Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием и расчет энергии Гиббса реакции.

Для измерения тепловых эффектов реакции используют калориметр (рис 1). В наружный сосуд (стакан на 0,8 л) вставляют калориметрический стакан меньшей вместимости (0,5 л). Калориметрический стакан закрывают деревянной крышкой с отверстиями для термометра (цена деления 0,1 К), мешалки и воронки. Мешалку присоединяют к электромотору или приводят в движение вручную.

Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся в калориметре, вычисляют по формуле: q = ∑ с (Т₂ - Т₁),

где Т₂ и Т₁ – конечная и начальная температуры жидкости в калориметрическом стакане; ∑ с – теплоемкость системы, равная с ₁ m ₁ + с ₂ m ₂ (m ₁ и m ₂ - масса калориметрического стакана и жидкости в стакане; с ₁ и с ₂ – удельные теплоемкости стекла и жидкости).

Согласно теории электролитической диссоциации нейтрализация сильной кислоты сильным основанием в разбавленном растворе отвечает уравнению Н⁺ + ОН^- = Н₂О. Стандартная теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием равна при 298 К – 57 кДж на один моль образующейся воды. Термохимическое уравнение реакции нейтрализации имеет вид

Н⁺ (ж) + ОН^- (ж) = Н₂О (ж), ∆ Н⁰₂₉₈ = -57 кДж/моль

В опыте используют 1М растворы КОН, NаОН, НСl, НNО₃. Для нейтрализации берут равные объемы (120 –180 мл) растворов кислоты и щелочи.

Получив задание, взвесьте сухой калориметрический стакан (с точностью до 0,1 г). Соберите калориметрическую установку по рисунку и через воронку 2 налейте в сосуд заданный объем 1 М раствора щелочи; запишите температуру раствора щелочи Т_щ с точностью до 0,1 К. Налейте в мерный цилиндр такой же объем 1 М раствора кислоты и измерьте температуру раствора Т_к с той же точностью. Начальная температура смеси кислоты и щелочи Т₁ – среднее арифметическое от Т_щ и Т_к. При работающей мешалке 1 через воронку 2 быстро влейте кислоту в каориметрический стакан и отметьте самую высокую температуру Т₂, которую покажет термометр 6 после сливания растворов. Данные опыта сведите в таблицу:

По полученным данным определите:

1. Разницу температур (Т₂ – Т₁).

2. Массу жидкости (m ₂) в калориметрическом стакане (при расчете считать плотность жидкости равной единице).

3. Теплоемкость системы [при расчете считать удельную теплоемкость стекла с ₁ = 0,75 ^. 10³ Дж/(кг ^. К), а удельную теплоемкость раствора с ₂ = 4,18^. 10³ Дж/(кг ^. К)].

4. Количество теплоты (q), выделившейся при реакции.

5. Число молей нейтрализованной кислоты (щелочи) или число молей полученной воды (n H₂O), учитывая заданную молярную концентрацию и объем раствора.

6. Теплоту нейтрализации ∆H⁰_т (кДж/моль H₂O).

7. Изменение энтропии ∆S⁰_т [Дж/(моль^. К)].

8. Энергию Гиббса реакции нейтрализации ∆G = ∆H⁰_т - T∆S⁰_т (кДж/моль).

Запишите термохимическое уравнение проведенной реакции нейтрализации. Объясните убыль (а не прирост) энтропии в процессе нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Сделайте вывод о соответствии найденной вами величины ∆G⁰_т самопроизвольному течению реакции нейтрализации.

Вопросы и задания

1. Дайте определение энтальпии (H), энтропии (S), потенциала Гиббса (G) и их стандартных величин.
2. Напишите уравнения, связывающие следующие величины: ΔG и T, ΔH и ΔS; ΔG и K равновесия; ΔG^° и E^°.
3. Что характеризуют равенство ΔG^°= 0 и неравенство ΔG^°< 0, ΔG^°> 0?
4. При каких условиях энтальпийный фактор определяет самопроизвольное протекание химического процесса?
5. При каких условиях энтропийный фактор определяет самопроизвольное протекание химического процесса?