Teresa Łuczak WYZNACZANIE MOLOWEJ ENTALPII REAKCJI ZOBOJĘTNIANIA

Transkrypt

1 Ćwicni 2 Trsa Łuca WYZNACZANIE MOLOWE ENTALPII REAKCI ZOBOĘTNIANIA Zagadninia: Podstawow ojęcia trodynaicn: uład (iolowany, anięty, otwarty), otocni uładu, aratry stanu, wilości intnsywn i stnsywn, funcj stanu. Enrgia wwnętrna uładu i irwsa asada trodynaii. Entalia i równani irwsj asady trodynaii wyrażon a oocą ntalii. Efty nrgtycn w rianach gaów dosonałych: riana iobarycna, iochorycna, adiabatycna. Równani trochicn. Doświadcaln tody wynacania ciła racji orytria. Prawo Hssa (wyrowadni). Zalżność ciła racji od tratury. Entalia rouscania, hydratacji, rocińcania, obojętniania. Każdj racji chicnj towarysy obirani lub wydilani nrgii r uład. Badania ftów cilnych towarysących racjo chicny oirają się na rawach trochicnych, wyniających irwsj asady trodynaii. Enrgia wwnętrna uładu (U ) jst funcją aratrów stanu, natoiast raca i ciło w wilu rianach alżą od drogi dango rocsu i ni osiadają właściwości funcji stanu. Matatycn sforułowani irwsj asady trodynaii dla riany lntarnj achodącj w uładi anięty rdstawia równani: du = đ q + đ w + đ w (1) obj gdi đ q, đ wobj, đ w onacają odowidnio ciło, racę objętościową i racę niobjętościową w riani lntarnj (riani nisońcni ałj). Praca i ciło ni są funcjai stanu i at ich różnica jst niułna ( đ ). Zgodni ryjętą asadą naowania, dodatnią wartością dv wiąż się ujna wartość racy: đ w obj = dv (2) gdi, V onacają odowidnio ciśnini i objętość, natoiast dv = V V gdi: V, V to objętość odowidnio w stani ocątowy i ońcowy. Zat: du = đ q dv + đ w (3) W ryadu rocsu achodącgo w warunach iochorycnych ( d V = 0) b racy niobjętościowj ( w ), równani irwsj asady trodynaii urasca się do ostaci: d U = (đ q) = d (4) V q V Onaca to, ż iana nrgii wwnętrnj uładu równa jst wartości ciła wyiniongo otocni ( q V ). W ty ryadu ( V = const, w = 0 ) ciło uysuj właściwości funcji stanu i dla danj riany alży jdyni od stanu ocątowgo i stanu ońcowgo uładu. W ratyc więsość rian, a własca rocsy chicn, rowadi się od stały ciśnini. Stan uładu w rocsach iobarycnych dogodni jst oisywać a oocą funcji trodynaicnj wanj ntalią, dfiniowanj jao: H = U + V (5) 1

2 Entalia, odobni ja nrgia wwnętrna, jst funcją aratrów stanu i w riani sońconj alży tylo od stanu ocątowgo i ońcowgo uładu. Matatycn sforułowani irwsj asady trodynaii dla riany lntarnj achodącj w uładi anięty rdstawia równani: d H = đ q + V d + đ w (6) Gdy rocs rbiga w warunach iobarycnych ( d = 0 ) i ni wystęuj w ni raca niobjętościowa ( w = 0 ). Wówcas równani to ryjuj ostać: d H = (đ q) = d (7) q Z równania tgo ora irwsj asady trodynaii wynia, ż ry = const i w = 0, iana ntalii uładu jst równa wartości ciła wyiniongo otocni ( ). Onaca to, ż ciło uysuj właściwości funcji stanu i ni alży od drogi riany, a jdyni od stanu ocątowgo i ońcowgo uładu. żli w uładi rbiga racja chicna, T i V są stał, i w = 0, to różnica ułna nrgii wwnętrnj uładu U ( T, V, ξ) jst dana wor: U du d ξ (8) T,V gdi ξ licba ostęu racji. Z ołącnia uroscongo równania irwsj asady trodynaii (4) i równania (8) wynia: q q T, V d q d ξ T, V U T, V = r U [ ol 1 ] (9) Pochodna wyraża ilość ciła wyiniongo otocni r uład, w tóry achodi racja chicna, gdy achowan są waruni stałości tratury i objętości, a licba ostęu racji inia się o jdnostę. Stąd tę wilość ożna utożsaiać cił racji ry uładu T,V (d ξ q /d ) T, V U / ) T, V q T, V = const. Analogicni, ochodna ( ξ jst równa iani nrgii wwnętrnj ( ru), wiąanj rbigi racji chicnj, ry r U = ν U gdi nrgia wwnętrna dango ragnta. Roważając ntalię ragującgo uładu ( T,, ξ) T, = const, w = 0 otryujy: T, V = const i ξ = 1, ry cy ν wsółcynni stchiotrycny ragnta, U cąstowa olowa H i rouując analogicni ja wyżj, dla H d H d ξ (10) T, q T, d q d ξ T, H T, = r H [ ol 1 ] (11) Pochodna (d /d ξ) q T, rdstawia ilość ciła wyiniongo otocni r uład, w tóry achodi racja chicna w warunach stałości tratury i ciśninia, ry jdnostowj iani licby ostęu racji. Wilość ta jst utożsaiana cił racji q T, ry T, = const. dnocśni ochodna ( / ξ) jst równa iani ntalii uładu ( H) H T, wiąanj rbigi racji chicnj ry T, = const i ξ = 1. Z równania (11) wynia, ż 2

3 ciło racji q ry T, = const i ry ξ = 1 jst równ ntalii racji, ry cy H = ν H r T, gdi H cąstowa ntalia olowa ragnta. Równania (9) i (11) stanowią atatycną ostać odstawowgo rawa trochii rawa Hssa, tór ówi, ż ciło racji chicnj w warunach iotricno-iochorycnych lub iotricno-iobarycnych ry w = 0 ni alży od drogi rjścia lc od stanu ocątowgo i ońcowgo racji. Doładny oiar ciła racji ożliwy jst tylo dla niwilu tyów racji chicnych. Prcyyjn oiary orytrycn ożna wyonywać jdyni w ryadu racji rbigających sybo, do ońca i b rocsów ubocnych. Sybość racji owinna być taa, aby wydilani lub ochłaniani ciła nastęowało w róti orsi casu. Do taich racji nalży racja obojętniania. Procs obojętniania ocngo wasu ocną asadą, lub odwrotni, jst w istoci racją oiędy jonai H + i OH utworni cąstci wody H + (aq) + OH (aq) H 2 O(c) gdi indsy (aq) i (c) odnosą się odowidnio do rocińcongo rotworu wodngo i stanu ciłgo. Obsrwowany ft cilny w tj racji od stały ciśnini i w stałj tratur otocnia jst równy iani ntalii racji. Molową ntalię obojętniania (owstawania 1 ola + wody jonów H (aq) i OH (aq) onacono sybol H2 H. Eft cilny towarysący racji rotworu ocngo wasu rotwor ocnj asady jst wiąany ratycni wyłącni owstawani wody, a at ni alży od charatru chicngo ragujących sobą substancji, a wartość stałą. Natoiast odcas obojętniania rotworu słabj asady rotwor słabgo wasu lub odwrotni, suarycny ft cilny alży od rodaju ragujących sobą substancji bowi obo racji owstawania wody achodą rocsy ubocn, tai ja dysocjacja cy asocjacja. Dodatowo w obu ryadach ni ożna oinąć ftu nrgtycngo, tóry towarysy rocsowi rouscania ragntów (niscni sici rystalograficnj, solwatacja). Suarycny ft cilny obsrwowany w tai ryadu, odcas dodawania wasu do asady, lub odwrotni o rlicniu na 1 ol obojętnianj substancji onacono sybol H. Procs rouscania różni się od racji chicnj brai orślonych stosunów stchiotrycnych iędy sładniai rotworu. Rouscani substancji stałj w ciły rouscalniu jst suą dwóch rocsów cąstowych, ianowici: burnia sici rystalicnj substancji stałj ora solwatacji uwolnionych lntów sici. Pirwsy rocs wiąany jst ochłaniani ciła (ft nrgtycny onacany jao dodatni), ry cy użyta nrgia jst licbowo bliżona do ciła toninia cystj substancji. Natoiast rocs solwatacji jst wiąany oddawani ciła (ft nrgtycny onacany jao ujny). Zalżni więc od rwagi jdngo bądź drugigo rocsu suarycny ft cilny rouscania ciał stałych w ciłych rouscalniach będi dodatni lub ujny. Natoiast ry rouscaniu substancji ciłj w ciły rouscalniu nastęuj aws wydilani ciła wiąan rocs solwatacji (ft nrgtycny onacany jao ujny). Ciło wyinion odcas rouscania rlica się na 1 ol substancji rousconj. go wartość alży od charatru isanych substancji. Całowity ft cilny isania sładniów cystych ry T, = const równa się ntalii rocsu rouscania i naywany jst ntalią rouscania ( H ): o o = n H ( aq) H () roh = 1 [ o gdi H (, aq) standardowa ntalia sładnia w rotwor wodny, H o () standardowa ntalia cystgo sładnia, licba oli sładnia. n O ro, ] (12) 3

4 Wartości licbow ntalii rouscania roh otryuj się w bośrdni oiar orytrycny. Gdy ft nrgtycny wiąany badany rocs jst nacny, a jdnocśni rocs rbiga dużą sybością (ja n. rocs rouscania cy racja obojętniania), wówcas w oiarach rowadonych ry użyciu orytru diatricngo ożna anidbać straty lub ys ciła otocnia. żli owyżsy warun jst słniony, a rocsowi rouscania danj substancji w rouscalniu najdujący się w orytr towarysy ochłaniani nrgii na sosób ciła, to orślan jao dodatni ciło rouscania ( roh ) jst równ licbowo ciłu oddanu r uład orytrycny ( H), tóru ryisuj się na ujny. Gdy oli rocsowi rouscania substancji towarysy wydilani nrgii na sosób ciła, to orślan jao ujn ciło rouscania ( roh) jst równ licbowo ciłu obranu r uład orytrycny, tóru ryisuj się na dodatni ( H). Poniważ H = H (13) i H = c T = c ( T T ) ro (14) to H = c T = c T T ) (15) ro ( Powyżs roważania stosują się równiż ry wynacaniu ciła obojętniania. Wyonani ćwicnia Cl ćwicnia jst wynacni olowj ntalii obojętniania ( H ) siarowgo (VI) asadą otasową. Cl tn ożna raliować r: c, 1) wynacni śrdnij ojności cilnj orytru ( ) w racji wasu H 2 O 2) wynacni olowj ntalii rouscania wasu siarowgo (VI) ( H ), ro H2SO 4, 3) wynacni suarycngo ftu cilngo towarysącgo dodawaniu wasu siarowgo (VI) do rotworu asady otasowj, w rlicniu na 1 ol wasu siarowgo (VI) ( ). H Poiary rrowada się używając nacynia Dwara (łniącgo rolę orytru), wyosażongo w trotr i isadło. Ad 1) Wynacani śrdnij ojności cilnj orytru ( c ) Śrdnią ojność cilną uładu orytrycngo, wynaca się irąc ianę tratury uładu odcas rouscania substancji, jżli nana jst jj olowa ntalia rouscania. ro H roh c = c = (16) T gdi c ciło właściw atriałów, cęści sładowych uładu orytrycngo, o asi. W ćwicniu orysta się substancji o nanych wartościach olowj ntalii rouscania, n. NH 4 Cl i KCl: substancja olowa ntalia rouscania H [ ol 1 ] ro, alcana ilość substancji [g] NH 4 Cl 15,99 12 KCl 18,

5 Do nacynia Dwara wlwa się 300 c 3 wody dstylowanj i iry się jj traturę w odstęach co 10 s. Po ustalniu się tratury odcytuj się wartość T 0. Nastęni do nacynia Dwara wsyuj się odważoną ilość jdnj odanych w tabli 1 substancji (odważoną substancję rd wsyani do nacynia nalży rotrć w oźdiru) i ry ciągły isaniu notuj się traturę uładu co 10 s, aż do ontu jj ustalnia (uład osiąga traturę T 1 ). Odcyty tratury w casi rocsu rouscania uisca się w tabli. Ad 2) Wynacani olowj ntalii rouscania wasu siarowgo (VI) Do nacynia Dwara wlwa się 300 c 3 wody dstylowanj i iry się jj traturę co 10 s. Po ustalniu się tratury odcytuj się wartość T 0. Nastęni używając cylindra iarowgo wrowada się do nacynia Dwara 5 c3 stężongo wasu siarowgo (VI) ( ρ = 1,84 g c 3). Ziany tratury iron co 10 s w casi rocsu rouscania uisca się w tabli, odobni ja w unci 1. Ad 3) Wynacani olowj ntalii obojętniania w racji: H 2 SO KOH K2SO H 2 O Do lwi na 500 c 3 wlwa się 300 c 3 wody dstylowanj i rousca się w nij KOH w ilości otrbnj do obojętninia użytj ordnio ilości H 2 SO 4. Prygotowany rotwór KOH rlwa się do nacynia Dwara i ry ciągły isaniu notuj się traturę uładu co 10 s, aż do ontu jj ustalnia (T 0 ). Nastęni do nacynia Dwara wrowada się 5 c3 H 2 SO 4 i w sosób odany owyżj notuj się iany tratury aż do ustalnia się wartości T 1. Uwagi: W casi oiaru orywa nacynia Dwara usi być anięta. Kwas siarowy (VI) nalży wrowadać r otwór środowy orywy. Ilość wody użyta w oljnych onacniach usi być jdnaowa. Oblicnia 1) Oblicani śrdnij ojności cilnj orytru ( c ). Z woru (16) wynia, ż ft cilny roh wiąany rouscani substancji oisuj wyrażni: ro H = c T (17) Pry uwględniniu alżności (12): roh = n roh, i n = ntalię olową M rouscania użytj substancji, oisuj wyrażni: gdi n, M, M T roh, = c (18) onacają odowidnio licbę oli, asę [g] ora asę olową [g ol 1] użytj substancji (NH 4 Cl lub KCl). Z rstałcnia tgo woru wynia: roh, c = (19) M T W clu nalinia wartości T = 1T sorąda się wyrs alżności tratury (T ) od casu ( t ). Z wyrsu odcytuj się 1T jao różnicę T1 T0 w rocsi rouscania soli sosób odany na rys. 1 i oisany oniżj. B wględu na rodaj orytru, oiar orytrycny słada się trch orsów: ocątowgo, główngo i ońcowgo. Ors ocątowy to cas od roocęcia obsrwacji 5

6 ian tratury do aocątowania badanj riany. Od tj chwili do uysania asyalnj tratury trwa ors główny. Bośrdnio o ni nastęuj ors ońcowy, tóry trwa do chwili aońcnia odcytów tratury. Aby wynacyć wartość T = 1T sorąda się wyrs alżności tratury T od casu t (rywa abcd ), a nastęni wyrśla się dwi stycn równolgł do tj rywj rchodąc r unty odowiadając orsowi ocątowu (odcin ab ) i ońcowu (odcin cd ). Wyrślon stycn rdłuża się odowidnio stronę więsych i nijsych wartości casu uysując rost oocnic I i II, tór nastęni łący się rostą f orowadoną rostoadl do osi odciętych. Wyrśla się środową odcina f w tai sosób, aby długości odcinów g i gf były równ. Wynacony w tn sosób odcin f jdnonacni orśla wartość T = 1T = T 1 T 0. Wartości tratur w untach (T 0 ) i f ( T 1 ) odcytuj się wyrsu o straolacji do t = 0. T 1 II c d T [K] g T 0 a b f I t [s] Rys. 1. Graficny sosób wynacania T = T 1 T0 2) Oblicani olowj ntalii rouscania wasu siarowgo (VI) ( H ). ro H2SO 4, Wartość tę wynaca się orystając woru (18) i orślając wartość 2 T r sorądni wyrsu rdstawiającgo ianę tratury w rocsi rouscania wasu siarowgo (VI) od casu. 3) Oblicani olowj ntalii obojętniania w racji wasu siarowgo (VI) asadą otasową. Na suarycny ft cilny towarysący dodawaniu H 2 SO 4 do rotworu KOH (w słada się rlicniu na 1 ol wasu siarowgo (VI), onacany sybol ( ) H ntalia olowa rouscania wasu siarowgo (VI) ( ) i ntalia roh H2 SO 4, owstawania 2 oli wody. W wor 20 sybol H2 H onacono olową ntalię owstawania 1 ola H2O. Zat: H = rohh2so 4, + H2O 2 H Po odcytaniu 3 T wyrsu ian tratury od casu (analogicni ja w untach 1 i 2) oblica się suarycny ft cilny odcas dodawania wasu siarowgo (VI) do rotworu asady otasowj: O (20) 6

7 cmh2so 4 3T H = (21) H2SO 4 Korystając orślonych sryntalni wartości woru (20) ożna wylicyć H2 H. O i H o rstałcniu H ro H2SO 4, Uysan w untach 1, 2, i 3 wynii stawia się w tabli. Nalży ałożyć, ż główny źródł błędów odcas wynacania c, H, H2 OH są błędy wyniając oiarów ro H2SO 4, wilości T (w t. 1, 2 i 3), a inn wilości wynacan są błędai anidbywani ałyi. 7