ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 8Следующая ⇒

Цель работы. Проведение калориметрических измерений энтальпий процессов и выполнение относящихся к ним термодинамических расчетов.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии: теплота Q, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии U и на совершение системой работы А над внешней средой (первый закон термодинамики):

Q = DU + А.

Если химическая реакция протекает в открытом сосуде при постоянных температуре и давлении (р, Т = const) и единственным видом совершаемой работы является работа расширения (А = р× DV), то тепловой эффект этой реакции равен изменению энтальпии DН системы:

Q_{р, Т} = DU + рDV = DН,

где Н = U + рV.

При D_rH > 0 (теплота подводится к системе из окружающей среды, Q < 0) реакцию называют эндотермической, а при D_rH < 0 (теплота выделяется в окружающую среду, Q > 0) – экзотермической.

Уравнение химической реакции, записанное с указанием агрегатных состояний исходных веществ и продуктов, а также теплового эффекта реакции, называют термохимическим. Например:

N_2(г)+ 3Н_2(г) = 2NН_3(г) + 92, 4 кДж

или

N_2(г)+ 3Н_2(г) = 2NН_3(г); = – 92, 4 кДж.

Указанное значение теплового эффекта относится к стандартным термодинамическим условиям: Т_исх= Т_прод = 298, 15 К, парциальное давление (р _i) каждого газообразного вещества, участвующего в реакции, поддерживается постоянным и равным 1 атм (101325 Па).

Теоретическое значение теплового эффекта химической реакции можно рассчитать, используя следствие из закона Гесса:

где – стандартные энтальпии образования веществ, кДж/моль;
n – число молей вещества.

Тепловой эффект химической реакции зависит от количества реагирующих веществ. Так, например, при нейтрализации в водном растворе 0, 1 моль NаОН избытком соляной кислоты выделяется 5, 58 кДж теплоты, а при нейтрализации 10 моль NаОН – 558 кДж.

Критерием направленности самопроизвольного процесса в изобарно-изотермических условиях (р, Т = const) является знак изменения энергии Гиббса реакции D_r G:

где – изменение энтальпии реакции, Т – температура, – изменение энтропии реакции, которое можно рассчитать, используя следствие из закона Гесса:

где – стандартная энтропия веществ, .

Знак и величина зависят от двух факторов: энтальпийного (энергетического) и энтропийного :

а) при < 0 (энергия Гиббса убывает) процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении, т. е. термодинамически возможен;

б) при > 0 (энергия Гиббса возрастает) самопроизвольно протекает только обратный процесс, прямой процесс термодинамически невозможен;

в) при = 0 система находится в состоянии термодинамического равновесия.

Экспериментальная часть

Опыт. Определение теплоты нейтрализации
сильной кислоты сильным основанием
и расчет энергии Гиббса реакции

Тепловые эффекты (энтальпии) различных процессов эксперимен-тально определяют с помощью прибора, называемого калориметром (рис. 2). Простейшая калориметрическая установка состоит из двух стаканов разного размера. В наружный стакан 1 большего объема вставляется внутренний стакан 2 меньшего размера. Внутренний стакан является реакционным сосудом, в котором осуществляется химическая реакция или другой процесс, сопровождающийся выделением или поглощением теплоты. Во избежание потерь теплоты через стенки калориметрического стакана между сосудами располагают пробковые прокладки 3. Калориметрический стакан закрывают крышкой 4 с отверстиями для термометра 5 (цена деления 0, 1º С) и воронки 6. Процесс проводят при перемешивании 7, способствующем выравниванию температуры во всех частях реакционной системы, на магнитной мешалке.

Рис. 2. Схема калориметрической установки:

1 – внутренний стакан; 2 – внешний стакан; 3 – термоизолирующая прокладка; 4 – крышка; 5 – термометр; 6 – воронка; 7 – магнитик для перемешивания;
8 – штатив; 9 – магнитная мешалка

Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, вычисляют по формуле

Q = å С(Т₂ – Т₁),

где Т₂ и Т₁ – конечная и начальная температуры жидкости в калориметрическом стакане, К; å С – теплоемкость системы, Дж/К.

Суммарная теплоемкость системы складывается из теплоемкостей калориметрического стакана и находящейся в нем жидкости:

å С = С₁m₁ + С₂m₂,

где m₁ и m₂ – массы калориметрического стакана и жидкости в стакане, г; С₁ и С₂ – удельные теплоемкости стекла и жидкости, .

Сущность реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием заключается в образовании воды, например:

HCl_(p₎ + NaOH_(p₎ → NaCl_(p₎ + H₂O_(ж).

Согласно теории электролитической диссоциации реакции нейтрализации отвечает термохимическое уравнение:

; = – 55, 8 кДж/моль.

Выполнение опыта

1. С помощью мерного цилиндра отмерьте заданный объем V₁ (по указанию преподавателя) 1 М раствора гидроксида натрия NaOH.

2. Установите на магнитной мешалке калориметрический стакан, в который поместите магнитик для перемешивания и через воронку налейте отмеренный объем раствора щелочи.

3. Включите перемешивающее устройство и установите равномерный режим перемешивания раствора.

4. Закройте крышкой калориметрический стакан и через отверстие (осторожно) в раствор щелочи погрузите термометр, закрепленный в лапке штатива.

5. Отметьте по термометру начальную температуру Т₁ раствора с точностью до 0, 1 °С.

6. Налейте в мерный цилиндр такой же объем V₂ 1 М раствора соляной кислоты HCl и при работающей мешалке через воронку влейте раствор кислоты в калориметрический стакан. Отметьте самую максимальную температуру Т₂, наблюдаемую после сливания растворов.

7. По окончании эксперимента отключите мешалку, разберите установку.

В отчете:

1) запишите уравнение реакции взаимодействия соляной кислоты с гидроксидом натрия в молекулярной и ионно-молекулярной формах, термохимическое уравнение реакции нейтрализации;

2) результаты измерений занесите в табл. 1.

Таблица 1

Масса калориметрического стакана, m₁, г	Суммарный объем жидкости в стакане, V, мл	Температура
		Т₁	Т₂

3) По полученным данным рассчитайте следующие величины:

– разницу температур: DТ = Т₂ – Т₁;

– массу жидкости (m₂, г) в калориметрическом стакане:

m₂ = ρ (V₁ + V₂)

при расчете считать плотность (ρ ) жидкости равной 1 г/мл;

– суммарную теплоемкость калориметрической системы å С, Дж/К. При расчете использовать значения удельной теплоемкости: стекла
С₁ = 0, 753 , раствора С₂ = 4, 184 ;

– количество теплоты Q, выделившейся при реакции нейтрализации;

– количество вещества (число молей) образовавшейся воды , равное количеству вещества вступившей в реакцию нейтрализации кислоты n_к (или щелочи) при известных молярной концентрации c (моль/л) и объеме раствора V (л):