METALE 2003/2004

NIEŻELAZNE

Grupa 2

Nr zespołu 4

Ćwiczenie nr ¾

Temat:

3:Ciepło rozpuszczania i neutralizacji.

4: Reguła Hessa , wyznaczanie ciepła

rozpuszczania trudnorozpuszczalnych

wodorotlenków.

Jachym

Łukasz

Ciepło rozpuszczania

Efekt cieplny rozpuszczania ciała stałego w cieczy jest sumą dwu składowych:

1. efektu cieplnego burzenia sieci krystalicznej - (topnienie)

2. efektu ewentualnej reakcji cząstek substancji rozpuszczonej z cząstkami rozpuszczalnika (solwatacja - zwana w przypadku roztworów wodnych hydrotacją).

Pierwszy z nich jest zawsze endotermiczny, drugi zazwyczaj egzotermiczny. Proces rozpuszczania bilansujący te dwa efekty cieplne może być wiec egzo- lub endotermiczny. Celem uproszczenia obrazu zjawiska celowe jest oddzielne rozpatrywanie dwu układów:

- jednego, w którym istnieją tylko procesy solwatacyjne (np. mieszanie dwóch cieczy);

- drugiego, w którym obok solwatacji ma miejsce burzenie sieci krystalicznej (rozpuszczanie ciała stałego w ciecz).

Zagadnienie komplikuje się, jeśli jedna z substancji badanego układu występuje w fazie stałej. Konieczne jest wówczas uwzględnienie ciepła topnienia oraz faktu pojawienia się granicznej rozpuszczalności (roztwory nasycone). Doświadczalnie wyznacza się zazwyczaj ciepło rozpuszczania 1 mola badanej substancji (w tym przypadku NaOH) w różnych ilościach rozpuszczalnika (w tym przypadku H₂O) .

Ciepło reakcji kwas-zasada (reakcja zobojętniania)

W wyniku reakcji kwasu z zasadą powstaje zawsze nie zdysocjowana cząsteczka wody. Reakcje zobojętniania można ogólnie zapisać równaniem :

H⁺ + A^- + B⁺ + OH^- = H₂O + A^- + B⁺

Istnieją dwie możliwości przebiegu procesu:

a) w przypadku jeśli kwas, zasada i powstająca sól są częściowo zdysocjowane, wówczas obserwowany doświadczalnie efekt cieplny procesu będzie sumą ciepła dysocjacji kwasu i zasady, częściowej asocjacji soli jonu wodorowego i hydroksylowego na praktycznie nie zdysocjowaną wodę. Mierzone ciepło reakcji zobojętniania powinno być w takim przypadku zależne od rodzaju reagujacych substancji.

b) w przypadku jeśli kwas , zasada oraz sól są praktycznie całkowicie dysocjowane , ciepło zobojętnienia jest praktycznie równe ciepłu powstawania wody . Mierzone ciepło reakcji byłoby w takim przypadku niezależne od kwasu i zasady.

Cel ćwiczenia :

1. Wyznaczenie zależności ciepła rozpuszczania 1 mola NaOH (lub KOH) od ilości moli wody w roztworze.

2. Wyznaczenie ciepła zobojętniania ługów sodowego i potasowego kwasem solnym i azotowym. W oparciu o uzyskane wyniki należy wyciągnąć wnioski co do stopnia dysocjacji uzyskanych roztworów kwasów i zasad oraz powstających soli.

Przebieg ćwiczenia:

Do wyznaczenia ciepła rozpuszczania NaOH w rozpuszczalniku H₂O, użyliśmy kalorymetru. Na wadze aptekarskiej zważyliśmy zlewkę i mieszadełko - ich waga wynosi 231,5g następnie wlaliśmy 540 ml (30 moli) wody, ponownie ważąc na wadze aptekarskiej otrzymaliśmy masę wody która wyniosła 540 g i umieściliśmy ją w kalorymetrze . W tak przygotowanym kalorymetrze zaczęliśmy przeprowadzać doświadczenia dodając kolejno 1/20, 1/20, 1/10, 1/5, mola NaOH, po każdorazowym dodaniu odpowiedniej ilości NaOH mierzyliśmy temperaturę co 15sek, aż wodorotlenek sodu całkowicie się rozpuści i temperatura przestanie rosnąć . Uzyskane pomiary przedstawiłem w tabeli nr 1 oraz na wykresach .

Wykres I przedstawia przebieg ciepła rozpuszczania 1/20 mola NaOH

(w postaci granulek)

Wykres II gdy 1/20 mola (2 g ) NaOH dodano do roztworu

Wykres III gdy 1/10 mola (4 g) NaOH dodano do roztworu

Wykres IV gdy 1/5 mola (8 g) NaOH dodano do roztworu

umożliwia wyznaczenie wartości ∆T_x

Obliczanie efektu cieplnego badanych procesów

Wzór: Q=∆H=(m_szc_sz + m _wc_w)∆t_x⁰

1/20 mola Obliczam 1 etap doświadczenia czyli dodanie do H₂O NaOH (2g)

Dane: ­­­­

540 ml wody

231,5g zlewka + mieszadełko

C_sz ciepło właściwe szkła 0,19 [cal/g· ºC]

C_w ciepło właściwe wody 1[cal/g· ºC]

0,6°C = ∆t_x⁰ - wyznaczam z wykresu I

Q = (231.5[g] ·0,19[cal/g ·°C] + 540[g] ·1cal/g ·°C)·0,6°[C]

Q = 583,5[cal/°C] · [0,6ºC]

Q = 350,1 [cal]

Obliczam 2 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/20 mola NaOH (2,05g)

∆t_x⁰ = 0,8[ºC] - wyznaczam z wykresu II

Q = 583,5 [cal/ºC] · 0,8 [ºC]

Q =466,8 [cal]

Obliczam 3 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/10 mola NaOH (4,07g)

∆t_x⁰ = 1,6ºC - wyznaczam z wykresu III

Q = 583,5[cal/ºC] · 1,6[ºC]

Q = 933,6 cal

Obliczam 4 etap doświadczenia czyli dodanie do powstałego roztworu 1/5 mola NaOH (7,85g)

∆t_x⁰ = 3,3ºC - wyznaczam z wykresu IV

Q = 583,5 [cal/ºC] · 3,3[ºC]

Q = 1925,5 cal

Wyniki pomiarów ciepła rozpuszczania

Tabela nr1

Nr pomiaru 1 M1 =0 [g] M2 =2 [g] M3 =2 [g]		Nr pomiaru 2 M1 =2 [g] M2 =4,05 [g] M3 =2,05 [g]		Nr pomiaru 3 M1 =4,05 [g] M2 =8,12 [g] M3 =4,07 [g]		Nr pomiaru 4 M1 =8,12 [g] M2 =15,97 [g] M3 =7,85 [g]
Czas t [sek]	Temp. tş [şC]	Czas t [sek]	Temp. tş [şC]	Czas t [sek]	Temp. tş [şC]	Czas t [sek]	Temp. tş [şC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	20,8 21,0 21,08 21,2 21,35 21,5 21,58 21,6 21,6 21,6 21,6 21,6	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21,8 21,8 22 22,05 22,2 22,27 22,4 22,45 22,5 22,6 22,6 22,6	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	22,6 22,8 23 23,2 23,4 23,6 23,7 23,8 23,9 24 24,2 24,2	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	24,2 24,7 25,2 25,7 26,2 26,6 26,8 27,1 27,2 27,4 27,5 27,5

Wartość ciepła rozpuszczania wyliczona w oparciu o dane z tabeli nr 1

Tabela nr 2

Nr pomiaru	Ilość ługu dodana w pomiarze n1 [moli]	Sumaryczna ilość ługu w roztworze n2 [moli]	∆Tx^0 [ºC]	Ciepło rozpuszczania n1 moli w roztworze Q1 [cal]	Sumaryczne ciepło rozpuszczania n2 moli ługu Q2 [cal]	Sumaryczne ciepło rozpuszczania przeliczone na 1 mol ługu Q=Q2/n2 [cal/mol]	Ilość moli wody przypadająca na mol ługu w roztworze ^nH20 = ^nH20/n2
1 2 3 4	1/20 1/20 1/10 1/5	1/20 1/10 1/5 2/5	0,6 0,8 1,6 3,3	350,1 466,8 933,6 1925,5	350,1 816,9 1750.5 3676	7002 8169 8750 9190	600 300 150 75

W oparciu o dane z tabeli sporządziłem wykres zależności ciepła rozpuszczania 1 mola ługu od ilości moli wody. Zależność tą przedstawia wykres V

Ciepło zobojętniania

Do roztworu uzyskanego w trakcie wyznaczania ciepła rozpuszczania (zawierającego około 2/5 mola ługu) dodajemy, odmierzone pipetą 25 ml 4 n kwasu solnego. Mierzymy przy tym zmianę temperatury w czasie i obliczamy w sposób pokazany wyżej, uwzględniając w bilansie pojemność cieplną dodanego roztworu kwasu (przyjmujemy ciepło właściwe roztworu równe ciepłu właściwemu wody) oraz jego temperaturę początkową

Q = ∆H = (m_sz · c_sz + m_w · c_w )∆t_x⁰ + m_kw · c_w · ∆t_x^0'

gdzie∆t_x^0' ,jest równe wartości ∆t_x⁰ pomniejszonej lub powiększonej o różnice temperatur pomiędzy temperaturą początkową roztworu ługu oraz temperaturą początkową roztworu kwasu. Doświadczenie to powtarzamy dla KOH lecz nie mierzymy już ciepła rozpuszczania KOH w H₂O, tylko od razu tworzymy 0,4 n roztwór ługu i dodajemy kolejno 25ml 4 n kwasu solnego i 25ml 4 n kwasu azotowego.

Wyliczony efekt cieplny przeliczamy na jeden mol wody powstającej w wyniku reakcji zobojętniania. Od wyniku odejmujemy ciepło rozcieńczania kwasu, które wynosi dla HCL: 450 [cal/mol], dla HNO₃ : 50 [cal/mol]

Obliczam ciepło zobojętniania

Do uzyskanego wcześniej roztworu dodajemy 25 ml 4 n HCL

25 ml 4 n HCL

m_kw = 26,75 g

∆t_x^0' = ∆t_x⁰ - (C_p początkowe - C_kw )

∆t_x^0' = 1,1 - (29,2 - 30,3)

∆t_x^0' = 2,2ºC

Q = ∆H = (231.5[g] · 0,19[cal/g · ºC] + 540[g] · 1[cal/g · ºC]) · 1,1[ºC] + 26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · 2,2[ºC]

Q = 601,08[cal/ºC] · 1,1ºC - 26,75[cal/ºC] · 2,2[ºC]

Q =- 602,33 cal

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres VI

Powtarzam doświadczenie - dodając do tego samego roztworu (zawierającego ług i powstały w wyniku jego częściowego zobojętnienia chlorek) 25 ml 4 n kwasu azotowego HNO₃ .Celem znalezienia ciepła zobojętnienia. Obliczam jw.

25 ml 4 n kwasu azotowego

m_kw = 28,25g

∆t_x^0' = 6,4 (obliczyłem jak w powyższym obliczeniu biorąc dane z wykresu i po obliczeniu)

Q = 583,5[cal/ºC] · 1,1[ºC] - 28,25[cal/ºC] · 6,4[ºC]

Q =- 461,05[cal]

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres V II

Obliczenia dla KOH

Dane:

540g wody

231,5g waga zlewki i mieszadełka

26,75g masa kwasu solnego

28,25g masa kwasu azotowego

Do uzyskanego roztworu dodajemy 25 ml 4 n kwasu solnego

∆t_x^0' = 4,1 [ºC] po wyliczeniu

Q = (231,5[g] · 0,19[cal/g·ºC] + 540[g] · 1[cal/g·ºC]) · 2[ºC] + 26,75[g] · 1[cal/g · ºC] · 4,1[ºC]

Q =- 1277,64 [cal]

Przebieg ciepła zobojętniania przedstawia wykres VIII

Do tego samego roztworu dodajemy 25ml 4 n kwasu azotowego

∆t_x^o' = 3,8 po wyliczeniu

Q = 540[cal/ºC] · 2[ºC] + 28,25[cal/ºC] · 3,8[ºC]

Q = 1080 [cal] + 107,3 [cal]

Q = -1187,3 [cal]

Przebieg ciepła zobojętnienia przedstawia wykres IX

Obliczam błąd względny dla HCl

dQ=(0,1ml/1,07ml+0,5­­­­­­­­^oC/27,6^oC)*100%=11,157%

Błąd względny dla HNO₃

dQ=(0,1/1,13+0,5/29,6)*100%=10,538%

Tabela nr3

Nr pomiaru 1 HNO3		Nr pomiaru 2 KOH			Nr pomiaru 3 HCL		Nr pomiaru 4 HNO3
Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]		Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	29,2 29,8 30,3 30,3 30,3 30,2 30,2 30,3 30,3 30,3 30,3	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	21,5 26 27,4 27,6 27,8 27,8 27,8 27,8 27,9 27,9 27,9		15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	27,6 29,2 29,8 29,8 29,8 29,75 29,6 29,6 29,6 29,6 29,6	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165	29,6 30,2 31,4 31,5 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4

(ćwiczenie 4)

Reguła Hessa

Wyznaczanie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków

Reguła Hessa powiada, że ciepło reakcji przebiegającej pod stałym ciśnieniem lub w stałej objętości zależy jedynie od stanu wyjściowego i końcowego (rodzaj, ilość, stężenie substratów i produktów reakcji oraz temperatura).

Regułę te stosuje się zazwyczaj do wyliczania ciepła reakcji w oparciu o zebrane, w dobrze już dziś opracowanych tablicach, dane termodynamiczne ciepła tworzenia substancji reagujących.

Rozwinięciem reguły Hessa jest równanie Kirhoffa, określające zależność ciepła reakcji od temperatury.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ciepła rozpuszczania: MgO , Cao i ZnO .

Wykonanie ćwiczenia

Do kalorymetru wlewamy około 500g 2 n HCL i wsypujemy1/10 mola MgO (tj.4g MgO). Przyrost temperatury w czasie reakcji ∆t_x⁰ wyznacza się jak w poprzednim ćwiczeniu.

Efekt cieplny procesu wylicza się przyjmując w bilansie cieplnym ciepło właściwe roztworu równe 0,88 [cal/g·ºC]. Ciepło reakcji przelicza się na jeden mol tlenku (kwas jest w nadmiarze). Ciepło powstawania stałego wodorotlenku można wyliczyć posługując się podanymi w tabeli ciepłami tworzenia. Ciepło zobojętniania kwasu zasadą jest, jak wiadomo z poprzedniego ćwiczenia, wartością stałą, przyjmujemy wartość 13,92 +/- 0,06 kcal na mol powstającej wody.

Przebieg reakcji jest przedstawiony na wykresie

Dwa schematy przebiegu reakcji z wodnym roztworem kwasu:

I: MgO + 2HCL_roztw → MgCl_2(roztw) + H₂O +Q₁

II:MgO + H₂O → Mg(OH)_2(st) +Q₂

Mg(OH)_2(st) + 2HCl_roztw → [Mg(OH)₂ + 2HCL_roztw] +Q₃

Mg(OH)₂ + 2HCl_roztw → MgCl_2(roztw) + 2H₂O +Q₄

MgO + 2HCl_(roztw) → MgCl_2(roztw) + H₂O +Q₂ +Q₃ +Q₄

Q₂ = Q_Mg(OH) - Q_MgO - Q_H2O

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

Obliczam ciepło rozpuszczania:

Q₂ = -218,7 -(-146,1) - (-68,35) = -218,7 + 146,1 + 68,35 = -4,25 kcal

Q₁ = (231,5·0,19cal/g·ºC + 500g·0,88 cal/g·ºC)·5,6ºC = (43,9cal/ºC+440cal/ºC)·5,6ºC = 483,9cal/ºC·5,6ºC = 2,7kcal

Q₄ = 2·13,92=27,84 kcal - ponieważ mamy 2H₂O

Q₃=Q₁-Q₂-Q₄

Q₃=2,7 + 4,25 - 27,84 kcal

Q₃= -20,89 kcal

Tabela nr4

Nr pomiaru 1 500gHCl+4gMgO		Nr pomiaru 2 H2O+0,5gCaO		Nr pomiaru 3 H2O+5,5gCaO		Nr pomiaru 4 H2O+5,5gCaO+ 100ml 2n HCl
Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]	Czas t [sek]	Temp. tº [ºC]
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21,2 21,6 22,2 23 24 25 25,8 26,4 26,6 27 27,4 27,5	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21,4 21,6 21,7 21,7 21,75 21,75 21,75 21,75 21,8 21,8 21,8 21,8	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	21 21 21,2 21,8 22,2 22,2 22,2 22,4 22,6 22,6 22,6 22,6	15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180	24 25,2 26 26,2 26,4 26,8 27 27 27,2 27,2 27,2 27,2

Wnioski:

Jak widać z doświadczenia, posługując się regułą Hessa oraz pomiarami kalorymetrycznymi odpowiednio dobranych procesów można pośrednio wyznaczyć ciepła reakcji, których bezpośredni pomiar jest trudny. Proces dobiera się tak, aby pomiar nie powodował większych trudności doświadczalnych. Dobór badanych procesów jest dowolny, nie ma ogólnych reguł postępowania.

9

---