المحتوى الحراري للتفاعل

المفاهيمتحضير المدرّسبروتوكول الطالب
0 مشاهدات03:37 د
Print Procedure Steps
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المصدر: سماء كريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية

  1. جمع البيانات لحساب السعة الحرارية لمقياس حرارة< فئة الزر ="توسيع">توسيع

    ستستخدم هذه التجربة مسعر ضغط ثابت مصنوع من كوبين من البوليسترين مكدسين وغطاء من الورق المقوى ومسبار يقيس درجة حرارة المحلول في الوقت الفعلي. البوليسترين هو عازل جيد ، لذلك يمكنك افتراض أنه لا يتم تبادل الحرارة بين داخل وخارج الأكواب. سوف يمتص المسعر نفسه بعض الحرارة ، والتي ستأخذها في الحسبان عن طريق حساب سعته الحرارية.

    في الجزء الأول من هذه التجربة ، ستضيف الماء الساخن إلى الماء البارد في المسعر وتقيس زيادة درجة الحرارة. بعد التجربة ، ستحسب مقدار الحرارة التي فقدها الماء الساخن في المسعر ، بدلا من الماء البارد.

    • ارتد معطف المختبر ونظارات واقية أو نظارات واقية مقاومة للرذاذ وقفازات يمكن التخلص منها. تأكد من أن شفاط الدخان نظيف وجاهز للاستخدام وأن الأواني الزجاجية نظيفة وغير تالفة.
    • لبدء المختبر ، قم بتكديس كوبين من البوليسترين لتشكيل وعاء المسعر المعزول. ضع شريط تحريك مغناطيسي في المسعر.
    • قم بقياس الكتلة المركبة للأكواب الفارغة وقضيب التحريك على ميزان تحميل علوي صفري. سجل هذا في دفتر المختبر الخاص بك ككتلة المسعر الفارغة وعد إلى غطاء الدخان الخاص بك.

      الجدول 1: معايرة المسعر

      المسعر الفارغ الشامل (ز) المسعر الشامل + الماء البارد (غ) كتلة الماء البارد (غ) [ت]باردة أولية ([ك]) Tالساخنة الأولية (ºC) المسعر الشامل + مزيج الماء البارد والساخن (غ) كتلة الماء الساخن (غ) Tنهائي (درجة مئوية) ΔTحار (K) ΔTبارد (K) السعة الحرارية النوعية للماء (J / g · K) 4.184 السعة الحرارية للكالوريمتر (J / K) انقر هنا لتنزيل الجدول 1
    • قم بقياس 50 مل من ماء الصنبور البارد واسكبه في المسعر. قم بقياس الكتلة المجمعة ، وسجلها في دفتر المختبر الخاص بك ، وأعد المسعر إلى محطة العمل الخاصة بك.
    • احسب كتلة الماء البارد ، أو مبارد ، عن طريق طرح كتلة المسعر الفارغ من كتلة المسعر الذي يحتوي على الماء البارد.
    • قم بقياس 50 مل من الماء منزوع الأيونات واسكبه في دورق سعة 150 مل. ضع الدورق على لوح ساخن تحت مشبك مقياس الحرارة وقم بتثبيت مقياس حرارة رقمي في الماء.
    • ضع المسعر في وسط لوح تحريك صغير تحت مشبك مقياس حرارة آخر وقم بتغطيته بغطاء من الورق المقوى به ثقب في المنتصف.
    • قم بتشغيل جهاز تسجيل البيانات الخاص بك وتكوينه لتسجيل درجة الحرارة بمرور الوقت. اضبط معدل تسجيل البيانات على قراءتين في الثانية ومدة التسجيل على 600 ثانية.
    • أدخل مسبار درجة الحرارة من خلال الفتحة الموجودة في غطاء المسعر وقم بتثبيته في مكانه. يجب دائما تثبيت المسبار على ارتفاع كاف بحيث يمكنك رفع الغطاء.
    • <فئة div = "خطوة المختبر"> ابدأ تشغيل محرك التحريك ، وقم بزيادة سرعة الدوران حتى يتم تحريك شريط التحريك بثبات في المسعر.
    • بمجرد أن تستقر درجة الحرارة الموضحة على جهاز الحصول على البيانات إلى 0.1 درجة مئوية زائد أو ناقص ، قم بتسجيلها في دفتر ملاحظات المختبر الخاص بك على أنها Tبارد.
    • بعد ذلك ، قم بتشغيل لوح التسخين ومراقبة درجة حرارة الماء باستخدام مقياس الحرارة الرقمي. أثناء الانتظار ، أحضر بعض المناشف الورقية إلى غطاء الدخان الخاص بك.
    • بمجرد أن يصل الماء إلى 60 درجة مئوية ، قم بإيقاف تشغيل اللوح الساخن. قم بإزالة مسبار درجة الحرارة من الماء البارد ، وامسحه ، واحتفظ به أو ثبته في الماء الساخن. تأكد من أن المسبار لا يلمس الجزء السفلي من الدورق مع استقرار قراءة درجة الحرارة.
    • سجل درجة الحرارة في دفتر ملاحظات المختبر على أنها حرف Tالساخن. ثم قم بإزالة المسبار من الماء الساخن ، وامسحه ، وأعده إلى المسعر.
    • بمجرد استقرار قراءة درجة الحرارة ، ابدأ في جمع البيانات وانتظر حتى يسجل الجهاز بضع ثوان من البيانات.
    • ثم اسكب الماء الساخن بحذر في المسعر. راقب قراءة درجة الحرارة كمزيج من الماء الساخن والبارد.
    • بمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى الحد الأقصى ، مما يعني أن درجة الحرارة لم تعد ترتفع ، استمر في جمع البيانات لمدة 5 - 6 دقائق للتأكد من تسجيل درجة حرارة التوازن.
    • بعد ذلك، أوقف جمع البيانات وقم بتسمية البيانات "معايرة". قم بإزالة المسبار والغطاء من المسعر واتركهما جانبا.
    • قم بقياس كتلة المسعر المملوء بالماء على ميزان التحميل العلوي.
    • سجل الكتلة في دفتر المختبر الخاص بك وأعد المسعر إلى غطاء الدخان.
    • احسب كتلة الماء الساخن ، أو mالساخن ، عن طريق طرح كتلة المسعر الذي يحتوي على الماء البارد من كتلة المسعر الذي يحتوي على الماء الساخن والبارد المختلط.
    • قم بإزالة شريط التحريك المغناطيسي من المسعر وصب الماء في الحوض.
    • <فئة div = "خطوة المختبر">جفف المسعر وشريط التحريك جيدا وأعد شريط التحريك إلى المسعر قبل المتابعة.
  2. Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)< button class="expand">توسيع

    هذا هو رد الفعل الأول الذي ستقوم به في المسعر. هنا ، يتأكسد معدن المغنيسيوم إلى المغنيسيوم 2+ ويتم تقليل H + إلى غاز الهيدروجين. ستستمر في العمل في غطاء الدخان بسبب المخاطر المرتبطة بالمواد المتفاعلة ومنتجات هذا التفاعل. الشريط المعدني المغنيسيوم متفاعل مع الماء وقابل للاشتعال. حمض الهيدروكلوريك مادة أكالة وسامة ، كما أن غاز الهيدروجين قابل للاشتعال.

    • إنشاء مجموعة بيانات جديدة يتم تشغيلها بنفس الإعدادات كما كان من قبل.
    • قم بتسمية دورق سعة 600 مل لنفايات المغنيسيوم المائية ، والتي يجب التخلص منها بشكل منفصل في نهاية المختبر.
    • احصل على شريط المغنيسيوم ، والذي يتم توفيره في شرائط مقطوعة مسبقا من 0.45 إلى 0.55 جم. ضع قطعة واحدة من الشريط في قارب وزن وأعدها إلى غطاء المحرك.
    • بعد ذلك ، استخدم منشفة ورقية وورق صنفرة لتلميع شريط المغنيسيوم ، مما يكشف عن مادة فضية لامعة. يزيل التلميع الطبقة الخارجية من أكسيد المغنيسيوم التي تتشكل عند تعرض معدن المغنيسيوم للهواء.
    • قم بقص شريط المغنيسيوم المصقول إلى قطع بطول 0.5 إلى 1 سم في قارب الوزن.
    • استخدم ميزانا تحليليا وقارب وزن ثان ذو قطران لقياس الكتلة الدقيقة للمغنيسيوم. سجل الكتلة في دفتر المختبر الخاص بك. بعد ذلك ، تخلص من قارب الوزن الإضافي وأعد قطع المغنيسيوم إلى غطاء الدخان.

      الجدول 2: التفاعل الأول ملغم + 2 حمض الهيدروكلوريك

      كتلةملغنيسيوم (غ) تمت إضافة حجمحمض الهيدروكلوريك (مل) [ت] أولية ([ك]) [ت]نهائية ([ك]) ΔTملغ + حمض الهيدروكلوريك (ك) كثافةحمض الهيدروكلوريك (جم / مل) 1.039 كتلةحمض الهيدروكلوريك (ز) محلول الكتلة (ز) سعة حرارية محددة تبلغ 2 م حمض الهيدروكلوريك (J / g ·K) 3.98 ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ) الكاشف المحدد (مول) العائد النظري (مول) ΔHMg + 2H+ (kJ / mol) انقر هنا لتنزيل الجدول 2
    • الآن ، أحضر دورق سعة 150 مل وزجاج ساعة إلى غطاء الدخان لتوزيع حمض الهيدروكلوريك ، واسكب بعناية حوالي 110 مل من 2.0 M HCl في الدرق. قم بتغطية الدورق ونقله مرة أخرى إلى غطاء المحرك.
    • استخدم أسطوانة متدرجة سعة 50 مل لإضافة 100 مل من 2 M HCl إلى المسعر الجاف. سجل الحجم الإجمالي لحمض الهيدروكلوريك المضاف وتحييد أي قطرات من الحمض المنسكب.
    • ثم ضع المسعر على لوح التحريك ، وقم بتغطية المسعر ، وقم بتثبيت مسبار درجة الحرارة في مكانه.
    • اضبط محرك التحريك على سرعة متوسطة إلى عالية وابدأ في تسجيل بيانات درجة الحرارة. انتظر حتى يتم جمع 30 ثانية من البيانات حتى تحصل على درجة حرارة أولية دقيقة.
    • ثم ارفع غطاء الورق المقوى وأضف قطع المغنيسيوم إلى المسعر دفعة واحدة.
    • اضبط سرعة التقليب بحيث يتم تحريك القطع بسرعة. ملاحظه: من المهم تقليب الخليط جيدا لإذابة أكبر قدر ممكن من المغنيسيوم في الحمض.
    • الآن ، أغلق المسعر وراقب قراءة البيانات مع زيادة درجة الحرارة. بمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى الحد الأقصى ، اسمح بجمع البيانات بالاستمرار لمدة خمس دقائق أخرى. ثم أوقف جمع البيانات وقم بإيقاف تشغيل محرك التقليب.
    • لتجنب التلوث المتبادل في تجربتك التالية ، اشطف مسبار درجة الحرارة جيدا بالماء منزوع الأيونات واجمع الشطف في دورق النفايات.
    • ثم قم بإزالة المسعر من لوحة التقليب واسترجع شريط التحريك بالملقط. نظف شريط التحريك والملقط بنفس الطريقة.
    • صب محتويات المسعر في النفايات واغسل المسعر جيدا بالماء منزوع الأيونات. جفف المسعر بالمناشف الورقية.
    • قم بتبديل ترتيب تكديس أكواب البوليسترين لتوفير سطح داخلي نظيف للتفاعل التالي. جفف الملقط وشريط التقليب ومسبار درجة الحرارة وأعد شريط التقليب إلى المسعر.
  3. MgO(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2O(l)< button class="expand">Expand

    هذا هو رد الفعل الثاني الذي ستقوم به في المسعر. هذا تفاعل حمضي قاعدي يقوم فيه أكسيد المغنيسيوم بتحييد حمض الهيدروكلوريك كما كان من قبل ، سيبقى كلوريد المغنيسيوم في المحلول كأيونات مذابة. أكسيد المغنيسيوم مهيج للجهاز التنفسي ، لذا توخي الحذر عند قياسه.

    • قم بإنشاء تشغيل مجموعة بيانات جديدة بنفس الإعدادات كما كانت من قبل لمتابعة المختبر.
    • قم بقياس ما يقرب من 1 جم من أكسيد المغنيسيوم على ميزان تحليلي وسجل الكتلة الدقيقة في دفتر المختبر الخاص بك.

      الجدول 3: التفاعل الثاني MgO + HCl

      كتلةMgO (ز) تمتإضافة حجم حمض الهيدروكلوريك (مل) Tأولي (درجة مئوية) Tنهائي (درجة مئوية) ΔTMgO + حمض الهيدروكلوريك (K) كثافةحمض الهيدروكلوريك (جم / مل) 1.039 كتلةحمض الهيدروكلوريك (ز) حل الكتلة (ز) سعة حرارية محددة تبلغ 2 م حمض الهيدروكلوريك (J / g ·K) 3.98 ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (كيلوجول) الكاشف المحدد (مول) العائد النظري (مول) ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol) انقر هنا لتنزيل الجدول 3
    • استخدم دورق سعة 150 مل لنقل حوالي 110 مل من 2 M HCl إلى غطاء الدخان. صب 100 مل من حمض الهيدروكلوريك في المسعر وسجل حجم حمض الهيدروكلوريك في دفتر المختبر الخاص بك.
    • قم بإعداد المسعر على لوحة التحريك بنفس طريقة التجربة الأخيرة. ابدأ بالتقليب بسرعة عالية وابدأ في جمع بيانات درجة الحرارة. انتظر 30 ثانية لإنشاء قراءة أولية دقيقة لدرجة الحرارة.
    • ثم ارفع غطاء المسعر واسكب أكسيد المغنيسيوم في المسعر دفعة واحدة. تأكد من أن الخليط يتقلب بقوة قبل استبدال الغطاء. راقب قراءة درجة الحرارة مع زيادتها.
    • بمجرد أن تصل درجة الحرارة إلى الحد الأقصى ، اجمع 5 دقائق أخرى من البيانات. ثم أوقف جمع البيانات وقم بإيقاف تشغيل محرك التقليب.
    • احفظ بياناتك وانقل الملف إلى جهاز كمبيوتر أو محرك أقراص فلاش، حتى تتمكن من معالجته لاحقا.
    • الآن ، قم بتنظيف وتجفيف المسبار ، وحرك القضيب ، والملقط بنفس الطريقة السابقة. صب خليط التفاعل في دورق النفايات واشطف الجزء الداخلي من المسعر قبل التخلص من الأكواب.
    • قم بتحييد نفايات المغنيسيوم الحمضية باستخدام صودا الخبز ، وتأكد من أن الرقم الهيدروجيني مقبول مع ورق الأس الهيدروجيني ، واسكبه في وعاء مخصص لنفايات المغنيسيوم المائية.
    • اشطف الدورق جيدا بالماء منزوع الأيونات واسكب الشطف في النفايات. أغلق حاوية النفايات عند الانتهاء.
    • بعد ذلك ، ضع معدات المختبر الخاصة بك واغسل الأواني الزجاجية وفقا لإجراءات المختبر القياسية.
    • قم بتحييد أي نفايات حمضية مائية لا تحتوي على المغنيسيوم باستخدام صودا الخبز قبل غسلها في البالوعة.
    • تخلص من قوارب الوزن وورق الصنفرة والأكواب بشكل مناسب لمختبرك ، وقم بتنظيف المواد المنسكبة في غطاء الدخان ، وتخلص من المناشف الورقية المستعملة والقمامة الأخرى.
  4. Results
    • أولا ، ارسم مجموعات البيانات الثلاث الخاصة بك مع درجة الحرارة على المحور y والوقت على المحور x.
    • ابحث عن التغيرات في درجة الحرارة التي تحتاجها لحساباتك، بدءا من بيانات المعايرة. لقد قمت بقياس درجات الحرارة الساخنة والباردة الأولية مباشرة ، لذلك ما عليك سوى العثور على Tنهائي ، وهي ذروة درجة الحرارة المستقرة بعد خلط الماء. املأ القيم الأولية والنهائية وحل ΔTساخن و ΔTبارد.
    • بعد ذلك، انظر إلى البيانات من ردود أفعالك. كما هو الحال مع بيانات المعايرة ، فإن Tfinal لكل تفاعل هو درجة حرارة الذروة. Tالأولي هو درجة الحرارة المستقرة قبل بدء كل تفاعل. املأ هذه القيم وحل للحصول على ΔT لكل تفاعل. نظرا لأن ΔT هو فرق في درجة الحرارة والدرجات المئوية وكلفن لهما نفس الفاصل الزمني ، يمكنك فقط تغيير الوحدات إلى كلفن.
    • الآن ، احسب السعة الحرارية لمقياس السعرات الحرارية والتغيرات في الطاقة الداخلية للتفاعلات. بالنسبة لهذه الحسابات ، افترض أن الضغط كان ثابتا ، وأن حجم المحلول بالكاد تغير مع تسخينه ، وأنه لم يكن هناك نقل للطاقة بين المحلول ومحيطه. في ظل هذه الافتراضات ، فإن تغير المحتوى الحراري يساوي الحرارة ، والتي بدورها تساوي تقريبا التغير في الطاقة الداخلية.
    • أولا ، احسب السعة الحرارية لمقياس السعرات الحرارية الخاص بك. ابدأ بملء كتل الأجزاء الساخنة والباردة من الماء من الجزء الأول من المختبر. املأ قيمΔT الساخنة والباردة ΔT التي قمت بحسابها من بيانات المعايرة الخاصة بك. استخدم السعة الحرارية المحددة للمياه عند الضغط المحيط وحل السعة الحرارية لمقياس السعرات الحرارية الخاص بك.
    • بعد ذلك ، احسب الطاقة الداخلية للتفاعل الأول. حدد كتلة المحلول الخاص بك عن طريق جمع كتل المواد المتفاعلة معا. ΔT يأتي من الرسم البياني الخاص بك. أنت تعرف السعة الحرارية لمقياس السعرات الحرارية الخاص بك ، والسعة الحرارية النوعية البالغة 2 M HCl تبلغ حوالي 3.98 J / K⋅g. املأ هذه القيم ، وحل لإيجاد الطاقة الداخلية ، وبالتالي المحتوى الحراري التقريبي لهذا التفاعل. استخدم نفس العملية لتقدير المحتوى الحراري للتفاعل الثاني.
    • لكل تفاعل ، حدد الكاشف المحدد واحسب العائد النظري بالمولات. بناء على ذلك ، قم بقياس المحتوى الحراري للحصول على عائد 1 مول.
    • الآن ، احسب المحتوى الحراري لتكوين أكسيد المغنيسيوم باستخدام هذه القيم والمحتوى الحراري المعروف لتكوين H2O. لاحظ أنه يجب عكس تفاعلك الثاني حتى تضيف هذه التفاعلات الثلاثة ما يصل إلى تكوين أكسيد المغنيسيوم ، لذلك ستستخدم الانتروبيا السلبية للتفاعل الأمامي.

      الجدول 4: حساب المحتوى الحراري لتكوين MgO

      ΔHMg + 2H+ (kJ / mol) -ΔHMgO + نمط 2H+ (كيلوجول / مول) ΔHfH2O (kJ / mol) ΔHMgO (القيمة المحسوبة ؛ kJ / mol) ΔHMgO (قيمة الأدب ؛ كيلو جول / مول) النسبة المئوية للخطأ انقر هنا لتنزيل الجدول 4
    • أخيرا ، احسب النسبة المئوية للخطأ بين القيمة المحسوبة وتكوين المحتوى الحراري المعروف لأكسيد المغنيسيوم.