osn.fiz.him_lab2

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный
инженерно-экономический университет»

Кафедра экономики и менеджмента
в нефтегазохимическом комплексе




УТВЕРЖДАЮ


Проректор
по учебно-методической работе
и качеству образования


д.э.н., профессор



__________________В.И. Малюк


«__05__»__апреля___2010 г.


Рег. № __М-876__



ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Методические указания
к выполнению лабораторной работы
на тему «Тепловые эффекты химических реакций
и процессов растворения»
для студентов всех форм обучения


Специальность: 220701 – Менеджмент высоких технологий




Санкт-Петербург
2010
Допущено
редакционно-издательским советом СПбГИЭУ
в качестве методического издания




Составитель
канд. хим. наук, доц. И.А. Черепкова



Рецензент
канд. техн. наук, проф. Е.Е. Никитин




Подготовлено на кафедре
экономики и менеджмента в нефтегазохимическом комплексе




Одобрено научно-методическим советом
специальности 220701 – Менеджмент высоких технологий


Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета,
представленного составителем





( СПбГИЭУ, 2010
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Знание тепловых эффектов химических реакций и процессов растворения имеет очень важное значение в химической технологии при расчете тепловых балансов процессов и при проектировании аппаратуры и оборудования. Тепловые эффекты определяют расчетным или опытным путем.

1.1.Термохимические расчеты

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса, устанавливающий независимость тепловых эффектов изобарных и изохорных процессов от пути проведения (промежуточных стадий) этих процессов. Использование этого закона дает возможность определять тепловые эффекты таких процессов, которые не удается изучить непосредственно, а также позволяет рассчитывать тепловые эффекты на основе использования стандартных энтальпий образования (13EMBED Equation.31415), имеющихся в справочной литературе. В последнем случае расчет стандартного теплового эффекта () некоторого процесса 13EMBED Equation.31415 следует проводить по уравнению:


13EMBED Equation.31415,
(1)


где индексы j и i использованы для обозначения начальных и конечных веществ соответственно.
В термодинамической системе знаков положительные значения тепловых эффектов соответствуют эндотермическим процессам (тепло поглощается). Расчет тепловых эффектов при температурах, отличных от стандартной (298 К), проводят с использованием истинных (Сp) или средних (13EMBED Equation.31415) теплоемкостей, определяемых соотношениями:


13EMBED Equation.31415; 13EMBED Equation.31415.
(2)

Связь между этими параметрами задается уравнением:

13EMBED Equation.31415.


(3)

Величины 13EMBED Equation.31415 различных веществ могут быть найдены в справочниках или рассчитаны по уравнению (3).
При расчетах с использованием средних теплоемкостей необходимо применять только те значения 13EMBED Equation.31415, которые относятся к рассматриваемому температурному интервалу.
Зависимость Cp = f(T) обычно представляют в форме многочлена (полинома) с эмпирическими коэффициентами.
Для простых и неорганических веществ:

13EMBED Equation.31415

(4)

Для органических веществ:

Сp = a + bT + cT2.
(5)

Для расчета тепловых эффектов применяют уравнение Кирхгоффа с использованием истинных или средних теплоемкостей:

13EMBED Equation.31415

13EMBED Equation.31415,


(6)


(7)

где13EMBED Equation.31415.
Значения коэффициентов полиномов Сp = f(T) имеются в справочниках.

1.2. Термохимические измерения

Термохимические измерения называются калориметрией. Cодержание калориметрии – измерения теплоемкостей систем различного состава, тепловых эффектов химических реакций и физико-химических процессов, установление зависимости тепловых эффектов от параметров состояний.
Для измерений тепловых эффектов служат калориметры (или калориметрические системы). Калориметрическая система – это реактор, помещенный в оболочку. Оболочка предотвращает тепловой обмен между реактором и окружающей средой (изолированная система) или облегчает учет такого обмена (закрытая система).
Изменение энтальпии веществ, находящихся в реакторе, повышает или понижает его температуру. Изменение температуры 13EMBED Equation.31415Т регистрируют подходящим прибором. Умножив 13EMBED Equation.31415Т на среднюю теплоемкость калориметрической системы Ск.с., получают искомую величину 13EMBED Equation.31415Н. Наоборот, сообщив реактору определенное количество теплоты, можно определить теплоемкость реактора Ск.с.. Получаемые величины 13EMBED Equation.31415Н или Ск.с. тем точнее отвечают определенным температурам, чем меньше интервал 13EMBED Equation.31415Т и чем точнее он измерен.
Калориметры обычно подразделяют на калориметры с постоянной температурой и калориметры с переменной температурой. В первых оболочка содержит плавящиеся твердые вещества или испаряющуюся жидкость. Во время опыта температура в таком калориметре остается постоянной, потому что вся теплота, сообщаемая системе, идет на изменение агрегатного состояния вещества. О тепловом эффекте судят по количеству расплавившегося вещества.
В калориметрах переменной температуры возможны два способа измерений:
адиабатический, когда теплообмен отсутствует и, значит, реактор является изолированной системой;
диатермический, когда реактор обмениваются теплотой с изотермической оболочкой (реактор – закрытая система).
Калориметры применяют для измерений теплоемкостей, теплот агрегатных переходов, сгорания и других химических реакций. К важнейшим тепловым эффектам в растворах относятся: теплота нейтрализации и теплота растворения.
Теплота нейтрализации. Экспериментально установлено, что реакция нейтрализации моля любой сильной одноосновной кислоты (HCl, HNO3, и т.п.) сильными основаниями (NaOH, KOH и т.п.) в достаточно разбавленных водных растворах сопровождается почти одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, при 298 К примерно равным –55,900 кДж/моль. Этот тепловой эффект отвечает реакции образования жидкой воды из гидратированных ионов водорода и гидроксила:

H+ · aq + OH– · aq H2O (ж.)
8

Например, реакцию между HCl и NaOH в разбавленных водных растворах можно записать в виде:

Na+·aq+OH-·aq+H+·aq+Cl–·aq Na+·aq+Cl–·aq+H2O (ж.)
9

Как видно, эта реакция сводится к приведенной выше реакции образования воды из ионов водорода и гидроксила, поскольку ионы Na+·aq и Сl–·aq остаются в неизмененном виде.
Нейтрализация слабой кислоты сильным основанием (или слабого основания сильной кислотой) сопровождаются одновременной диссоциацией слабого электролита с тепловым эффектом 13EMBED Equation.31415Hдисс. Эта теплота складывается из эндотермического эффекта диссоциации и экзотермического эффекта гидратации ионов. Сумма последних двух тепловых эффектов в зависимости от природы электролитов различается как знаком, так и значением. Вследствие этого теплота нейтрализации отличается от теплоты реакции образования воды из ионов (теплота нейтрализации HCN едким натром равна – 10,290 кДж/моль, едким кали равна – 63,850 кДж/моль). Теплоту диссоциации вычисляют по уравнению:

13EMBED Equation.31415Hдисс = 13EMBED Equation.31415Нслаб – 13EMBED Equation.31415Нсильн
10

Интегральной теплотой растворения 13EMBED Equation.31415Нт называют теплоту, выделяющуюся (поглощаемую) при растворении моля вещества в такой массе растворителя, чтобы получился раствор концентрации т. В зависимости от природы растворяемого вещества и растворителя, ее значение может достигать десятков килоджоулей на 1 моль растворенного вещества. Теплоты растворения газов близки к теплотам их конденсации, а некоторых твердых веществ – к теплоте плавления.
Теплоты растворения твердых веществ, в том числе ионных кристаллов, состоят из поглощаемой теплоты разрушения кристаллической решетки с удалением образовавшихся частиц на расстояния, отвечающие объему раствора, и выделяемой теплоты сольватации. Сольватацией называется взаимодействие ионов или молекул растворенного вещества с молекулами растворителя. Если растворителем является вода, то сольватацию называют гидратацией. Каждый из этих эффектов достигает сотен и тысяч кДж/моль. Сумма их имеет порядок единиц и десятков кДж/моль. Знак суммарного теплового эффекта зависит от того, какое из двух слагаемых больше по абсолютному значению. Если растворяемое вещество в индивидуальном виде состоит из молекул, а в растворе диссоциирует на ионы (минеральные и органические кислоты и основания), то в теплоту растворения входит теплота диссоциации. Интегральная теплота растворения зависит от концентрации раствора.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Описание установки

Схема калориметра, используемого в данной лабораторной работе, показана на рисунке.
Основу установки составляет калориметрический стакан, в качестве которого использован сосуд Дьюара (1). Единый тепловой режим в системе устанавливается с помощью магнитной мешалки (2). Точная дозировка тепла, вводимого в калориметр, осуществляется с помощью электронагревателя (5), связанного с блоком питания (6). Чувствительным элементом является термосопротивление (термистор) (7), соединенный с измерительным прибором (8). Расчет температуры проводится по формуле


13 EMBED Equation.3 1415,
(11)


где T – температура, К;
R – измеренное сопротивление, кОм;
A и B – коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого термистора по эталонным температурам.
Исследуемое вещество, вводимое в калориметрическую жидкость (при измерении теплоты нейтрализации и растворения), до начала опыта находится в пробирке (4).

2.2. Измерение теплоемкости калориметрической
системы

Собрать калориметрическую установку. Залить в калориметрический стакан (1) исследуемую жидкость (250 мл), а в пробирку (4) – навеску исследуемого вещества: кислоты (при определении теплоты нейтрализации) или растворяемого вещества (при определении интегральной теплоты растворения). Если целью работы является определение теплоемкости жидкости, пробирка (4) в работе не используется. Далее следует включить и отрегулировать магнитную мешалку (2), добиваясь эффективного перемешивания жидкости

4





5 7


1 3







2




Схема устройства калориметра:
1 – сосуд Дьюара; 2 – магнитная мешалка; 3 – калориметрическая жидкость; 4 – пробирка с исследуемым веществом; 5 – электронагреватель; 6 – блок питания нагревателя; 7 – термосопротивление (термистор); 8 – прибор для измерения сопротивления (омметр) Щ 68003
Затем необходимо включить измерительный прибор и дождаться установления неизменного показания на его индикаторе (R1); записать эту величину в отчет. Включить электронагреватель (5), одновременно пустив секундомер. Пропускать ток через нагреватель в течение 6 мин., после чего выключить нагреватель и остановить секундомер (мешалку не выключать). Вновь дождаться неизменного показания прибора (R2) и его также записать в отчет. Для повышения точности измерений опыт следует продублировать.
Расчет теплоемкости калориметрической системы проводится по уравнению:

13EMBED Equation.31415,

(12)

где: I – ток нагревателя;
U – напряжение на нагревателе;
( – время пропускания тока через нагреватель;
(T = T2 – T1 – разность температур до и после пропускания тока через нагреватель.

2.3. Определение эквивалентной теплоты нейтрализации кислоты

2.3.1. Методика выполнения работы
Работа состоит из двух частей
1. Определение теплоемкости калориметрической системы 13EMBED Equation.31415к.с..
Залить в калориметр 250 мл воды и 20 мл 15 % раствора гидроксида натрия, а в пробирку – 15 мл кислоты. Провести определение теплоемкости калориметрической системы 13EMBED Equation.31415 в соответствии с п. 2.2

2. Определение теплоты нейтрализации.
Не включая нагреватель, при работающей мешалке записать показание прибора (R1), затем вылить кислоту из пробирки в раствор щелочи, находящийся в калориметрическом стакане, вернув пустую пробирку на прежнее место. Дождаться установления теплового режима калориметра и записать установившееся показание прибора (R2).
Изменение теплоты калориметра за счет теплоты, выделившееся при реакции нейтрализации (H находят по формуле

(H = 13EMBED Equation.31415(Т2 – Т1),
(13)

где Т1 – температура до вливания кислоты, Т2 – температура, установившаяся после реакции нейтрализации.
Теплота нейтрализации рассчитывается по формуле

(Ннейтр = 13EMBED Equation.31415,
(14)

где: Ск – концентрация (нормальность) кислоты, моль экв/л;
Vк – объем кислоты.

2.3.2. Форма отчета
1. Определение теплоемкости калориметрической системы 13EMBED Equation.31415к.с.


опыта
R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К
I, А
U, B
(, с
13EMBED Equation.31415к.с., Дж/К

1









2









Среднее значение 13EMBED Equation.31415к.с.


2. Определение эквивалентной теплоты нейтрализации
·Hнейтр
R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К






Исходные данные: Vк = 15 мл, СHCl =

·H =

·Hнейтр =

2.4. Определение интегральной теплоты растворения вещества с образованием раствора заданной концентрации

2.4.1. Методика выполнения работы
Работа состоит из двух частей
1. Определение теплоемкости калориметрической системы 13EMBED Equation.31415к.с..
Залить в калориметр 250 мл растворителя (воды), в пробирку поместить рассчитанное количество исследуемого вещества. Расчет навески g проводится по формуле:


g = (m · M)/4,
(15)


где: m – моляльность раствора в соответствии с заданием;
M – мольная масса растворяемого вещества.
Провести определение теплоемкости калориметрической системы (13EMBED Equation.31415к.с.) - в соответствии с п. 2.2.

2. Определение интегральной теплоты растворения (Нm
Не включая нагреватель, при работающей мешалке записать показание прибора (R1), затем ввести навеску вещества в растворитель. Не выключая мешалки, дождаться полного растворения навески и установления неизменного показания прибора R2.
Изменение теплоты калориметра за счет растворения соли находят по формуле:

(H = 13EMBED Equation.31415(Т2 – Т1),
(16)

Где Т2 - температура до всыпания соли, Т3 – температура, установившаяся после растворения соли.
Интегральную теплоту растворения находят по формуле:

(Hm = 13EMBED Equation.31415,

(17)


2.4.2. Форма отчета
1. Определение теплоемкости калориметрической системы 13EMBED Equation.31415к.с..


опыта
R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К
I, А
U, B
(, с
13EMBED Equation.31415к.с., Дж/К

1









2









Среднее значение 13EMBED Equation.31415к.с.


2. Определение интегральной теплоты растворения (Нm
Исходные данные: m = моль/1000 г Н2О; g =

R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К






(H =
(Hm =

2.5. Измерение удельной теплоемкости
жидкости (раствора)

2.5.1. Методика выполнения работы
Работа состоит из двух частей.
1 .Определение теплоемкости калориметра 13EMBED Equation.31415кал
Залить в калориметрический стакан 250 мл дистиллированной воды, провести определение теплоемкости калориметрической ситемы 13EMBED Equation.31415 в соответствии с п.2.2.
Теплоемкость калориметра без жидкости 13EMBED Equation.31415к.с. определяется по формуле

13EMBED Equation.31415,


(18)

где 13EMBED Equation.31415 – теплоемкость калориметра с водой;
13EMBED Equation.31415 = 250 г (масса воды);
13EMBED Equation.31415 – удельная теплоемкость воды (4,184 Дж/(гК)
Для повышения точности измерений опыт проводят дважды, определяя среднее значение 13EMBED Equation.31415кал..

2. Определение теплоемкости жидкости Ср
Заменить воду в калориметрическом стакане исследуемой жидкостью (раствором) – 250 мл и вновь провести определение теплоемкости системы с исследуемым веществом (13EMBED Equation.31415к.с.)ж. Опыт продублировать.
Удельная теплоемкость жидкости рассчитывается по формуле

13EMBED Equation.31415,

(19)

где g – масса исследуемой жидкости.

2.5.2. Форма отчета

1. Определение теплоемкости калориметра (13EMBED Equation.31415кал)


опыта
R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К
I, А
U, B
(, с
13EMBED Equation.31415, Дж/К

1









2









Среднее значение 13EMBED Equation.31415к.с.


13EMBED Equation.31415кал =

2. Определение удельной теплоемкости жидкости (Ср):


опыта
R1, кОм
R2, кОм
Т1, К
Т2, К
I, А
U, B
(, с
(13EMBED Equation.31415к.с.)ж Дж/К

1









2









Среднее значение (13EMBED Equation.31415к.с.)ж

g = ,
13EMBED Equation.31415
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономарева – СПб.: Иван Федоров, 2002.
ПРАКТИЧЕСКИЕ работы по физической химии: Учебное пособие / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя, А.М. Пономаревой – СПб.: Профессия, 2002.
Физическая химия: Учебник для вузов / Под ред. К.С. Краснова. Т.1,2. – М.: Высш. шк., 2002.











13PAGE 141015



8


6




Приложенные файлы

  • doc 18065197
    Размер файла: 383 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий