열량계를 만드는 데 왜 폴리스티렌을 사용하나요?

폴리스티렌은 칼로리미터의 내부와 외부 환경 사이의 열 교환을 최소화하는 우수한 절연체입니다. 이 특성으로 인해 반응 중 측정되는 열은 주로 화학 반응 자체에서 나오며 주변으로의 열 손실에서 나오는 것이 아니기 때문에, 엔탈피 변화를 계산할 때 온도 측정이 더욱 정확하고 신뢰할 수 있게 됩니다.

반응열을 측정하기 전에 열량계를 보정하는 목적은 무엇입니까?

열량계 보정은 온도 변화 중에 열량계 자체가 흡수하는 열의 양을 결정합니다. 뜨거운 물을 차가운 물에 추가하고 온도 변화를 측정하여 열량계의 열용량을 계산합니다. 이 값은 화학 반응 중 열량계가 흡수하는 열을 고려하여 정확한 엔탈피 측정을 보장하는 데 사용됩니다.

마그네슘 리본을 연마하는 것이 염산과의 반응에 어떤 영향을 미치는가?

연마는 마그네슘 금속이 공기에 노출되었을 때 형성되는 마그네슘 산화물의 외부 층을 제거합니다. 이것은 아래에 있는 신선하고 반응성이 높은 마그네슘 금속을 드러내 반응이 효율적이고 완전하게 진행되도록 합니다. 연마하지 않으면 산화물 층이 마그네슘과 염산 사이의 접촉을 늦추거나 억제할 것입니다.

열량계 실험 중에 저어주는 것이 중요한 이유는 무엇인가요?

교반은 용액 전체에 걸쳐 반응물과 생성물이 균일하게 혼합되도록 하여 온도 프로브가 전체 혼합물의 실제 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 합니다. 격렬한 교반은 또한 반응물을 완전히 용해시키고 열을 균등하게 분배하여 온도 판독값과 엔탈피 계산을 손상시킬 수 있는 국부적인 뜨거운 또는 차가운 지점을 방지합니다.

이러한 실험에서 엔탈피 변화가 내부 에너지 변화와 같아지도록 하는 어떤 가정이 있습니까?

실험은 일정한 압력, 용액이 가열될 때 무시할 수 있는 부피 변화, 그리고 용액과 주변 환경 사이의 에너지 전달이 없다고 가정합니다. 이러한 조건 하에서, 엔탈피 변화는 방출되거나 흡수된 열과 같으며, 이는 내부 에너지의 변화와 거의 같습니다. 이러한 가정은 계산을 단순화하고 측정된 온도 변화를 반응 엔탈피와 직접적으로 비례시킵니다.

두 개의 별개의 반응에서 마그네슘 산화물의 생성 엔탈피를 어떻게 계산합니까?

마그네슘-염산 반응 및 마그네슘 산화물-염산 반응의 엔탈피를 별도로 측정합니다. 그런 다음 두 번째 반응을 역으로 하고 첫 번째 반응 및 알려진 수의 생성 엔탈피와 함께 Hess의 법칙을 사용하여 결합합니다. 이 조합은 마그네슘 산화물의 생성 엔탈피를 산출하고, 이를 문헌 값과 비교하여 백분율 오차를 결정합니다.

마그네슘 금속 반응 후에 마그네슘 산화물과 염산 반응 데이터를 수집해야 하는 이유는 무엇일까요?

두 번째 반응은 데이터 처리 시간을 제공하고 실험 사이에 칼로리미터가 완전히 청소되고 건조되도록 하기 위해 첫 번째 반응 후에 수행됩니다. 또한, 실험 설계는 헤스의 법칙과 함께 두 반응을 모두 사용하여 마그네슘 산화물의 생성 엔탈피를 계산하며, 최종 계산을 수행하기 전에 두 데이터 세트가 모두 완료되어야 합니다.

반응 엔탈피

0 조회수03:37 분

Thermodynamics is the study of heat and its relation to energy and work. One of the most important thermodynamic properties is enthalpy, which indicates the heat energy transferred by a process at constant pressure. Enthalpy is used to describe chemical reactions, where the enthalpy change, ΔH, tells us how much heat is absorbed or released during a chemical reaction.

Enthalpy is a state function, meaning that the change is independent of the path and only takes into account the initial and final state. Thus, the ΔH of a reaction is calculated by subtracting the sum of the enthalpies of the reactants from the sum of the enthalpies of the products.

If ΔH is positive, the reaction is endothermic and absorbs heat from the surroundings. If ΔH is negative, the reaction is exothermic and releases heat to the surroundings.

We can measure the enthalpy change of a reaction using an isolated system like a calorimeter. A simplified calorimeter, like the one we have here, consists of an insulated sample cell with a stirrer and a thermometer. As the reaction proceeds inside of the insulated cell, the temperature changes and we are able to measure ΔT.

We can assume that no energy is transferred

Print Procedure Steps

출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA

확장

이 실험은 두 개의 적층된 폴리스티렌 컵, 판지 뚜껑 및 용액의 온도를 실시간으로 측정하는 프로브로 구성된 정압 열량계를 사용합니다. 폴리스티렌은 좋은 절연체이므로 컵 내부와 외부 사이에 열이 교환되지 않는다고 가정 할 수 있습니다. 열량계 자체는 약간의 열을 흡수하며, 이는 열 용량을 계산하여 설명합니다.

이 실험의 첫 번째 부분에서는 열량계의 찬물에 뜨거운 물을 넣고 온도 상승을 측정합니다. 실험이 끝나면 뜨거운 물이 차가운 물이 아닌 열량계로 얼마나 많은 열을 잃었는지 계산할 것입니다.

실험복, 생활 방수 보안경 또는 고글, 일회용 장갑을 착용하십시오. 흄 후드가 깨끗하고 사용할 준비가 되어 있으며 유리 제품이 깨끗하고 손상되지 않았는지 확인하십시오.
실험실을 시작하려면 두 개의 폴리스티렌 컵을 쌓아 절연 열량계 용기를 형성합니다. 열량계에 마그네틱 교반 막대를 놓습니다.

0이 적용된 상단 로딩 저울에서 빈 컵과 교반 막대의 결합 질량을 측정합니다. 이것을 실험실 노트에 빈 열량계 질량으로 기록하고 흄 후드로 돌아가십시오.

표 1: 열량계 교정

질량_{빈 열량계}(g)
질량_{열량계 + 냉수} (g)
대량_냉수 (g)
T_{콜드 이니셜}(ºC)
T_{핫 이니셜}(ºC)
질량_{열량계 + 냉온수 믹스}(g)
대량_온수 (g)
T_파이널(ºC)
ΔT_뜨거움 (K)
ΔT_추위(K)
물의 비열용량(J/g·K)	4.184
열량계의 열용량(J/K)

표 1을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오

차가운 수돗물 50mL를 계량하여 열량계에 붓습니다. 결합된 질량을 측정하고, 실험실 노트에 기록하고, 열량계를 워크스테이션으로 다시 가져오십시오.

차가운 물이 들어있는 열량계의 질량에서 빈 열량계의 질량을 빼서 차가운 물의 질량 또는 m을 계산합니다.

50mL의 탈이온수를 측정하여 150mL 비커에 붓습니다. 온도계 cl 아래의 핫 플레이트에 비커를 놓습니다.amp 디지털 온도계를 물에 고정합니다.

열량계를 다른 온도계 클램프 아래의 작은 교반 플레이트 중앙에 놓고 중앙에 구멍이 있는 판지 뚜껑으로 덮습니다.

데이터 기록 장치를 켜고 시간 경과에 따른 온도를 기록하도록 구성합니다. 데이터 기록 속도를 초당 2회 판독으로 설정하고 기록 지속 시간을 600초로 설정합니다.

열량계 뚜껑의 구멍을 통해 온도 프로브를 삽입하고 제자리에 고정합니다. 프로브는 항상 뚜껑을 들어 올릴 수 있을 만큼 충분히 높게 고정되어야 합니다.

교반 모터를 시작하고 교반 막대가 열량계에서 꾸준히 교반할 때까지 회전 속도를 높입니다.

데이터 수집 장치에 표시된 온도가 ±0.1°C 이내로 안정화되면 실험실 노트북에 T_cold-initial로 기록합니다.

그런 다음 핫플레이트를 켜고 디지털 온도계로 수온을 모니터링합니다. 기다리는 동안 흄 후드에 종이 타월을 가져오십시오.

물이 60°C에 도달하면 핫플레이트를 끕니다. 찬물에서 온도 프로브를 제거하고 닦아낸 다음 잡거나 clamp 뜨거운 물에 넣으십시오. 온도 판독값이 안정화됨에 따라 프로브가 비커 바닥에 닿지 않도록 하십시오.

실험실 노트북의 온도를 T_hot-initial로 기록하십시오. 그런 다음 뜨거운 물에서 프로브를 제거하고 닦아낸 다음 열량계에 다시 넣습니다.

온도 판독값이 안정화되면 데이터 수집을 시작하고 장치가 몇 초 동안의 데이터를 기록할 때까지 기다립니다.

그런 다음 뜨거운 물을 열량계에 조심스럽게 붓습니다. 뜨거운 물과 차가운 물이 섞일 때 온도 판독값을 모니터링합니다.
온도가 최대치에 도달하면, 즉 온도가 더 이상 증가하지 않음을 의미하며, 평형 온도를 기록하기 위해 5 - 6분 동안 데이터를 계속 수집하십시오.
그런 다음 데이터 수집을 중지하고 데이터 이름을 'calibration'으로 지정합니다. 열량계에서 프로브와 뚜껑을 제거하고 따로 보관하십시오.

상단 로딩 저울에서 물이 채워진 열량계의 질량을 측정합니다.

실험실 노트에 질량을 기록하고 열량계를 흄 후드로 다시 가져옵니다.
뜨거운 물과 차가운 물이 혼합된 열량계의 질량에서 차가운 물을 포함하는 열량계의 질량을 빼서 뜨거운 물 또는 m의_뜨거운 질량을 계산합니다.

열량계에서 자기 교반 막대를 제거하고 싱크대에 물을 붓습니다.

계속하기 전에 열량계와 교반 막대를 완전히 건조시키고 교반 막대를 열량계에 다시 놓습니다.

확장

이것은 열량계에서 수행할 첫 번째 반응입니다. 여기서 마그네슘 금속은 마그네슘 2+로 산화되고 H+는 수소 가스로 환원됩니다. 이 반응물의 반응물 및 생성물과 관련된 위험 때문에 흄 후드에서 계속 작업하게 됩니다. 마그네슘 금속 리본은 물에 반응하고 가연성입니다. 염산은 부식성이며 독성이 있으며 수소 가스도 가연성입니다.

이전과 동일한 설정으로 새 데이터 수집 실행을 만듭니다.

600mL 비커에 수성 마그네슘 폐기물에 라벨을 부착하며, 이 폐기물은 실험실이 끝날 때 별도로 폐기해야 합니다.

0.45-0.55g의 미리 절단된 스트립으로 제공되는 마그네슘 리본을 얻습니다. 리본 한 조각을 계량 보트에 넣고 후드로 다시 가져옵니다.

그런 다음 종이 타월과 에머리 페이퍼를 사용하여 마그네슘 리본을 연마하여 반짝이는 은빛 물질을 드러냅니다. 연마는 마그네슘 금속이 공기에 노출될 때 형성되는 산화 마그네슘의 외층을 제거합니다.

연마된 마그네슘 리본을 계량 보트에서 0.5-1cm 길이의 조각으로 자릅니다.

분석 저울과 두 번째 중량 측정 보트를 사용하여 마그네슘의 정확한 질량을 측정하십시오. 실험실 노트에 질량을 기록하십시오. 그런 다음 여분의 계량 보트를 버리고 마그네슘 조각을 흄 후드로 다시 가져옵니다.

표 2: 1차 반응 Mg + 2 HCl

질량_Mg (g)
부피_HCL _첨가 (mL)
T_초기(°C)
T_결승전(°C)
ΔT_{마그네슘 + 염산} (K)
조밀도_HCl (g/mL)	1.039
질량_HCl (g)
질량_용액(g)
비열 용량 2 M HCl (J/g·K)	3.98
ΔU_{Mg + 2H}+≈ ΔH_{Mg + 2H}+ (kJ)
제한 시약(mol)
이론적 수율(mol)
ΔH_{Mg + 2H}+ (kJ/mol)

표 2를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오

이제 HCl을 분배하기 위해 150mL 비커와 시계 유리를 흄 후드에 가져오고 약 110mL의 2.0M HCl을 비커에 조심스럽게 붓습니다. 비커를 덮고 후드로 다시 운반하십시오.

50mL 눈금이 매겨진 실린더를 사용하여 건조 열량계에 100mL의 2M HCl을 추가합니다. 첨가된 HCl의 총 부피를 기록하고 유출된 산 방울을 중화합니다.

그런 다음 열량계를 교반 플레이트에 놓고 열량계를 덮고 온도 프로브를 제자리에 고정합니다.
교반 모터를 중속으로 설정하고 온도 데이터 기록을 시작합니다. 정확한 초기 온도를 얻을 수 있도록 30초의 데이터가 수집될 때까지 기다립니다.
그런 다음 판지 뚜껑을 들어 올리고 마그네슘 조각을 열량계에 한 번에 추가합니다.
조각이 활발하게 저어지도록 교반 속도를 조정합니다. 메모: 산에 가능한 한 많은 마그네슘이 용해되도록 혼합물을 잘 저어주는 것이 중요합니다.

이제 열량계를 닫고 온도가 상승함에 따라 판독된 데이터를 모니터링하십시오. 온도가 최대에 도달하면 5분 동안 데이터 수집을 계속합니다. 그런 다음 데이터 수집을 중지하고 교반 모터를 끕니다.

다음 실험에서 교차 오염을 방지하려면 온도 프로브를 탈이온수로 철저히 헹구고 헹굼물을 폐기물 비커에 모으십시오.

그런 다음 교반 플레이트에서 열량계를 제거하고 집게로 교반 막대를 회수합니다. 같은 방법으로 교반 막대와 집게를 청소하십시오.

열량계의 내용물을 폐기물에 붓고 열량계를 탈이온수로 철저히 씻습니다. 종이 타월로 열량계를 말리십시오.
폴리스티렌 컵의 적재 순서를 전환하여 다음 반응을 위한 깨끗한 내부 표면을 제공합니다. 집게, 교반 막대 및 온도 프로브를 건조시키고 교반 막대를 열량계로 되돌립니다.

MgO _(s)+ 2 HCl _(aq) → MgCl_{2 (aq)}+ H₂O _(l)

다음은 열량계에서 수행할 두 번째 반응입니다. 이것은 산화마그네슘이 HCl을 중화하는 산-염기 반응입니다. 이전과 마찬가지로 염화마그네슘은 용매 이온으로 용액에 남아 있습니다. 산화마그네슘은 호흡기 자극제이므로 측정할 때 주의하십시오.

랩을 계속하려면 이전과 동일한 설정으로 새 데이터 수집 실행을 만듭니다.

분석 저울에서 약 1g의 산화마그네슘을 측정하고 실험실 노트에 정확한 질량을 기록하십시오.

표 3: 2차 반응 MgO + HCl

질량_MgO (g)
_{부피 HCL 첨가} (mL)
T_초기(ºC)
T_파이널(ºC)
ΔT_{마그네슘 + 염산}(K)
조밀도_HCl (g/mL)	1.039
질량_HCl (g)
질량_용액 (g)
비열 용량 2 M HCl (J/g·K)	3.98
ΔU_{MgO + 2H}+ ≈ ΔH_{MgO + 2H}+(kJ)
제한 시약(mol)
이론적 수율(mol)
ΔH_{MgO + 2H}+ (kJ/mol)

표 3을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오

150mL 비커를 사용하여 약 110mL의 2M HCl을 흄 후드로 운반합니다. 열량계에 HCl 100mL를 붓고 실험실 노트에 HCl 부피를 기록합니다.

마지막 실험과 같은 방법으로 교반 플레이트에 열량계를 설정합니다. 고속으로 교반을 시작하고 온도 데이터 수집을 시작합니다. 정확한 초기 온도 판독값을 설정하려면 30초 동안 기다립니다.

그런 다음 열량계 뚜껑을 들어 올리고 산화 마그네슘을 열량계에 한 번에 붓습니다. 뚜껑을 교체하기 전에 혼합물이 세게 저어주고 있는지 확인하십시오. 온도 판독값이 증가함에 따라 모니터링하십시오.

온도가 최대에 도달하면 5분 더 데이터를 수집합니다. 그런 다음 데이터 수집을 중지하고 교반 모터를 끕니다.

데이터를 저장하고 파일을 컴퓨터나 플래시 드라이브로 전송하여 나중에 처리할 수 있습니다.
이제 이전과 같은 방식으로 프로브, 저어주기 및 집게를 청소하고 건조시킵니다. 반응 혼합물을 폐기물 비커에 붓고 컵을 버리기 전에 열량계 내부를 헹굽니다.
베이킹 소다로 산성 마그네슘 폐기물을 중화하고 pH 종이로 pH가 허용 가능한지 확인한 다음 수성 마그네슘 폐기물로 지정된 용기에 붓습니다.
비커를 탈이온수로 철저히 헹구고 헹굼을 폐기물에 붓습니다. 완료되면 쓰레기통을 닫으십시오.
그런 다음 실험실 장비를 치우고 실험실 표준 절차에 따라 유리 제품을 세척하십시오.
마그네슘이 포함되지 않은 수성 산성 폐기물을 배수구로 흘려보내기 전에 베이킹 소다로 중화하십시오.
계량 보트, 에머리 페이퍼 및 컵을 실험실에 맞게 버리고, 흄 후드에 엎질러진 물질을 청소하고, 사용한 종이 타월 및 기타 쓰레기를 버리십시오.

확장
- 교정 데이터부터 시작하여 계산에 필요한 온도 변화를 찾으십시오. 초기 고온 온도와 저온 온도를 직접 측정했으므로 물이 혼합된 후 최대 안정 온도인 T_final만 찾으면 됩니다. 초기 값과 최종 값을 입력하고 ΔT_hot 및 ΔT_cold를 풉니다.
- 다음으로 반응의 데이터를 확인합니다. 보정 데이터와 마찬가지로 각 반응에 대한 Tlast는 피크 온도입니다. T_초기치는 각 반응이 시작되기 전의 안정된 온도입니다. 이 값을 입력하고 풉니다. 각 반응에 대한 ΔT를 얻습니다. ΔT는 온도 차이이고 섭씨 온도와 켈빈은 같은 간격을 가지므로 단위를 켈빈으로 변경할 수 있습니다.
- 먼저 열량계의 열용량을 계산합니다. 실험실의 첫 번째 부분에서 물의 뜨거운 부분과 차가운 부분의 질량을 채우는 것으로 시작하십시오. 캘리브레이션 데이터에서 계산한 ΔT_핫 및 ΔT_콜드 값을 입력합니다. 주변 압력에서 물의 비열 용량을 사용하고 열량계의 열용량을 해결하십시오.
- 다음으로 첫 번째 반응의 내부 에너지를 계산합니다. 반응물의 질량을 함께 더하여 용액의 질량을 결정하십시오. ΔT는 그래프에서 가져옵니다. 열량계의 열용량을 알고 있으며 2M HCl의 비열 용량은 약 3.98J/K⋅g입니다. 이 값을 채우고 풉니다.이 내부 에너지와 이 반응의 대략적인 엔탈피를 찾습니다. 동일한 프로세스를 사용하여 두 번째 반응의 엔탈피를 추정합니다.