wyznaczyć szukane ciepło rozpuszczania.
$Q_{3} = Q_{1} - Q_{2} - Q_{4} = 11511,286 - 3710 - 27840 = - 20038,714\lbrack\frac{\text{cal}}{\text{mol}}\rbrack$
5.Wnioski:
To doświadczenie pokazało, że dzięki regule Hessa oraz pomiarom kalorymetrycznym odpowiednio dobranych procesów można pośrednio wyznaczyć, niemożliwe do zmierzenia doświadczalnego ciepło reakcji. Należy w tym celu wykonać pomiar kalorymetryczny procesu, którego jedno z ogniw pośrednich stanowi interesująca nas reakcja.
Z rozpatrywanych w tym ćwiczeniu reakcji duże praktyczne znaczenie posiada kwasowe rozupuszczenie tlenku cynku. Proces ten stosuje się dla otrzymywania roztworów soli cynku stosowanych w procesie hydrometalurgicznym.