반응 엔탈피

개념강사 준비학생 프로토콜
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출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA

  1. 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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
      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

      질량빈 열량계 (g)
      질량열량계 + 냉수 (g)
      대량냉수 (g)
      T콜드 이니셜(ºC)
      T핫 이니셜(ºC)
      질량열량계 + 냉온수 믹스 (g)
      대량온수 (g)
      T파이널(ºC)
      ΔT뜨거움 (K)
      ΔT추위(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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
      차가운 물이 들어있는 열량계의 질량에서 빈 열량계의 질량을 빼서 차가운 물의 질량 또는 m을 계산합니다.
      < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">
      50mL의 탈이온수를 측정하여 150mL 비커에 붓습니다. 온도계 cl 아래의 핫 플레이트에 비커를 놓습니다.amp 디지털 온도계를 물에 고정합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">
      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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
      열량계 뚜껑의 구멍을 통해 온도 프로브를 삽입하고 제자리에 고정합니다. 프로브는 항상 뚜껑을 들어 올릴 수 있을 만큼 충분히 높게 고정되어야 합니다.
      < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
      교반 모터를 시작하고 교반 막대가 열량계에서 꾸준히 교반할 때까지 회전 속도를 높입니다.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">
      데이터 수집 장치에 표시된 온도가 ±0.1°C 이내로 안정화되면 실험실 노트북에 Tcold-initial로 기록합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">
      그런 다음 핫플레이트를 켜고 디지털 온도계로 수온을 모니터링합니다. 기다리는 동안 흄 후드에 종이 타월을 가져오십시오.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">
      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 Thot-initial로 기록하십시오. 그런 다음 뜨거운 물에서 프로브를 제거하고 닦아낸 다음 열량계에 다시 넣습니다.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
      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.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "1-21">
      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 m의뜨거운 질량을 계산합니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-24">
      열량계에서 자기 교반 막대를 제거하고 싱크대에 물을 붓습니다.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "1-25">
      계속하기 전에 열량계와 교반 막대를 완전히 건조시키고 교반 막대를 열량계에 다시 놓습니다.
  2. 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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
      600mL 비커에 수성 마그네슘 폐기물에 라벨을 부착하며, 이 폐기물은 실험실이 끝날 때 별도로 폐기해야 합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
      0.45-0.55g의 미리 절단된 스트립으로 제공되는 마그네슘 리본을 얻습니다. 리본 한 조각을 계량 보트에 넣고 후드로 다시 가져옵니다.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
      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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
      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

      질량Mg (g)
      부피HCL 첨가 (mL)
      T초기(°C)
      T결승전(°C)
      ΔT마그네슘 + 염산 (K)
      조밀도HCl (g/mL)1.039
      질량HCl (g)
      질량용액 (g)
      비열 용량 2 M HCl (J/g·K)3.98
      ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ)
      제한 시약(mol)
      이론적 수율(mol)
      ΔHMg + 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.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "2-9">
      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.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "2-14">
      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.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "2-15">
      다음 실험에서 교차 오염을 방지하려면 온도 프로브를 탈이온수로 철저히 헹구고 헹굼물을 폐기물 비커에 모으십시오.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "2-16">
      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.
  3. MgO (s) + 2 HCl (aq) → MgCl2 (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.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "3-3">
      분석 저울에서 약 1g의 산화마그네슘을 측정하고 실험실 노트에 정확한 질량을 기록하십시오.

      표 3: 2차 반응 MgO + HCl

      질량MgO (g)
      부피 HCL 첨가 (mL)
      T초기(ºC)
      T파이널(ºC)
      ΔT마그네슘 + 염산 (K)
      조밀도HCl (g/mL)1.039
      질량HCl (g)
      질량용액 (g)
      비열 용량 2 M HCl (J/g·K)3.98
      ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (kJ)
      제한 시약(mol)
      이론적 수율(mol)
      ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)
      표 3을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오
      . < 데이터 하위 노트 항목 = "3-4">
      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.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "3-6">
      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.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "3-7">
      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.
  4. 확장
      < 데이터 하위 노트 항목 = "4-1">
      먼저 y축에 온도를, x축에 시간을 사용하여 세 세트의 데이터를 플로팅합니다.
    • 교정 데이터부터 시작하여 계산에 필요한 온도 변화를 찾으십시오. 초기 고온 온도와 저온 온도를 직접 측정했으므로 물이 혼합된 후 최대 안정 온도인 Tfinal만 찾으면 됩니다. 초기 값과 최종 값을 입력하고 ΔThot 및 ΔTcold를 풉니다.
    • 다음으로 반응의 데이터를 확인합니다. 보정 데이터와 마찬가지로 각 반응에 대한 Tlast는 피크 온도입니다. T초기치는 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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "4-4">
      이제 열량계의 열용량과 반응의 내부 에너지 변화를 계산하십시오. 이러한 계산을 위해 압력이 일정하고, 용액이 가열될 때 용액의 부피가 거의 변하지 않았으며, 용액과 주변 환경 사이에 에너지 전달이 없다고 가정합니다. 이러한 가정에서 엔탈피 변화는 열과 같으며, 이는 차례로 내부 에너지의 변화와 거의 같습니다.
    • 먼저 열량계의 열용량을 계산합니다. 실험실의 첫 번째 부분에서 물의 뜨거운 부분과 차가운 부분의 질량을 채우는 것으로 시작하십시오. 캘리브레이션 데이터에서 계산한 ΔT 및 ΔT콜드 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.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "4-7">
      각 반응에 대해 제한 시약을 식별하고 이론적 수율을 몰 단위로 계산합니다. 이를 바탕으로 1 몰의 수율을 위해 엔탈피를 스케일링합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "4-8">
      이제 이 값과 H2O의 알려진 형성 엔탈피를 사용하여 산화 마그네슘의 형성 엔탈피를 계산합니다. 이 세 가지 반응이 합쳐져 산화 마그네슘이 형성되려면 두 번째 반응이 역전되어야 하므로 순방향 반응의 음의 엔트로피를 사용하게 됩니다.

      표 4: MgO 형성 엔탈피 계산

      ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)
      -ΔHMgO + 2H + (kJ / mol)
      ΔHfH2O (kJ/mol)
      ΔHMgO (계산된 값; kJ/mol)
      ΔHMgO (문헌 값; kJ / mol)
      퍼센트 오류
      표 4를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오
      . < 데이터 하위 참고 항목 = "4-9">
      마지막으로 계산된 값과 알려진 산화마그네슘의 엔탈피 형성 사이의 백분율 오류를 계산합니다.