反応エンタルピー

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

1. 熱量計の熱容量を計算するためのデータの収集Expand

   この実験では、2つの積み重ねられたポリスチレンカップで作られた定圧熱量計、段ボールの蓋、および溶液の温度をリアルタイムで測定するプローブを使用します。ポリスチレンは優れた断熱材であるため、カップの内側と外側の間で熱が交換されることはないと考えてよいでしょう。熱量計自体がいくらかの熱を吸収しますが、これは熱容量を計算することで考慮します。

   この実験の最初の部分では、熱量計で冷水に温水を加え、温度上昇を測定します。実験後、お湯が冷水ではなく熱量計にどれだけの熱を失ったかを計算します。

   • 白衣、飛沫防止の安全メガネまたはゴーグル、使い捨て手袋を着用してください。ドラフトが清潔ですぐに使用できる状態であること、およびガラス器具が清潔で損傷していないことを確認してください。
   • ラボを開始するには、2つのポリスチレンカップを積み重ねて断熱熱量計容器を形成します。熱量計に磁気攪拌棒を置きます。
   • ゼロトップローディング天秤で空のカップと攪拌棒の合計質量を測定します。これを空の熱量計の質量として実験ノートに記録し、ヒュームフードに戻します。

     表1:熱量計のキャリブレーション

     質量空熱量計(g)
     質量熱量計+冷水(g)
     質量冷水(g)
     Tコールドイニシャル(º C )
     Tホットイニシャル(º C )
     質量熱量計+冷温水混合(g)
     質量温水(g)
     Tファイナル (ºC)
     ΔTホット(K)
     ΔTコールド(K)
     水の比熱容量(J/g・K)	4.184
     熱量計の熱容量(J/K)

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   • 冷たい水道水を50mL測定し、熱量計に注ぎます。合計質量を測定し、ラボノートに記録し、熱量計をワークステーションに戻します。
   • 冷水が入った熱量計の質量から空の熱量計の質量を差し引くことにより、冷水またはm_冷水の質量を計算します。
   • 50mLの脱イオン水を測定し、150mLのビーカーに注ぎます。ビーカーを温度計の下のホットプレートに置きますclamp デジタル温度計を水に固定します。
   • 別の温度計クランプの下の小さな攪拌板の中央に熱量計をセットし、中央に穴が開いている段ボールの蓋で覆います。
   • データ記録デバイスの電源を入れ、時間の経過に伴う温度を記録するように構成します。データ記録レートを 2 回/秒に設定し、記録時間を 600 秒に設定します。
   • 熱量計の蓋の穴に温度プローブを挿入し、所定の位置に固定します。プローブは、蓋を持ち上げることができるように常に十分に高く固定する必要があります。
   • 攪拌モーターを始動し、攪拌棒が熱量計内で着実に攪拌されるまで回転速度を上げます。
   • データ収集デバイスに表示される温度が±0.1°C以内に安定したら、ラボノートにT_{コールドイニシャル}として記録します。
   • 次に、ホットプレートをオンにし、デジタル温度計で水温を監視します。待っている間、ペーパータオルをドラフトに持ってきてください。
   • 水が60°Cに達したら、ホットプレートをオフにしてください。温度プローブを冷水から取り出し、拭き取り、保持またはcl お湯に入れます。温度の読み取り値が安定するにつれて、プローブがビーカーの底に触れないようにしてください。
   • ラボノートに温度をT_{ホットイニシャル}として記録します。その後、プローブをお湯から取り出して拭き取り、熱量計に戻します。
   • 温度の読み取り値が安定したら、データ収集を開始し、デバイスが数秒のデータを記録するのを待ちます。
   • 次に、熱量計にお湯を慎重に注ぎます。温水と冷水が混ざり合った温度の読み取り値を監視します。
   • 温度が最高に達したら、つまり温度が上昇しなくなったら、5〜6分間データを収集し続けて、平衡温度を記録するようにします。
   • 次に、データ収集を停止し、データに「calibration」という名前を付けます。プローブと蓋を熱量計から取り外し、脇に置きます。
   • トップローディング天秤の水充填熱量計の質量を測定します。
   • ラボノートに質量を記録し、熱量計をヒュームフードに戻します。
   • 温水と冷水が混在する熱量計の質量から冷水を含む熱量計の質量を差し引くことにより、温水またはm_熱水の質量を計算します。
   • 熱量計からマグネティックスターバーを取り外し、シンクに水を注ぎます。
   • 熱量計と攪拌子を完全に乾かし、攪拌子を熱量計に戻してから進めてください。
2. Mg_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H_2(g)Expand

   これは、熱量計で実行する最初の反応です。ここでは、マグネシウム金属がマグネシウム2+に酸化され、H+が水素ガスに還元されます。この反応の反応物や生成物に関連する危険性があるため、ドラフト内で作業を続けることになります。マグネシウム金属リボンは水に反応し、可燃性です。塩酸は腐食性で有毒であり、水素ガスも可燃性です。

   • 以前と同じ設定で新しいデータ収集実行を作成します。
   • 600mLのビーカーにマグネシウム水廃棄物のラベルを付けます。これはラボの最後に別々に廃棄する必要があります。
   • 0.45〜0.55gのプレカットストリップで提供されるマグネシウムリボンを入手します。リボンを1つ計量ボートに入れ、フードに戻します。
   • 次に、ペーパータオルとエメリーペーパーを使用してマグネシウムリボンを磨き、光沢のある銀色の素材を明らかにします。研磨は、マグネシウム金属が空気にさらされたときに形成される酸化マグネシウムの外層を取り除きます。
   • 秤量ボートで磨かれたマグネシウムリボンを0.5〜1cmの長さにカットします。
   • 分析天びんと2隻目の風袋引きされた計量ボートを使用して、マグネシウムの正確な質量を測定してください。質量を実験ノートに記録します。次に、余分な計量ボートを捨てて、マグネシウム片をヒュームフードに戻します。

     表2:最初の反応Mg + 2 HCl

     質量 mg (g)
     HCL添加量(mL)
     初期値 T (°C)
     Tファイナル(°C)
     ΔTMg + HCl (K)
     密度HCl(g / mL)	1.039
     質量HCl(g)
     質量溶液(g)
     比熱容量 2M HCl (J/g・K)	3.98
     ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ)
     制限試薬(mol)
     理論収率(mol)
     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)

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   • さて、150mLのビーカーと時計のグラスをHClを分注するためのドラフトに持ってきて、約110mLの2.0M HClをビーカーに注意深く注ぎます。ビーカーを覆い、フードに戻します。
   • 50mLメスシリンダーを使用して、乾燥熱量計に100mLの2M HClを追加します。添加したHClの総量を記録し、こぼれた酸の滴を中和します。
   • 次に、熱量計を攪拌板に置き、熱量計を覆い、温度プローブを所定の位置に固定します。
   • 攪拌モーターを中高速に設定し、温度データの記録を開始します。正確な初期温度を得るために、30秒のデータが収集されるのを待ちます。
   • 次に、段ボールの蓋を持ち上げて、マグネシウム片を一度に熱量計に加えます。
   • ピースが勢いよく攪拌されるように攪拌速度を調整します。 手記： 混合物をよく攪拌して、できるだけ多くのマグネシウムを酸に溶かすことが重要です。
   • 次に、熱量計を閉じて、温度が上昇するにつれてデータの読み取りを監視します。温度が最高に達したら、データ収集をさらに 5 分間続行します。その後、データ収集を停止し、攪拌モーターをオフ
     にしてください。
   • 次の実験で交差汚染を避けるために、温度プローブを脱イオン水で十分にすすぎ、すすぎを廃棄物ビーカーに集めてください。
   • 次に、攪拌板から熱量計を取り外し、鉗子で攪拌棒を回収します。同様に、攪拌子と鉗子を清掃します。
   • 熱量計の中身を廃棄物に注ぎ、熱量計を脱イオン水で十分に洗浄します。熱量計をペーパータオルで乾かします。
   • ポリスチレンカップの積み重ね順を切り替えて、次の反応のためにきれいな内面を提供します。鉗子、攪拌子、温度プローブを乾燥させ、攪拌子を熱量計に戻します。
3. MgO_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H₂O_(l)Expand

   これが熱量計で実行する2番目の反応です。酸化マグネシウムがHClを中和する酸塩基反応です。以前と同様に、塩化マグネシウムは溶媒和イオンとして溶液中に残ります。酸化マグネシウムは呼吸器刺激物であるため、測定するときは注意してください。

   • ラボを続行するには、以前と同じ設定で新しいデータ収集実行を作成します。
   • 分析天びんに約1gの酸化マグネシウムを測定し、その正確な質量を実験ノートに記録します。

     表3:第2反応MgO + HCl

     質量MgO(g)
     HCL添加量(mL)
     T初期値( ºC )
     Tファイナル (ºC)
     ΔTMgO + HCl (K)
     密度HCl(g / mL)	1.039
     質量HCl(g)
     質量溶液(g)
     比熱容量 2M HCl (J/g・K)	3.98
     ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (kJ)
     制限試薬(mol)
     理論収率(mol)
     ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)

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   • 150 mLのビーカーを使用して、約110 mLの2 M HClをドラフトに輸送します。100 mLのHClを熱量計に注ぎ、HClの量をラボノートに記録します。
   • 前回の実験と同じように、攪拌板に熱量計を設置します。高速で攪拌を開始し、温度データの収集を開始します。正確な初期温度測定値を確立するには、30秒待ちます。
   • 次に、熱量計の蓋を持ち上げて、酸化マグネシウムを一度に熱量計に注ぎます。蓋を交換する前に、混合物が激しく攪拌されていることを確認してください。温度が上昇するにつれて、読み取り値を監視します。
   • 温度が最高に達したら、さらに5分間のデータを収集します。その後、データ収集を停止し、攪拌モーターをオフ
     にしてください。
   • データを保存し、ファイルをコンピューターまたはフラッシュドライブに転送して、後で処理できるようにします。
   • さて、以前と同じ方法でプローブ、攪拌子、鉗子を清掃して乾かします。カップを廃棄する前に、反応混合物を廃棄物ビーカーに注ぎ、熱量計の内部をすすいでください。
   • 酸性マグネシウム廃棄物を重曹で中和し、pHペーパーでpHが許容できることを確認し、マグネシウム水系廃棄物専用の容器に注ぎます。
   • ビーカーを脱イオン水で十分にすすぎ、すすぎを廃棄物に注ぎます。終了したら、廃棄物コンテナを閉じます。
   • 次に、実験装置を片付け、実験室の標準的な手順に従ってガラス器具を洗ってください。
   • マグネシウムを含まない酸性水廃棄物は、重曹で中和してから排水溝に流します。
   • 計量ボート、エメリーペーパー、カップは研究室に適した場所に捨て、ドラフトでこぼれた材料を片付け、使用済みのペーパータオルやその他のゴミを捨ててください。
4. ResultsExpand
   • まず、y軸に温度、x軸に時間を使用して3セットのデータをプロットします。
   • キャリブレーションデータから始めて、計算に必要な温度の変化を見つけます。初期の高温と低温を直接測定したため、水が混合された後のピーク安定温度であるT_{ファイナル}を見つけるだけで済みます。初期値と最終値を入力し、ΔT_ホットとΔT_コールドを解きます。
   • 次に、あなたの反応のデータを見てください。キャリブレーションデータと同様に、各反応のTfinalがピーク温度です。_初期Tは、各反応が始まる前の安定した温度です。これらの値を記入し、各反応のΔTを得るために解きます。ΔTは温度差であり、摂氏とケルビンは同じ間隔であるため、単位をケルビンに変更するだけでかまいません。
   • では、熱量計の熱容量と反応の内部エネルギーの変化を計算してください。これらの計算では、圧力が一定であり、溶液が加熱されても溶液の体積はほとんど変化せず、溶液とその周囲との間にエネルギーの移動がなかったと仮定します。これらの仮定の下では、エンタルピーの変化は熱に等しく、熱は内部エネルギーの変化とほぼ等しくなります。
   • まず、熱量計の熱容量を計算します。まず、ラボの最初の部分から水の高温部分と低温部分の質量を埋めます。キャリブレーションデータから計算したΔT_ホット値とΔT_コールド値を入力します。周囲圧力での水の比熱容量を使用し、熱量計の熱容量を解きます。
   • 次に、最初の反応の内部エネルギーを計算します。反応物の質量を合計して、溶液の質量を決定します。ΔTはグラフから来ています。あなたはあなたの熱量計の熱容量を知っています、そして2 M HClの比熱容量は約3.98 J / K・gです。これらの値を埋め、内部エネルギー、つまりこの反応のおおよそのエンタルピーを見つけるために解きます。同じプロセスを使用して、2番目の反応のエンタルピーを推定します。
   • 各反応について、制限試薬を特定し、モル単位で理論収率を計算します。これに基づいて、エンタルピーを1モルの収量でスケーリングします。
   • さて、これらの値と既知のH₂Oの形成エンタルピーを使用して酸化マグネシウムの形成エンタルピーを計算します。これらの3つの反応が合計して酸化マグネシウムの形成につながった場合、2番目の反応を逆にする必要があるため、順方向の反応の負のエントロピーを使用します。

     表4:MgOの形成エンタルピーの計算

     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)
     -ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)
     ΔHfH2O (kJ/mol)
     ΔHMgO(計算値;kJ/mol)
     ΔHMgO(文献値;kJ/mol)
     エラー率

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   • 最後に、計算値と既知の酸化マグネシウムのエンタルピー形成との間の誤差の割合を計算します。