Entalpia reakcji

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

1. Zbieranie danych do obliczania pojemności cieplnej kalorymetruRozwiń

   W eksperymencie wykorzystano kalorymetr stałociśnieniowy wykonany z dwóch ułożonych w stos kubków z polistyrenu, tekturowej pokrywki i sondy mierzącej temperaturę roztworu w czasie rzeczywistym. Polistyren jest dobrym izolatorem, więc można założyć, że między wnętrzem a zewnętrzem kubków nie dochodzi do wymiany ciepła. Sam kalorymetr pochłonie trochę ciepła, co uwzględnisz, obliczając jego pojemność cieplną.

   W pierwszej części tego eksperymentu dodasz gorącą wodę do zimnej wody w kalorymetrze i zmierzysz wzrost temperatury. Po eksperymencie obliczysz, ile ciepła gorąca woda straciła do kalorymetru, a nie do zimnej wody.

   • Załóż fartuch laboratoryjny, odporne na zachlapanie okulary ochronne lub gogle i jednorazowe rękawiczki. Upewnij się, że wyciąg jest czysty i gotowy do użycia, a szkło jest czyste i nieuszkodzone.
   • Aby rozpocząć laboratorium, ułóż dwa kubki z polistyrenu, aby utworzyć izolowane naczynie kalorymetryczne. Umieść mieszadło magnetyczne w kalorymetrze.
   • Zmierz łączną masę pustych kubków i mieszadła na wyzerowanej wadze ładowanej od góry. Zapisz to w zeszycie laboratoryjnym jako pustą masę kalorymetru i wróć do dygestorii.

     Tabela 1: Kalibracja kalorymetru

     Kalorymetr masowy pusty (g)
     Kalorymetr masowy + zimna woda (g)
     Masazimnej wody (g)
     Tzimny początkowy (ºC)
     T gorący początkowy (ºC)
     Kalorymetr masowy + mieszanka zimnej i ciepłej wody (g)
     Masagorącej wody (g)
     T końcowy (ºC)
     ΔTgorący (K)
     ΔTzimno (K)
     Ciepło właściwe wody (J/g·K)	4.184
     Pojemność cieplna kalorymetru (J/K)

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 1
   • Odmierz 50 ml zimnej wody z kranu i wlej ją do kalorymetru. Zmierz łączną masę, zapisz ją w notatniku laboratoryjnym i przynieś kalorymetr z powrotem do stacji roboczej.
   • Oblicz masę zimnej wody, czyli_{m zimnej}, odejmując masę pustego kalorymetru od masy kalorymetru, w którym znajduje się zimna woda.
   • Odmierz 50 ml wody dejonizowanej i wlej ją do zlewki o pojemności 150 ml. Umieść zlewkę na płycie grzejnej pod termometrem clamp i zamocuj termometr cyfrowy w wodzie.
   • Ustaw kalorymetr na środku małego talerza mieszającego pod innym zaciskiem termometru i przykryj go tekturową pokrywką z otworem pośrodku.
   • Włącz urządzenie rejestrujące dane i skonfiguruj je tak, aby rejestrowało temperaturę w czasie. Ustaw szybkość zapisu danych na dwa odczyty na sekundę, a czas nagrywania na 600 s.
   • Włóż sondę temperatury przez otwór w pokrywie kalorymetru i zaciśnij ją na miejscu. Sonda powinna być zawsze zamocowana na tyle wysoko, aby można było podnieść pokrywę.
   • Uruchom silnik mieszający i zwiększaj prędkość obrotową, aż mieszadło zacznie się równomiernie poruszać w kalorymetrze.
   • Gdy temperatura pokazana na urządzeniu do akwizycji danych ustabilizuje się z dokładnością plus lub minus 0,1 °C, zapisz to w swoim notatniku laboratoryjnym jako_{T na zimno początkowe}.
   • Następnie włącz płytę grzejną i monitoruj temperaturę wody za pomocą cyfrowego termometru. Czekając, przynieś kilka ręczników papierowych do dygestorium.
   • Gdy woda osiągnie 60 °C, wyłącz płytę grzejną. Wyjmij sondę temperatury z zimnej wody, wytrzyj ją i przytrzymaj lub clamp w gorącej wodzie. Upewnij się, że sonda nie dotyka dna zlewki, gdy odczyt temperatury się stabilizuje.
   • Zapisz temperaturę w swoim notatniku laboratoryjnym jako_{T hot-initial}. Następnie wyjmij sondę z gorącej wody, wytrzyj ją i włóż z powrotem do kalorymetru.
   • Gdy odczyt temperatury się ustabilizuje, rozpocznij zbieranie danych i poczekaj, aż urządzenie zarejestruje kilka sekund danych.
   • Następnie ostrożnie wlej gorącą wodę do kalorymetru. Monitoruj odczyt temperatury, gdy miesza się ciepła i zimna woda.
   • Gdy temperatura osiągnie maksimum, co oznacza, że temperatura już nie rośnie, kontynuuj zbieranie danych przez 5 - 6 minut, aby upewnić się, że rejestrujesz temperaturę równowagi.
   • Następnie zatrzymaj zbieranie danych i nazwij je 'kalibracja'. Zdejmij sondę i pokrywkę z kalorymetru i odłóż je na bok.
   • Zmierz masę kalorymetru wypełnionego wodą na wadze ładowanej od góry.
   • Zapisz masę w swoim notatniku laboratoryjnym i przynieś kalorymetr z powrotem do dygestorium.
   • Oblicz masę gorącej wody, czyli m_gorącej, odejmując masę kalorymetru zawierającego zimną wodę od masy kalorymetru zawierającego zmieszaną gorącą i zimną wodę.
   • Wyjmij mieszadło magnetyczne z kalorymetru i wlej wodę do zlewu.
   • Dokładnie osusz kalorymetr i mieszadło, a następnie włóż je z powrotem do kalorymetru przed kontynuacją.
2. Mg_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H_2(g)Rozwiń

   Jest to pierwsza reakcja, którą wykonasz w kalorymetrze. Tutaj metaliczny magnez jest utleniany do magnezu 2+, a H+ jest redukowany do wodoru gazowego. Będziesz kontynuować pracę pod wyciągiem ze względu na zagrożenia związane z reagentami i produktami tej reakcji. Taśma magnezowa metalowa jest reaktywna z wodą i łatwopalna. Kwas solny jest i toksyczny, a gazowy wodór jest również łatwopalny.

   • Utwórz nowy przebieg zbierania danych z tymi samymi ustawieniami co poprzednio.
   • Oznacz zlewkę o pojemności 600 ml na wodne odpady magnezowe, które muszą być zutylizowane oddzielnie na końcu laboratorium.
   • Zdobądź wstążkę magnezową, która jest dostarczana w postaci wstępnie przyciętych pasków o wadze od 0,45 do 0,55 g. Umieść jeden kawałek wstążki w łódce do ważenia i przynieś go z powrotem do kaptura.
   • Następnie użyj ręcznika papierowego i papieru ściernego, aby wypolerować wstążkę magnezową, odsłaniając błyszczący, srebrzysty materiał. Polerowanie usuwa zewnętrzną warstwę tlenku magnezu, która powstaje, gdy magnez metaliczny jest wystawiony na działanie powietrza.
   • Pokrój polerowaną taśmę magnezową na kawałki o długości od 0,5 do 1 cm w łodzi do ważenia.
   • Użyj wagi analitycznej i drugiej tarowanej łodzi do ważenia, aby zmierzyć dokładną masę swojego magnezu. Zapisz masę w notatniku laboratoryjnym. Następnie wyrzuć dodatkową łódkę ważącą i przynieś kawałki magnezu z powrotem do dygestorium.

     Tabela 2: Pierwsza reakcja Mg + 2 HCl

     MasaMg (g)
     Objętość dodanego HCL (ml)
     T początkowy (°C)
     T końcowy (°C)
     ΔTMg + HCl (K)
     GęstośćHCl (g/mL)	1.039
     MasaHCl (g)
     Roztwór masowy (g)
     Ciepło właściwe: 2 M HCl (J/g·K)	3.98
     ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ)
     Odczynnik ograniczający (mol)
     Wydajność teoretyczna (mol)
     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 2
   • Teraz przynieś zlewkę o pojemności 150 ml i szkiełko zegarkowe do okapu do dozowania HCl i ostrożnie wlej do zlewki około 110 ml 2.0 M HCl. Przykryj zlewkę i przenieś ją z powrotem do okapu.
   • Użyj 50-mililitrowego cylindra z podziałką, aby dodać 100 ml 2 M HCl do suchego kalorymetru. Zapisz całkowitą objętość dodanego HCl i zneutralizuj wszelkie krople rozlanego kwasu.
   • Następnie umieść kalorymetr na płytce mieszającej, przykryj kalorymetr i zaciśnij sondę temperatury na miejscu.
   • Ustaw silnik mieszający na średnio-wysoką prędkość i zacznij rejestrować dane dotyczące temperatury. Poczekaj 30 sekund na zebranie danych, aby uzyskać dokładną temperaturę początkową.
   • Następnie podnieś tekturową pokrywę i dodaj wszystkie kawałki magnezu do kalorymetru.
   • Dostosuj prędkość mieszania tak, aby kawałki poruszały się energicznie. nuta: Ważne jest, aby dobrze wymieszać mieszaninę, aby rozpuścić jak najwięcej magnezu w kwasie.
   • Teraz zamknij kalorymetr i monitoruj odczyt danych wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura osiągnie maksimum, pozwól na kontynuowanie zbierania danych przez kolejne pięć minut. Następnie przerwij zbieranie danych i wyłącz silnik mieszania.
   • Aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego w następnym eksperymencie, dokładnie przepłucz sondę temperatury wodą dejonizowaną i zbierz płukanie do zlewki na odpady.
   • Następnie wyjmij kalorymetr z płytki mieszającej i wyjmij pręt mieszadła za pomocą kleszczy. W ten sam sposób wyczyść mieszadło i kleszcze.
   • Wlej zawartość kalorymetru do odpływu i dokładnie umyj kalorymetr wodą dejonizowaną. Osusz kalorymetr ręcznikami papierowymi.
   • Zamień kolejność układania kubków z polistyrenu, aby zapewnić czystą powierzchnię wewnętrzną dla następnej reakcji. Osusz kleszcze, mieszadło i sondę temperatury, a następnie włóż mieszadło z powrotem do kalorymetru.
3. MgO_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H₂O_(l)Rozwiń

   Oto druga reakcja, którą wykonasz w kalorymetrze. Jest to reakcja kwasowo-zasadowa, w której tlenek magnezu neutralizuje HCl. Tak jak poprzednio, chlorek magnezu pozostanie w roztworze w postaci solwatowanych jonów. Tlenek magnezu działa drażniąco na drogi oddechowe, dlatego należy zachować ostrożność podczas jego pomiaru.

   • Utwórz nowy przebieg zbierania danych z tymi samymi ustawieniami co poprzednio, aby kontynuować pracę z laboratorium.
   • Odmierz około 1 g tlenku magnezu na wadze analitycznej i zapisz dokładną masę w swoim notatniku laboratoryjnym.

     Tabela 3: Druga reakcja MgO + HCl

     MasaMgO (g)
     Objętość dodanego HCL (ml)
     T początkowy (ºC)
     T końcowy (ºC)
     ΔTMgO + HCl (K)
     GęstośćHCl (g/mL)	1.039
     MasaHCl (g)
     Roztwór masowy (g)
     Ciepło właściwe: 2 M HCl (J/g·K)	3.98
     ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (kJ)
     Odczynnik ograniczający (mol)
     Wydajność teoretyczna (mol)
     ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 3
   • Użyj swojej 150-mililitrowej zlewki, aby przetransportować około 110 ml 2 M HCl do swojego dygestoria. Wlej 100 ml HCl do kalorymetru i zapisz objętość HCl w zeszycie laboratoryjnym.
   • Ustaw kalorymetr na płytce mieszającej w taki sam sposób, jak w ostatnim eksperymencie. Rozpocznij mieszanie z dużą prędkością i zacznij zbierać dane o temperaturze. Odczekaj 30 sekund, aby ustalić dokładny początkowy odczyt temperatury.
   • Następnie podnieś pokrywę kalorymetru i wlej do niego jednocześnie tlenek magnezu. Upewnij się, że mieszanina energicznie miesza się przed założeniem pokrywki. Monitoruj odczyt temperatury w miarę jej wzrostu.
   • Gdy temperatura osiągnie maksimum, zbierz kolejne 5 minut danych. Następnie przerwij zbieranie danych i wyłącz silnik mieszania.
   • Zapisz swoje dane i przenieś plik na komputer lub pendrive, abyś mógł go później przetworzyć.
   • Teraz wyczyść i osusz sondę, mieszadło i kleszcze w taki sam sposób jak poprzednio. Wlej mieszaninę reakcyjną do zlewki na odpady i wypłucz wnętrze kalorymetru przed wyrzuceniem kubków.
   • Zneutralizuj kwaśne odpady magnezu za pomocą sody oczyszczonej, potwierdź, że pH jest dopuszczalne za pomocą papieru do pomiaru pH i przelej je do pojemnika przeznaczonego na wodne odpady magnezu.
   • Dokładnie opłucz zlewkę wodą dejonizowaną i wlej płukanie do odpadów. Po zakończeniu zamknij pojemnik na odpady.
   • Następnie odłóż swój sprzęt laboratoryjny i umyj szkło zgodnie ze standardowymi procedurami laboratorium.
   • Zneutralizuj wszelkie kwaśne odpady niezawierające magnezu za pomocą sody oczyszczonej przed spłukaniem ich do kanalizacji.
   • Wyrzuć łodzie do ważenia, papier ścierny i kubki odpowiednie do swojego laboratorium, posprzątaj rozlane materiały w swoim dygestoriach i wyrzuć zużyte ręczniki papierowe i inne śmieci.
4. WynikiRozwiń
   • Najpierw wykreśl swoje trzy zestawy danych z temperaturą na osi y i czasem na osi x.
   • Znajdź zmiany temperatury, które są Ci potrzebne do obliczeń, zaczynając od danych kalibracyjnych. Zmierzyłeś początkowe temperatury gorącej i zimnej bezpośrednio, więc musisz tylko znaleźć_{T final}, która jest szczytową stabilną temperaturą po zmieszaniu wody. Wypełnij wartości początkowe i końcowe i rozwiąż dla ΔT_{na gorąco} i ΔT_{na zimno}.
   • Następnie spójrz na dane z twoich reakcji. Podobnie jak w przypadku danych kalibracyjnych, Tfinal dla każdej reakcji jest temperaturą szczytową. _{T początkowa} to stabilna temperatura przed rozpoczęciem każdej reakcji. Wypełnij te wartości i rozwiąż, aby uzyskać ΔT dla każdej reakcji. Ponieważ ΔT jest różnicą temperatur, a stopnie Celsjusza i Kelvina mają ten sam interwał, możesz po prostu zmienić jednostki na kelwiny.
   • Teraz oblicz pojemność cieplną swojego kalorymetru i zmiany w energii wewnętrznej reakcji. W tych obliczeniach załóżmy, że ciśnienie było stałe, objętość roztworu prawie się nie zmieniała podczas podgrzewania i że nie było transferu energii między roztworem a jego otoczeniem. Przy tych założeniach zmiana entalpii jest równa ciepłu, które z kolei jest w przybliżeniu równe zmianie energii wewnętrznej.
   • Najpierw oblicz pojemność cieplną swojego kalorymetru. Zacznij od wypełnienia mas gorących i zimnych porcji wody z pierwszej części laboratorium. Wypełnij wartości_{ΔT gorące} i ΔT_zimne, które zostały obliczone na podstawie danych kalibracyjnych. Wykorzystaj ciepło właściwe wody pod ciśnieniem otoczenia i rozwiąż kwestię pojemności cieplnej kalorymetru.
   • Następnie oblicz energię wewnętrzną pierwszej reakcji. Określ masę swojego roztworu, dodając do siebie masy swoich reagentów. ΔT pochodzi z twojego wykresu. Znasz pojemność cieplną swojego kalorymetru, a pojemność cieplna właściwa 2 M HCl wynosi około 3,98 J/K⋅g. Wypełnij te wartości i rozwiąż, aby znaleźć energię wewnętrzną, a tym samym przybliżoną entalpię tej reakcji. Użyj tego samego procesu, aby oszacować entalpię drugiej reakcji.
   • Dla każdej reakcji zidentyfikuj odczynnik ograniczający i oblicz teoretyczną wydajność w molach. Na tej podstawie skaluj entalpie, aby uzyskać plon 1 mola.
   • Teraz oblicz entalpię powstawania tlenku magnezu, korzystając z tych wartości i znanej entalpii powstawania H₂O. Zauważ, że twoja druga reakcja musi być odwrócona, aby te trzy reakcje sumowały się do powstania tlenku magnezu, więc użyjesz ujemnej entropii reakcji do przodu.

     Tabela 4: Obliczanie entalpii powstawania MgO

     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)
     -ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)
     ΔHfH2O (kJ/mol)
     ΔHMgO (wartość obliczona; kJ/mol)
     ΔHMgO (wartość literaturowa; kJ/mol)
     Błąd procentowy

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 4
   • Na koniec, oblicz procentowy błąd między obliczoną wartością a znanym tworzeniem się entalpii tlenku magnezu.