Лабораторная работа "Определение энтальпии гидратообразования соли"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКССЕВА»
ОТЧЕТ
по лабораторной работе
по дисциплине «Физическая химия»
Тема: «Определение энтальпии гидратообразования соли»
Студент: Капустин М. В.
Группа: 23-ПСМ
Преподаватель: Плохов С. В.
Нижний Новгород 2024
Ход выполнения работы
Во внутренний стакан калориметра была налита дистиллированная вода массой 200 г,
стакан был помещен в бокс калориметра. В калориметр была опущена мешалка и
термометр; калориметр был закрыт, отверстие для воронки заткнуто пробкой. Вода
термостатировалась в течение 11 мин., при этом каждую минуту фиксировались
показания термометра. Далее в воду была засыпана навеска кристаллогидрата хлорида
бария, после чего температура ежеминутно фиксировалась в течение 12 мин. Затем
были проведен опыт с безводным хлоридом бария по такому же принципу.
Наблюдения
Во время термостатирования в обоих экспериментах наблюдалось незначительное (в
пределах погрешности измерения) изменение температуры воды. Однако при
растворении кристаллогидрата наблюдалось понижение температуры воды, в то время
как при растворении безводной соли – повышение.
Вычислительная часть
Графически (см. чертежи) было определено, что изменение температуры в первом
опыте Δt′ = −0,5 K, а во втором Δt′′ = 0,335 K. Однако необходимо учесть, что
увеличение температуры в калориметре происходит за счёт выделения теплоты (и,
соответственно уменьшения энтальпии) в ходе реакции; аналогично, при понижении
температуры в калориметре происходит увеличение энтальпии. В связи с этим в
расчетную формулы следует подставлять значения теплоты, выделенной (или
поглощенной) в ходе реакции, которая совпадает по абсолютному значению с
изменением температуры в калориметре, но противоположна ей по знаку.
Рассчитаем необходимые навески солей:
𝑚𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂 =
𝐺 × 𝑀𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂
,
18𝑛1
где G – масса воды (г), n1 – минимальное количество воды молей воды, требующееся
для растворения одного моля соответствующего вещества.
𝑚𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 =
𝑚𝐵𝑎𝐶𝑙2 =
200 г × (137 + 35 × 2 + 2 × 18)г/моль
= 6,75 (г)
18 × 400 моль
200 г × (137 + 35 × 2)г/моль
= 5,75 (г)
18 × 400 моль
Интегральные удельные энтальпии растворения кристаллогидрата и безводной соли
соответственно:
𝛥раств. 𝐻уд.𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂 = −
𝛥раств. 𝐻уд.𝐴 = −
(𝑚′𝑐𝑝1 + 𝑚2 𝑐𝑝2 )𝛥𝑡′
;
𝑚𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂
(𝑚′′𝑐𝑝1 + 𝑚2 𝑐𝑝2 )𝛥𝑡′′
,
𝑚𝐴
где: m′ и m′′ – соответственно масса раствора в первом и во втором опытах, г;
m2 – масса внутреннего стакана калориметра с мешалкой, г;
cp1 – удельная изобарная теплоемкость раствора, принятая равной удельной изобарной
теплоемкости растворителя, Дж/г∙К;
cp1 – удельная изобарная теплоемкость материала внутреннего стакана и мешалки,
Дж/г∙К.
𝑚′ = 𝑚растворителя + 𝑚вещества = 200 г + 6,75 г = 206,75 (г)
𝑚′′ = 𝑚растворителя + 𝑚вещества = 200 г + 5,75 г = 205,75 (г)
𝑚2 = 126,53 (г)
𝑐𝑝1 = 𝑐𝑝 𝐻2 𝑂 = 4,184 (
Дж
∙ К)
г
Дж
𝑐𝑝2 = 𝑐𝑝 стекл. = 0,84 (
∙ К)
г
𝛥раств. 𝐻уд. 𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂
Дж
Дж
(206,75 г × 4,184 г ∙ К + 126,63 г × г 0,84 г ∙ К) × (0,5 К)
=−
6,75 г
Дж
= −71,956 ( )
г
Дж
Дж
(205,75 г × 4,184 г ∙ К + 126,63 г × 0,84 г ∙ К) × (−0,335) К
𝛥раств. 𝐻уд. 𝐵𝑎𝐶𝑙2 = −
5,75 г
Дж
= 56,352 ( )
г
Интегральные мольные энтальпии растворения кристаллогидрата и безводной соли
соответственно:
𝛥раст. 𝐻𝑚 𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂 = 𝛥раст. 𝐻уд. 𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂 ∙ 𝑀𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂
𝛥раст. 𝐻𝑚 = 𝛥раст. 𝐻уд. 𝐴 ∙ 𝑀𝐴
𝑀𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 = 243
𝑀𝐵𝑎𝐶𝑙2 = 207
г
моль
г
моль
𝛥раст. 𝐻𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 = 71,956
𝛥раст. 𝐻𝐵𝑎𝐶𝑙2 = −56,352 (
Дж
г
кДж
× 243
= −17,485 (
)
г
моль
моль
Дж
г
кДж
= 11,665 (
)
) × 207
г
моль
моль
По закону Гесса вычислим мольную энтальпию гидратообразования
кристаллогидрата:
𝛥𝐻𝑓 𝐴∙𝑛𝐻2 𝑂 = 𝛥раст. 𝐻𝑚 𝐴 − 𝛥раст. 𝐻𝑚 𝐴∙𝐻2 𝑂
𝛥𝐻𝑓 𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 = 11,665
кДж
кДж
кДж
+ 17,485
= 29,15 (
)
моль
моль
моль
Значения интегральных теплот растворения солей, взятые из справочных материалов:
кДж
𝛥раст. 𝐻𝑚 𝐵𝑎𝐶𝑙2 = 11,18 (
)
моль
𝛥раст. 𝐻𝑚 𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 = −18,74 (
кДж
)
моль
Исходя из этих значений, вычислим мольную энтальпию гидратообразования
кристаллогидрата:
𝛥𝐻𝑓 𝐵𝑎𝐶𝑙2 ∙2𝐻2 𝑂 справ. = 11,18
кДж
кДж
кДж
+ 18,74
= 29,92 (
)
моль
моль
моль
Вычисление погрешностей
𝛿𝐴 =
|𝐴измер. − 𝐴истин. |
× 100[%]
|𝐴истин. |
Относительная погрешность определения энтальпии в опыте с кристаллогидратом:
𝛿𝐴 =
кДж
кДж
+ 18,74
|
моль
моль × 100[%] = 6,7%
кДж
|−18,74
|
моль
|−17,485
Относительная погрешность определения энтальпии в опыте с безводной солью:
𝛿𝐴 =
|11,665
кДж
кДж
− 11,18
|
моль
моль × 100[%] = 4,3%
кДж
|11,18
|
моль
Относительная погрешность определения мольной энтальпии гидратообразования
кристаллогидрата:
𝛿𝐴 =
|29,15
кДж
кДж
− 29,92
|
моль
моль × 100[%] = 2,6%
кДж
|29,92
|
моль
Выводы
В результате растворения кристаллогидрата произошло выделение тепла, что привело
к уменьшению мольной энтальпии (−17,485 кДж/моль). В результате растворения
безводной соли произошло поглощение тепла, приведшее к увеличению мольной
энтальпии (+11,665 кДж/моль). С применением закона Гесса была вычислена мольная
энтальпия гидратообразования: 29,92 кДж/моль.
Относительные погрешности измерений оказались довольно низкими: 6,7%; 4,3%;
2,6%. Расхождение справочных значений и значений, полученных нами, объясняется,
в первую очередь, тем, что значения из справочных материалах были получены при
температуре воды tвод.= 25°C, в то время как в наших экспериментах она была равна
21,2°C (растворение кристаллогидрата) и 21,6°C (растворение безводной соли).
Меньший вклад могли внести систематические и несистематические погрешности
измерения, а также округления, производимые в ходе расчетов.