Определение энтальпии реакции нейтрализации

Государственное общеобразовательное учреждение лицей № 533
«Образовательный комплекс «Малая Охта»
Разработка лабораторной работы
«Определение энтальпии реакции нейтрализации с использованием
цифровой лаборатории «Архимед»
Учитель химии: Кунц Майя Юрьевна
Санкт-Петербург
2011 год
Теоретические основы описываемого эксперимента
При нейтрализации водных растворов сильных кислот растворами сильных
оснований всегда выделяется одинаковое количество теплоты, равное 57,1 кДж на 1
эквивалент кислоты или основания. Реакция нейтрализации фактически сводится к
взаимодействию иона водорода и гидроксид-иона, в результате которого образуются
малодиссоциированые молекулы воды:
Н+ ОН = НОН
По закону постоянства теплоты нейтрализации тепловой эффект реакции
взаимодействия сильной кислоты и сильного основания независимо от природы веществ
равен тепловому эффекту процесса ассоциации воды. Реакция образования 1 моль воды из
ионов при омнатной температуре сопровождается выделением 57,1 кДж тепла. В общем
случае, если в ионную реакцию вступают полностью диссоциированные электролиты и
реакция сводится к взаимодействию каких-либо ионов с образованием
малодиссоциированного вещества, то тепловой эффект такой реакции зависит только от
природы взаимодействующих ионов и не зависит от природы исходных электролитов.
Количество теплоты, выделяющейся при взаимодействии эквивалента кислоты с
эквивалентом основания, называют теплотой нейтрализации.
Если в реакции нейтрализации принимают участие слабые электролиты, то на процесс
нейтрализации накладывается другой процесс – диссоциация слабого электролита, в
результате чего тепловой эффект суммарной реакции оказывается отличным от величины
57,1 кДж/моль.
Для описания реакции нейтрализации недостаточно только знаний о тепловых эффектах,
необходимо учитывать изменение водородного показателя в ходе реакции. Водородный
показатель рН представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода с
обратным знаком:
рН = -lg [ Н ].
Увеличение концентрации щелочи в водном растворе приводит к возрастанию
рН, увеличение концентрации кислоты уменьшает значение рН. Изменение водородного
показателя можно контролировать с помощью кислотно-основных индикаторов, которые
представляют собой слабые органические кислоты(фенолфталеин) или основания
(метилоранж). Применение индикаторов затрудняется тем, что для каждого индикатора
существует определенный интервал окраски. За пределами этого интервала окраска
индикатора остается постоянной вне зависимости от рН. Наиболее удобным для
определения кислотности и щелочности среды является
рН-метр из цифровой
лаборатории «Архимед».
Опыты по определению энтальпии химических реакций проводят с
использованием калориметрических приборов различных конструкций, которые
представляют собой изолированный от теплообмена с внешней средой сосуд с
термометром. Калориметр для ученических экспериментов состоит из реакционного
стакана объемом 200 мл, наружного «кожуха», который играет роль теплоизолятора.
Стакан с раствором необходимо установить на подставку из пенопласта или полистирола,
для снижения теплоотдачи. Наружный «кожух» закрывается крышкой, в которой сделаны
три отверстия: для датчика температуры, датчика рН-метра и для воронки.
Количество теплоты Q, выделившейся или поглощающейся в калориметре, определяют по
формуле:
Q = (t(к) – t(н))· (C1m1 + C2m2)
t(к) – конечная температура;
t(н) – начальная температура;
(C1m1 + C2m2) – теплоемкость системы, которая складывается из теплоемкости
калориметрического сосуда, жидкости в калориметре и стекла;
C1 и m1 – удельная теплоемкость и масса сосуда;
C2 и m2 – удельная теплоемкость и масса жидкости в сосуде.
Для ученического эксперимента удельную теплоемкость растворов принимают за 4,184
кДж/(кг·К), плотность растворов – 1 кг/м куб., удельную теплоемкость стекла – 0,753
кДж/(кг·К).
При расчете тепловых эффектов используют термодинамическую систему знаков и
тепловые эффекты реакций измеряют изменением энтальпии ∆Н. Знак теплового эффекта
определяется уменьшением или увеличением энергии системы. Термохимическая система
знаков определяет знак теплового эффекта с точи зрения уменьшения или увеличения
энергии окружающей среды. По абсолютной величине Q равен ∆Н, но для
экзотермических реакций имеет положительное значение, для эндотермических –
отрицательное.
Возраст учащихся и раздел учебной программы, где может быть использована
данная лабораторная работа
Данная лабораторная работа может быть использована при изучении темы «Реакции
ионного обмена» учащимися 11 класса в разделе «Строение вещества и их свойства» (по
УМК О.С.Габриеляна), а также учащимися 9 класса с углубленным изучением предметов
естественно-научного цикла.
Цели лабораторной работы:
1. Экспериментальное определение энтальпии реакции нейтрализации сильных и
слабых кислот сильными и слабыми основаниями.
2. Исследование изменения водородного показателя в ходе реакции нейтрализации.
Задачи лабораторной работы:
1. Монтаж экспериментальной установки.
2. Использование температурного датчика и датчика рН-метра цифровой лаборатории
«Архимед» для проведения эксперимента.
3. Провести анализ полученных данных.
4. Рассчитать по формуле энтальпию реакций нейтрализации.
Материалы и оборудование:
• 0,1 н раствор серной кислоты;
• 0,1 н раствор уксусной кислоты;
• 0,5 н раствор гидроксида натрия;
• 0,5 н раствор аммиака;
• стеклянный стакан 200 мл;
• воронка стеклянная;
• бюретка;
• «кожух» с крышкой;
• подставка из пенопласта;
• датчик температуры;
• датчик рН-метра;
• соединительные провода;
• Nova
Порядок проведения лабораторной работы
Произвести сборку оборудования по схеме (см.приложение).
Присоединить датчики к Nova.
Включить Nova и запустить программу MultiLab (программы – наука – MultiLab).
В программе MultiLab установить параметры настройки измерений, открыв окно
настроек при помощи кнопки «Настройка»: частота измерений параметров –
каждую секунду, число замеров параметров – 300.
5. В бюретку налить гидроксид натрия.
6. В стакан налить 25 мл серной кислоты, добавив 3 капли фенолфталеина.
7. Установить стакан на подставку и закрыть кожухом с крышкой.
8. В отверстия вставить датчики температуры и рН.
9. Начать регистрацию данных, для чего нажмите кнопку «Старт» на панели
инструментов MultiLab (показатели отображаются на экране в виде графика).
10. По каплям начинаем добавлять гидроксид натрия до изменения цвета индикатора
фенолфталеина (появление розового окрашивания).
11. Остановить регистрацию данных нажатием кнопки «Стоп» на панели
инструментов MultiLab.
12. Если на графике много «изломов», проведите экстраполяцию с помощью кнопки
«Сгладить».
13. Сохранить полученные данные в папке «Энтальпия нейтрализации № 1».
14. Составьте уравнение химической реакции в молекулярном и сокращенном ионном
виде.
15. Рассчитайте энтальпию реакции нейтрализации по табличным данным (см.
приложение).
16. По графику определить изменение температуры раствора в процессе
нейтрализации t(к) и t(н).
17. Рассчитать по формуле энтальпию реакций нейтрализации (значение C1 , m1 ,C2 см.
в приложении).
18. Провести перерасчет энтальпии реакции нейтрализации для 1 моль вещества.
19. Сравнить полученные данные с п.15.
20. Сделать вывод по полученным характеристикам и данным.
1.
2.
3.
4.
Вопросы для обсуждения результатов лабораторной работы
1. Рассмотрите график зависимости температуры и рН от времени, полученный в
результате проведенной лабораторной работы.
2. Какое начальное значение рН?
3. Какое значение рН наблюдаете по окончании реакции нейтрализации?
4. Определите значение ∆рН?
5. Какой объем щелочи добавили в раствор серной кислоты для реакции
нейтрализации?
6. Определите по графику интервал времени между моментами начала реакции
нейтрализации и начала стабилизации рН. Почему временной отрезок резкого
изменения рН меньше времени полного завершения процесса нейтрализации?
7. Используя данные на полученном графике, дайте характеристику реакции
нейтрализации по тепловому эффекту.
8. Как будет изменяться температура в реакционной среде при изменении
концентрации серной кислоты?
Самостоятельная работа:
1 группа: Растворы серной кислоты и аммиака
2 группа: Растворы уксусной кислоты и гидроксида натрия
Задание:
1. Экспериментально определить энтальпию реакции нейтрализации.
2. Рассчитать энтальпию реакции нейтрализации, используя табличные данные
(см.приложение).
3. Сравнить экспериментально полученные данные с расчетами по уравнению
реакции.
4. Сделайте вывод о зависимости энтальпии реакции нейтрализации от природы
реагирующих веществ.
5. Оформить полученные данные в тетради (распечатки графиков и таблиц получить
в информационном центре).
Занятия с использованием ученического и фронтального эксперимента являются
одним из важных этапов образовательного процесса по химии. Во время проведения
лабораторных исследований ученику предоставляется возможность наблюдать и
исследовать на практике теоретические положения, пройденные в рамках аудиторных
занятий. Наглядность дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему,
помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах, повышает интерес к предмету.
Такую наглядность хорошо обеспечивает использование «Цифровых лабораторий
естественных наук». Основной целью создания цифровой лаборатории – является
повышение эффективности учебного процесса, в частности, по химии за счет
использования интерактивности и возможностей деятельностного подхода.
Установка в школе оборудования цифровой лаборатории позволяет:
перевести школьный практикум по химии на качественно новый уровень;
подготовить учащихся к самостоятельной творческой работе по химии;
осуществить приоритет деятельностного подхода к процессу обучения;
развить у учащихся широкий комплекс общих учебных и предметных умений;
овладеть способами деятельности, формирующими познавательную, информационную,
коммуникативную компетенции.