Опыт 2. Определение теплоты реакции гашения извести

Тема: Тепловые эффекты химических реакций

Все химические реакции сопровождаются поглощением или выделением тепловой энергии. Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими, а с поглощением тепла - эндотермическими.

Количество выделенного или поглощенного тепла называется тепловым эффектом реакции.

Экспериментальное определение тепловых эффектов химических реакций проводят в специальных устройствах - калориметрах. Калориметр представляет собой сосуд, снабженный теплоизолирующей рубашкой для уменьшения теплообмена с окружающей средой. Простейший калориметр (рис. 1) состоит из двух стаканов: наружного (1) и внутреннего (2) - собственно калориметра, установленного на теплоизолирующей подставке и снабженного крышкой (3) с отверстиями для термометра (4), воронки (5) и мешалки (6). Чтобы свести потери тепла к минимуму, внутренний стакан не должен касаться стенок внешнего.

Рис. 1. Схема простейшего калориметра: 1 - наружный стакан, 2 - внутренний стакан,

3 - крышка. 4 - термометр, 5 - воронка, 6 - мешалка

Количество теплоты, выделившейся или поглотившейся в ходе реакции, определяется по известной формуле:

Q=K·ΔT, (1)

где К - теплоемкость калориметра, ΔТ - изменение температуры в ходе реакции.

По физическому смыслу теплоемкость калориметра есть количество теплоты, необходимое для нагрева всех его частей на один градус. Она складывается из теплоемкости реакционной раствора (С_рm_р) и теплоемкости внутреннего стакана (С_стm_ст):

К=С_р·m_р + С_ст·m_ст (2)

Поскольку концентрация раствора мала, удельная теплоемкость его принимается равной теплоемкости воды, т.е. 4,18 Дж/г·К; масса раствора известна и теплоемкость раствора легко может быть вычислена. Однако теплоемкость стакана неизвестна и её необходимо определить экспериментально. Поэтому данная работа выполняется в два этапа: 1) определение теплоемкости калориметра (опыты 1 или расчёт); 2) определение теплоты реакции (опыты 2).

Экспериментальная часть

Цель работы. Определить тепловой эффект реакций гашения извести, нейтрализации щёлочи кислотой.

Опыт 1. Определение теплоемкости калориметра с помощью горячей воды

Ход опыта. 1. Записать температуру пустого калориметра (Т₁).

2. В отдельный стакан набрать с помощью мерного цилиндра 100 мл нагре­той до 50 - 60 °С воды, температуру измерить с точностью до 0,1 °С и записать (Т₂). Быстро вылить нагретую воду во внутренний стакан калориметра.Постоянно перемешивая, через каждую минуту замерять температуру воды в калориметре и показания термометра заносить в таблицу:

В ходе измерений наблюдается три периода: 1) температура в калориметре быстро уменьшается (нагревается внутренний стакан калориметра); 2) температура стабилизируется (наступает тепловое равновесие); 3) температура медленно уменьшается (за счет рассеивания тепла). Для расчетов теплоемкости брать температуру второго периода, остающуюся постоянной в течение 2-3 мин. Эту температуру назовём равновесной и обозначим символом θ ( греч.«тэта»)

Количество теплоты, сообщенное калориметрунагретой водой, определяется по уравнению:

Q = С_Н2О ·m_Н2О ·(Т₂- θ) (3)

Количество теплоты, поглощенное калориметром, определяется по уравнению:

Q = К (θ – Т₁) (4)

Поскольку левые части уравнений (3) и (4) равны, то приравниваем правые части и получаем формулу для расчета теплоемкости калориметра:

К = С_Н2О ·m_Н2О ·(Т₂- θ) = 4 ,18·100··(Т₂- θ) (5)

(θ – Т₁) (θ – Т₁)

Определяемая по формуле (5) величина К измеряется в Дж/град.

Вычисление теплоемкости калориметра.

Приблизительное значение теплоемкости калориметра может быть вычис­лено по формуле (2) при следующих условиях и допущениях: 1) внутренний стакан калориметра взвешивается на технохимических весах, рассчитанных на максимальную нагрузку до 500 г; 2) удельная теплоемкость стекла, из которого изготовлен стакан принимается равной 0,75 Дж/(гК).

Опыт 2. Определение теплоты реакции гашения извести

Реакцией гашения извести называется взаимодействие оксида кальция с водой, которое сопровождается выделением тепла и описывается уравнением:

СаО(к) + Н₂О(ж) = Са(ОН)₂(к).

Ход опыта.

1. Во внутренний стакан калориметра налить 100 мл воды, выдержанной при комнатной температуре, температуру записать (Т).

2. На технохимических весах взвесить 5 - 10 гоксида кальция.

3. Всыпать оксид кальция в калориметр. Постоянно перемешивая, через каждую минуту замерять температуру и записывать ее в таблицу, такую же, как в опытах 1 и 2.

В ходе опыта наблюдается три периода: 1) температура повышается, так как идет экзотермическая реакция; 2) температура стабилизируется и некоторое время остается постоянной; 3) температура понижается из-за рассеивания тепла. Для вычисления брать температуру второго периода, обозначив ее θ.

Ход вычислений

1. Вычислить количество тепла, выделившегося в калориметре по формуле:

Q=K·ΔT = K·(θ-Т),

где К - теплоемкость калориметра, рассчитанная или определенная в опытах 1, 2.

2. Исходя из молярной массы и навески оксида кальция, пересчитать полученный результат на тепловой эффект реакции, обозначив его ΔН⁰_оп и выразив его в кДж/моль.

3. Исходя из энтальпий образования СаО (-635,5 кДж/моль), Н₂О

(-285,3 кДж/моль) и Са(ОН)₂ (-986,6 кДж/моль), вычислить теоретическое значение теплового эффекта реакции ΔН⁰_{теорет.}

4. Вычислить ошибку опыта (в %) по формуле:

η= ± ΔН⁰_{теорет.} - ΔН⁰_оп 100%

ΔН⁰_{теорет.}

В выводе указать на возможные причины ошибки опыта.