Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Химическая термодинамика

1. Определение изменения энтальпии реакции нейтрализации
Для проведения эксперимента необходимо взять (по указанию преподавателя) один из растворов сильной кислоты (HCl, H2SO4, HNO3) и один из растворов щелочи (NaOH, KOH) заданных концентраций. Составьте уравнение реакции между указанными кислотой и щелочью в молекулярном и ионном виде.
Опыт проводят в калориметрической установке, упрощенная схема которой показана на рисунке 1. Установка состоит из двух алюминиевых стаканов, вставленных один в другой и изолированных друг от друга корковыми или резиновыми прокладками в целях уменьшения потерь тепла. Во внутренний стакан калориметра помещается стеклянный химический стакан, в котором и проводится опыт.

Рис.1. Схема калориметрической установки
Взвесьте калориметрический стеклянный стакан. Измерьте его диаметр и высоту с точностью до 1 мм. При помощи мерных цилиндров точно отмерьте равные объемы (20‑25 мл, объем указывает преподаватель) растворов кислоты и щелочи равных концентраций; при этом необходимо воспользоваться разными цилиндрами, маркированными соответственно буквами «К» и «Щ». В стеклянный стакан калориметра, предварительно вытащив его из калориметрической установки, аккуратно, без потерь, внесите отмеренный объем раствора щелочи. Стакан с раствором щелочи вновь поместите в калориметрическую установку. Измерьте температуру раствора кислоты при помощи ртутного термометра с точностью до 0,10С. Ополоснув термометр дистиллированной водой, c той же точностью измерьте температуру раствора щелочи, находящегося в стеклянном стакане калориметра. Не вынимая термометра из раствора щелочи, быстро и без потерь прилейте к нему весь раствор кислоты. При помощи термометра аккуратно перемешайте полученный раствор и отметьте максимальную температуру, которую покажет термометр. После этого вытащите стеклянный стакан из калориметрической установки и измерьте высоту столба жидкости в нем. С помощью ареометра измерьте плотность полученного раствора.
Результаты опыта внесите в таблицу.
На основании полученных данных рассчитайте изменение энтальпии реакции нейтрализации.

Пояснение к расчетам:
Вычисление теплоты, выделившейся в ходе опыта, проводится по формуле:

Q = (m_р‑раС_р‑ра + m_стеклаС_стекла)Δt  (Дж),

где Δt = t_кон. – t_нач; С_р‑ра и С_стекла – удельные теплоемкости раствора (С_р‑ра примем равной теплоемкости воды, С_воды = 4,184 Дж/г К) и стекла (С_стекла = 0,753 Дж/г К); m_р‑ра и m_стекла – массы раствора после проведения реакции и стакана, занятого раствором. Массу раствора можно определить, зная его плотность и объем (определяем как сумму объемов исходных растворов кислоты и щелочи, при этом, правда, пренебрегаем контракцией). Массу стакана, занятого раствором, можно оценить по пропорции, предварительно вычислив его общую площадь и площадь, занятую раствором.
2. Зная концентрации и объемы исходных растворов, вычислить количества n кислоты и щелочи, взятые для проведения реакции. По найденной величине сделать пересчет выделившегося количества тепла на 1 моль Н+ (ОН‑).
3. Рассчитать значение изменения энтальпии реакции нейтрализации по табличным данным (ΔНобр.0(Н+) = 0, ΔНобр.0(ОН‑) =‑230,19, ΔНобр.0(Н2О(ж)) = ‑285,83 кДж/моль). Определить (в %) относительную ошибку опыта.

Почему реакция нейтрализации сопровождается выделением тепла? Почему тепловой эффект реакции нейтрализации сильного основания сильной кислотой не зависит от природы кислоты и основания? относится ли то же самое к слабым кислотам и основаниям и почему?

2. Определение вероятности протекания реакции
Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций растворения сульфидов марганца, железа, меди и цинка в разбавленной серной кислоте и, выполнив по данным таблицы необходимые расчеты, определите, растворение каких сульфидов термодинамически вероятно, а каких – нет.
Пользуясь растворами солей марганца, железа, меди и цинка и раствором сульфида натрия, осадите в четырех пробирках указанные сульфиды, осадки промойте дистиллированной водой методом декантации, а затем добавьте к каждому из них 2‑3 мл разбавленного раствора серной кислоты. Что происходит? Сравните данные опыта с результатами расчета.

3. Выбор направления протекания реакции

Между ионами Э³⁺ и S^2‑ в водном растворе возможно либо обменное взаимодействие, либо взаимно усиливающийся гидролиз, либо окислительно‑восстановительная реакция, если степень окисления +3 у элемента не слишком устойчива и может понижаться до +2:

2Э³⁺ + 3S^2‑ → Э₂S₃

2Э³⁺ + 3S^2‑ + 6Н₂О →2Э(ОН)₃ + 3Н₂S

2Э³⁺ + 3S^2‑ → 2ЭS + S

Пользуясь данными таблицы, выполните необходимые расчеты и выясните, какой из этих вариантов реакций наиболее термодинамически вероятен при взаимодействии сульфида натрия с солями трехзарядных катионов железа, алюминия, хрома и висмута. По каким внешним признакам в каждом конкретном случае можно определить, по какому пути пошла реакция?
В три пробирки налейте по 1‑2 мл растворов указанных солей и добавьте по 1 мл раствора сульфида натрия. Что наблюдается в каждом случае? Совпадает ли прогноз с результатами опыта?