Why is polystyrene used to construct a calorimeter?

Polystyrene is an excellent insulator that minimizes heat exchange between the calorimeter's interior and external environment. This property ensures that the heat measured during reactions comes primarily from the chemical reaction itself rather than from heat loss to surroundings, making temperature measurements more accurate and reliable for calculating enthalpy changes.

What is the purpose of calibrating a calorimeter before measuring reaction heat?

Calorimeter calibration determines how much heat the calorimeter itself absorbs during temperature changes. By adding hot water to cold water and measuring the temperature change, you calculate the calorimeter's heat capacity. This value is then used to account for heat absorbed by the calorimeter during chemical reactions, ensuring accurate enthalpy measurements.

How does polishing magnesium ribbon affect the reaction with hydrochloric acid?

Polishing removes the outer layer of magnesium oxide that forms when magnesium metal is exposed to air. This reveals fresh, reactive magnesium metal underneath, ensuring the reaction proceeds efficiently and completely. Without polishing, the oxide layer would slow or inhibit contact between the magnesium and hydrochloric acid.

Why is stirring important during calorimetry experiments?

Stirring ensures uniform mixing of reactants and products throughout the solution, allowing the temperature probe to accurately measure the true temperature of the entire mixture. Vigorous stirring also helps dissolve reactants completely and distributes heat evenly, preventing localized hot or cold spots that would compromise temperature readings and enthalpy calculations.

What assumptions allow enthalpy change to equal internal energy change in these experiments?

The experiments assume constant pressure, negligible volume change as the solution heats, and no energy transfer between the solution and surroundings. Under these conditions, the enthalpy change equals the heat released or absorbed, which approximately equals the change in internal energy. These assumptions simplify calculations and make the measured temperature changes directly proportional to reaction enthalpy.

How do you calculate the enthalpy of formation of magnesium oxide from two separate reactions?

You measure the enthalpy of the magnesium-hydrochloric acid reaction and the magnesium oxide-hydrochloric acid reaction separately. Then you reverse the second reaction and combine it with the first reaction and the known enthalpy of formation of water using Hess's Law. This combination yields the enthalpy of formation of magnesium oxide, which you compare to literature values to determine percent error.

Why must magnesium oxide and hydrochloric acid reaction data be collected after the magnesium metal reaction?

The second reaction is performed after the first to allow time for data processing and to ensure the calorimeter is thoroughly cleaned and dried between experiments. Additionally, the experimental design uses both reactions together with Hess's Law to calculate the enthalpy of formation of magnesium oxide, requiring both datasets to be complete before final calculations can be performed.

Энтальпия реакции

Concepts Instructor Prep Student Protocol

0 views03:37 min

Термодинамика — это наука о теплоте и ее связи с энергией и работой. Одним из наиболее важных термодинамических свойств является энтальпия, которая указывает на тепловую энергию, передаваемую процессом при постоянном давлении. Энтальпия используется для описания химических реакций, в которых изменение энтальпии, ΔH, сообщает нам, сколько тепла поглощается или выделяется во время химической реакции.

Энтальпия является функцией состояния, что означает, что изменение не зависит от пути и учитывает только начальное и конечное состояние. Таким образом, ΔH реакции вычисляется путем вычитания суммы энтальпий реагентов из суммы энтальпий продуктов.

Если ΔH положительный, реакция является эндотермической и поглощает тепло из окружающей среды. Если ΔH отрицательный, реакция является экзотермической и выделяет тепло в окружающую среду.

Мы можем измерить изменение энтальпии в реакции с помощью изолированной системы, такой как калориметр. Упрощенный калориметр, подобный тому, который мы имеем здесь, состоит из изолированной ячейки для образца с мешалкой и термометром. По мере того, как реакция протекает внутри изолированного элемента, температура меняется, и мы можем измерить ΔT.

Можно предположить, что никакая энергия не передается внутрь или из ячейки образца, потому что она изолирована. Таким образом, мы можем предположить, что изменение температуры происходит из-за изменения температуры в ходе реакции.

Итак, как мы используем ΔT для вычисления ΔH? При постоянном давлении ΔH равен тепловому потоку, Q. Q равен массе вещества, умноженной на его удельную теплоемкость и изменение температуры. Удельная теплоемкость, c_s, является мерой того, сколько тепла требуется для повышения температуры 1 г материала на 1 °C.

Материал с более высокой удельной теплоемкостью требует больше энергии для повышения своей температуры и наоборот. Значения удельной теплоемкости для распространенных веществ можно найти в литературе. Таким образом, мы можем использовать удельную теплоемкость, а также массу вещества и изменение температуры, чтобы рассчитать ΔH для реакции.

В вашем эксперименте мы будем измерять изменение энтальпии для образования оксида магния из магния и кислорода. Использование нашего простого калориметра требует от нас измерения теплоты реакции косвенно с помощью серии отдельных этапов реакции. Таким образом, мы запустим каждую реакцию отдельно и измерим ΔT и, соответственно, ΔH для каждой реакции. Тогда, согласно закону Гесса, энтальпия общей реакции равна сумме энтальпий каждой из энтальпий реакции для каждого шага реакции.

В этой лаборатории вы сконструируете простой калориметр с использованием полистирольных чашек, а затем экспериментально определите энтальпию образования оксида магния.

Print Procedure Steps

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

Сбор данных для расчета теплоемкости калориметра<кнопка class="expand">Expand

В этом эксперименте будет использоваться калориметр с постоянным давлением, состоящий из двух сложенных полистирольных чашек, картонной крышки и зонда, измеряющего температуру раствора в режиме реального времени. Полистирол является хорошим изолятором, поэтому можно предположить, что между внутренней и внешней частями чашек не происходит теплообмена. Калориметр сам будет поглощать некоторое количество тепла, которое вы учтете, рассчитав его теплоемкость.

В первой части этого эксперимента вы добавите горячую воду к холодной воде в калориметре и измерите повышение температуры. После эксперимента вы подсчитаете, сколько тепла горячая вода потеряла калориметру, а не холодной воде.

Наденьте лабораторный халат, защитные очки или очки с защитой от брызг, а также одноразовые перчатки. Убедитесь, что вытяжной шкаф чистый и готов к использованию, а стеклянная посуда чистая и неповрежденная.
Чтобы начать лабораторию, сложите две полистирольные чашки, чтобы получился изолированный калориметрический сосуд. Поместите в калориметр магнитную мешалку.

Измерьте общую массу пустых чашек и мешалки на обнуленных весах верхней загрузки. Запишите это в лабораторный блокнот как пустую калориметрическую массу и вернитесь в вытяжной шкаф.

Таблица 1: Калибровка калориметра

Масса_{пустого калориметра}(г)
Массовый_{калориметр + холодная вода} (г)
Масса_{холодной воды} (г)
T_{холодный начальный} (ºC)
T_{горячее начальное}(ºC)
Массовый_{калориметр + смесь холодной и горячей воды}(г)
Масса_{горячей воды} (г)
T_{конечная}(ºC)
ΔT_{горячая} (K)
ΔT_{в холодном состоянии} (K)
Удельная теплоемкость воды (Дж/г·К)	4.184
Теплоемкость калориметра (Дж/К)

Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1

Отмерьте 50 мл холодной воды из-под крана и налейте ее в калориметр. Измерьте общую массу, запишите ее в лабораторный блокнот и верните калориметр на рабочую станцию.
Рассчитайте массу холодной воды, или m_{холодной}, вычитая массу пустого калориметра из массы калориметра с холодной водой.
Отмерьте 50 мл деионизированной воды и налейте ее в стакан объемом 150 мл. Поместите стакан на горячую плиту под зажим термометра и закрепите цифровой термометр в воде.
Установите калориметр в центр маленькой пластины для размешивания под другим зажимом для термометра и накройте его картонной крышкой, в центре которой есть отверстие.
Включите устройство для записи данных и настройте его на запись температуры с течением времени. Установите скорость записи на два показания в секунду и продолжительность записи на 600 с.
Вставьте датчик температуры через отверстие в крышке калориметра и зажмите его на месте. Щуп всегда должен быть закреплен достаточно высоко, чтобы можно было поднять крышку.
Запустите двигатель перемешивания и увеличивайте скорость вращения, пока полоса перемешивания не начнет равномерно перемешивать в калориметре.
Как только температура, отображаемая на устройстве сбора данных, стабилизируется в пределах плюс-минус 0,1 °C, запишите ее в свой лабораторный блокнот как T_cold-initial.
Затем включи конфорку и контролируй температуру воды с помощью цифрового термометра. Пока вы ждете, поднесите несколько бумажных полотенец к вытяжному шкафу.
Как только температура воды достигнет 60 °C, выключите горячую плиту. Выньте температурный щуп из холодной воды, вытрите его и подержите или зажмите в горячей воде. Следите за тем, чтобы щуп не касался нижней части стакана, когда показания температуры стабилизируются.
Запишите температуру в свой лабораторный блокнот как T_hot-initial. Затем выньте щуп из горячей воды, сотрите его и верните в калориметр.
Как только показания температуры стабилизируются, начните сбор данных и подождите, пока устройство запишет данные за несколько секунд.
Затем осторожно налейте горячую воду в калориметр. Следите за показаниями температуры при смешивании горячей и холодной воды.
Как только температура достигнет максимума, что означает, что температура больше не увеличивается, продолжайте собирать данные в течение 5-6 минут, чтобы убедиться, что вы записываете равновесную температуру.
Затем остановите сбор данных и назовите данные "калибровка". Снимите щуп и крышку с калориметра и отложите их в сторону.
Измерьте массу заполненного водой калориметра на весах с верхней загрузкой.
Запиши массу в свой лабораторный блокнот и принеси калориметр обратно в вытяжной шкаф.
Рассчитайте массу горячей воды, или m_{горячей}, вычитая массу калориметра, содержащего холодную воду, из массы калориметра, содержащего смешанную горячую и холодную воду.
Снимите магнитную мешалку с калориметра и вылейте воду в раковину.
Тщательно высушите калориметр и полоску для перемешивания и верните полоску для перемешивания в калориметр, прежде чем продолжить.

Mg_(s)+ 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq)+ H₂_(g)<кнопка class="развернуть">Развернуть

Это первая реакция, которую вы будете выполнять в калориметре. При этом металлический магний окисляется до магния 2+, а H+ восстанавливается до газообразного водорода. Вы продолжите работу в вытяжном шкафу из-за опасностей, связанных с реагентами и продуктами этой реакции. Металлическая лента из магния реагирует с водой и легко воспламеняется. Соляная кислота вызывает коррозию и токсичность, а газообразный водород также легко воспламеняется.

Создайте новый прогон сбора данных с теми же настройками, что и раньше.
Пометьте стакан объемом 600 мл для водных отходов магния, которые необходимо утилизировать отдельно в конце лаборатории.
Получите магниевую ленту, которая поставляется в виде предварительно нарезанных полосок весом от 0,45 до 0,55 г. Поместите один кусок ленты в лодку для взвешивания и верните его обратно на капюшон.
Затем используйте бумажное полотенце и наждачную бумагу, чтобы отполировать магниевую ленту, обнажив блестящий, серебристый материал. Полировка удаляет внешний слой оксида магния, который образуется при воздействии на металлический магний воздуха.
Разрежьте полированную магниевую ленту на кусочки длиной от 0,5 до 1 см в лодке для взвешивания.

Используйте аналитические весы и вторую тарированную лодку для взвешивания, чтобы точно измерить массу вашего магния. Запишите массу в свой лабораторный блокнот. Затем выбросьте лишнюю лодочку для взвешивания и верните детали магния обратно в вытяжной шкаф.

Таблица 2: Первая реакция Mg + 2 HCl

_{Масса Mg} (г)
_{Объем добавленной} _HCL (мл)
_{T начальный} (°C)
T_{конечная} (°C)
ΔT_{Mg + HCl} (K)
Плотность_HCl (г/мл)	1.039
Масса_HCl (г)
Массовый_{раствор}(г)
Удельная теплоемкость 2 млн HCl (Дж/г·K)	3.98
ΔU_{Mg + 2H}+≈ ΔH_{Mg + 2H}+ (кДж)
Реагент лимитирующий (моль)
Теоретический выход (моль)
ΔH_{Mg + 2H}+ (кДж/моль)

Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2

Теперь поднесите стакан объемом 150 мл и стакан для часов к вытяжному шкафу для дозирования HCl и осторожно налейте в стакан около 110 мл 2,0 M HCl. Накройте стакан крышкой и отнесите его обратно к капюшону.
Используйте мерный цилиндр объемом 50 мл, чтобы добавить 100 мл 2 мл HCl в сухой калориметр. Запишите общий объем добавленного HCl и нейтрализуйте любые капли пролитой кислоты.
Затем положите калориметр на пластину для перемешивания, накройте калориметр и зажмите датчик температуры на месте.
Установите двигатель мешалки на средне-высокую скорость и начните записывать данные о температуре. Подождите, пока не будет собрано 30 секунд данных, чтобы получить точную начальную температуру.
Затем поднимите картонную крышку и добавьте кусочки магния в калориметр все сразу.
Отрегулируйте скорость перемешивания так, чтобы кусочки быстро перемешивались. заметка: Важно хорошо перемешать смесь, чтобы растворить в кислоте как можно больше магния.
Теперь закройте калориметр и следите за считыванием данных по мере повышения температуры. Как только температура достигнет максимума, дайте продолжить сбор данных еще пять минут. Затем остановите сбор данных и выключите двигатель перемешивания.
Чтобы избежать перекрестного загрязнения в следующем эксперименте, тщательно промойте температурный зонд деионизированной водой и соберите ополаскиватель в стакан для отходов.
Затем извлеките калориметр из пластины для перемешивания и достаньте полосу для перемешивания с помощью щипцов. Таким же образом очистите мешалку и щипцы.
Вылейте содержимое калориметра в отходы и тщательно промойте калориметр деионизированной водой. Высушите калориметр бумажными полотенцами.
Измените порядок укладки полистирольных чашек, чтобы обеспечить чистую внутреннюю поверхность для следующей реакции. Высушите щипцы, стержень для перемешивания и температурный щуп и верните стержень для перемешивания в калориметр.

MgO_(s)+ 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq)+ H₂O_(l)

Вот вторая реакция, которую вы будете выполнять в калориметре. Это кислотно-щелочная реакция, в которой оксид магния нейтрализует HCl. Как и прежде, хлорид магния будет оставаться в растворе в виде сольватированных ионов. Оксид магния является раздражителем дыхательных путей, поэтому будьте осторожны при его измерении.

Создайте новый прогон сбора данных с теми же настройками, что и раньше, чтобы продолжить работу с лабораторией.

Отмерьте примерно 1 г оксида магния на аналитических весах и запишите точную массу в свой лабораторный блокнот.

Таблица 3: Вторая реакция MgO + HCl

Масса_MgO (г)
_{Объем добавленной HCL} (мл)
_{T начальный}(ºC)
T_{конечная} (ºC)
ΔT_{MgO + HCl}(K)
Плотность_HCl (г/мл)	1.039
Масса_HCl (г)
_{Массовый раствор} (г)
Удельная теплоемкость 2 млн HCl (Дж/г·K)	3.98
ΔU_{MgO + 2H}+ ≈ ΔH_{MgO + 2H}+(кДж)
Реагент лимитирующий (моль)
Теоретический выход (моль)
ΔH_{MgO + 2H}+ (кДж/моль)

Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 3

Используйте свой стакан объемом 150 мл для транспортировки около 110 мл 2 мл HCl в вытяжной шкаф. Налейте 100 мл HCl в калориметр и запишите объем HCl в лабораторный блокнот.
Настройте калориметр на пластине для перемешивания так же, как в прошлом эксперименте. Начните перемешивать на высокой скорости и начните собирать данные о температуре. Подождите 30 с, чтобы установить точные начальные показания температуры.
Затем поднимите крышку калориметра и налейте весь оксид магния в калориметр сразу. Убедитесь, что смесь энергично перемешивается, прежде чем закрывать крышку. Следите за показаниями температуры по мере ее повышения.
Как только температура достигнет максимума, собери еще 5 мин данных. Затем остановите сбор данных и выключите двигатель перемешивания.
Сохраните свои данные и перенесите файл на компьютер или флешку, чтобы вы могли обработать его позже.
Теперь очистите и высушите зонд, перемешайте стержень и щипцы так же, как и раньше. Вылейте реакционную смесь в стакан для отходов и промойте внутреннюю часть калориметра перед тем, как утилизировать чашки.
Нейтрализуйте кислые магниевые отходы пищевой содой, подтвердите, что pH приемлем, с помощью бумаги для pH и вылейте его в контейнер, предназначенный для водных магниевых отходов.
Тщательно промойте стакан деионизированной водой и вылейте ополаскиватель в отходы. Когда закончите, закройте контейнер для отходов.
Затем уберите свое лабораторное оборудование и вымойте стеклянную посуду в соответствии со стандартными процедурами вашей лаборатории.
Нейтрализуйте любые водные кислотные отходы, не содержащие магний, с помощью пищевой соды, прежде чем смывать их в канализацию.
Выбросьте весовые лодочки, наждачную бумагу и стаканчики, подходящие для вашей лаборатории, уберите пролитые материалы в вытяжном шкафу и выбросьте использованные бумажные полотенца и другой мусор.

Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть

Сначала построите график трех наборов данных с температурой по оси y и временем по оси x.
Найдите изменения температуры, которые вам нужны для ваших расчетов, начиная с данных калибровки. Вы измерили начальную горячую и холодную температуру напрямую, поэтому вам нужно найти только_{T final}, который является пиковой стабильной температурой после смешивания воды. Заполните начальное и конечное значения и рассмотрите для ΔT_{в горячем} состоянии и ΔT_{в холодном состоянии}.
Далее посмотри на данные своих реакций. Как и в случае с данными калибровки, Tfinal для каждой реакции — это пиковая температура. _{T начальная} — это стабильная температура перед началом каждой реакции. Заполните эти значения и решите, чтобы получить ΔT для каждой реакции. Поскольку ΔT — это разница температур, а градусы Цельсия и Кельвина имеют одинаковый интервал, вы можете просто изменить единицы измерения на Кельвины.
Теперь рассчитай теплоемкость твоего калориметра и изменения внутренней энергии реакций. Для этих расчетов предположим, что давление было постоянным, объем раствора почти не менялся при нагревании и что передача энергии между раствором и окружающей средой не происходила. Согласно этим предположениям, изменение энтальпии равно теплоте, которая, в свою очередь, примерно равна изменению внутренней энергии.
Сначала рассчитайте теплоемкость вашего калориметра. Начните с заполнения массы горячей и холодной порций водой из первой части лаборатории. Введите значения ΔT_{в горячем} и_{ΔT в холодном состоянии}, рассчитанные на основе данных калибровки. Используйте удельную теплоемкость воды при давлении окружающей среды и рассмотрите теплоемкость калориметра.
Далее рассчитайте внутреннюю энергию первой реакции. Определите массу раствора, сложив массы реагентов. ΔT берется из вашего графика. Вы знаете теплоемкость калориметра, а удельная теплоемкость 2 М HCl составляет около 3,98 Дж/К⋅г. Заполните эти значения и решите найти внутреннюю энергию, а значит и примерную энтальпию этой реакции. Используйте тот же процесс для оценки энтальпии второй реакции.
Для каждой реакции определите предельный реагент и рассчитайте теоретический выход в молях. Исходя из этого, масштабируйте энтальпии на выход 1 моль.

Теперь рассчитайте энтальпию образования оксида магния, используя эти значения и известную энтальпию образования H₂O. Обратите внимание, что ваша вторая реакция должна быть обращенной, чтобы эти три реакции привели к образованию оксида магния, поэтому вы будете использовать отрицательную энтропию прямой реакции.

Таблица 4: Расчет энтальпии образования MgO

ΔH_{Mg + 2H}+ (кДж/моль)
-ΔH_{MgO + 2H}+ (кДж/моль)
ΔH_fH₂O (кДж/моль)
ΔH_MgO (расчетное значение; кДж/моль)
ΔH_MgO (литературное значение; кДж/моль)
Процент погрешности