Лабораторная работа №1. Определение тепловой постоянной калориметра.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГАОУ ВО «КРЫМСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ В. И. ВЕРНАДСКОГО»
МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С.И.ГЕОРГИЕВСКОГО
(структурное подразделение)
Кафедра медицинской и фармацевтической химии
Физическая и коллоидная химия
(часть 1)
ТЕТРАДЬ
Для практических работ
студента 1 курса фармацевтического факультета,
группы № ____________
_______________________________________________________
(фамилия, имя, отчество)
20 - 20 уч. год
г. Симферополь, 2020
Занятие № 2. Тема: « Первый закон термодинамики. Термохимия. Закон Гесса».
1. Актуальность темы: Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты, что объясняется разрывом одних химических связей в молекулах исходных веществ и образование других химических связей в молекулах продуктов реакций. Частью термодинамики является термохимия, которая изучает тепловые эффекты реакции.
Термохимические расчеты широко используют в медицине для оценки калорийности пищевых продуктов, составления диет для больных. Знание раздела термодинамики позволяет определить возможность самопроизвольного протекания реакций, направление реакций, биоэнергетику физиологических процессов в живых организмах. В процессе эволюции в живых организмах выработалась определенная последовательность биологического окисления, обеспечивающего организм необходимым запасом энергии. Эта энергия накапливается в макроэргических связях некоторых соединений, главнейшим из которых является АТФ. По мере необходимости энергия, содержащиеся в макроэргических связях, расходуется на построение клеток, синтез белков, механическую работу мышц, сердца. Термодинамические расчеты можно использовать и для этих процессов.
|
|
Использование закономерностей, вытекающих из термодинамических теорий, позволяет увеличивать выход при синтезе лекарственных веществ.
2. Вопросы для обсуждения :
1. | Начало термодинамики. Нулевой закон термодинамики. Термодинамическое равновесие. |
2. | I-е начало термодинамики, математическая запись закона. Энтальпия. Закон Гесса. |
3. | Энтальпия образования, сгорания, разложения, нейтрализации, растворения. |
4. | Закон Гесса и следствие из него. Применение закона к расчету тепловых эффектов. |
5. | Понятие теплоемкости веществ: удельной; молярной; средней. Теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме. Взаимосвязь между этими величинами. |
6. | Особенности практического применения в медицине и фармации термохимических методов исследования. |
7. | Методика расчета изменения термодинамических функций состояния системы в результате протекания физико-химического процесса на основании следствий из закона Гесса. |
Ответить на тестовые задания (выполнить письменно):
|
|
1. | Выражение первого начала термодинамики, имеет вид: | |
А | Q = U - А | |
Б | Q = U + А | |
В | U = Q + А | |
Г | А = U + Q | |
2. | Какая из формул относится к первому следствию из закона Гесса: | |
А | ∆Н(реак.) = ∆H1 + ∆Н2 + ∆Н3 | |
Б | ∆ Н(реак.) = ∆Н(обр. прод. реакции.) - ∆Н(обр. исх. в-в.) | |
В | ∆Н(реак.) = ∆Q + Т∆S | |
Г | ∆Н(реак.) = ∆Q - Т∆S | |
3. | Выберать верные стандартные условия: | |
А | 101,3 кПа, 298 К | |
Б | 100 кПа, 298 К | |
В | 100 кПа, 273 К | |
Г | 101,3 кПа, 273 К | |
4. | Теплотой растворения называется: | |
А | тепловой эффект растворения 1 моля вещества в очень большом объеме растворителя | |
Б | тепловой эффект растворения вещества | |
В | тепловой эффект растворения 1 моля вещества | |
Г | тепловой эффект растворения 1 моля вещества в стандартных условиях | |
5. | Для каких веществ стандартные теплоты сгорания равны нулю? | |
А | CO, H2 | |
Б | NO2, N2H4 | |
В | NO, NH3 | |
Г | CO2, H2 | |
6. | Тепловой эффект какого уравнения реакции отвечает стандартной теплоте образования диоксида углевода: | |
А | СО + 1/2 О2 = СО2 | |
Б | С + О2 = СО2 | |
В | СаСО3 = СаО + СО2 | |
Г | СаСО3 + 2НС1 = СаСl2 + Н2О + СО2 | |
7. | Теплосодержание расширенной системы – это: | |
А | энтропия | |
Б | энтальпия | |
В | внутренняя энергия | |
Г | температура | |
8. | Первый закон термодинамики позволяет: | |
А | рассчитать равновесное состояние системы | |
Б | оценить энергетические характеристики процесса | |
В | определить возможность протекания процесса | |
Г | определить направления процесса | |
9. | Для постоянства каких условий справедлив закон Гесса? | |
А | P, V | |
Б | P, T | |
В | P, S | |
Г | V, m | |
10. | Зависимость теплового эффекта от температуры выражается уравнением: | |
А | Вант Гоффа | |
Б | Кирхгоффа | |
В | Гесса | |
Г | Больцмана | |
11. | Каково соотношение между Ср и Сv для идеального газа? | |
А | Ср + Сv = R | |
Б | Ср = Сv + R | |
В | Ср / Сv = R | |
Г | Ср = Сv + RT | |
12. | В гомологических рядах теплота сгорания увеличивается с каждой СН2-группой на: | |
А | 54 Дж | |
Б | 660 Дж | |
В | 101 Дж | |
Г | 728 Дж | |
13. | Тепловой эффект реакции нейтрализации кислот в ряду HCl, HNO3, H2SO4 будет: | |
А | Останется постоянным | |
Б | Возрастать | |
В | Убывать | |
14. | Постоянство значений теплоты нейтрализации для любой пары сильной кислоты и сильного основания правильно объясняется теорией: | |
А | Аррениуса | |
Б | Вант Гоффа | |
В | Гесса | |
Г | Менделеева | |
15. | Для реакции сгорания ацетилена даны теплоты образования исходных веществ и продуктов. Какое следствие из закона Гесса вы используете для расчета теплового эффекта реакции? | |
А | Первое | |
Б | Второе | |
В | Ни одно из них | |
4. Обучающие задачи с эталонами ответов:
|
|
|
|
№1.Вычислить тепловой эффект реакции (ΔН0 р-ции) при н.у.:
4NН3(г) + 5О2(г) = 4NO(г) + 6Н2О(ж), используя справочные значения стандартных теплот (энтальпий) образования веществ.
Решение:
По 1 следствию из закона Гесса ΔН0 р-ции = ∑ ΔН0 обр. (прод. р-ции) - ∑ ΔН0 обр. (исх. в-в);
ΔН0 р-ции = [4 ´ ΔН0 обр.(NO)г + 6 ´ ΔН0 обр.(Н2О)ж] – [4 ´ ΔН0обр.(NHз)г + 5 ´ ΔН0обр.(О2)г]
ΔН0 р-ции = [4 ´ 91 + 6 ´ (-286) ] - [4 ´ (-46) + 5 х 0] = -1168 кДж/моль. Процесс экзотермический.
№2. Рассчитать стандартную энтальпию реакции 2SО2(г) + О2(г) =2SО3(г)
Указать, данная реакция будет экзо- или эндотермической.
Решение:
2SО2(г) + О2(г) = 2SО3(г)
2 1 2 моль
-297 0 -396 ΔН обр.0 веществ, кДж/моль
ΔН0 = ∑ ΔНобр.0 (прод.) - ∑ ΔНобр.0 (реаг.) = [2 (-396)] - [2 (-297) + 1(0)] = -198 кДж, реакция экзотермическая.
№3.Рассчитать тепловой эффект реакции взаимодействия метана с диоксидом углерода: СН4(г) + СО2(г) = 2СО + 2Н2 по стандартным теплотам сгорания.
Решение:
Из таблиц находим стандартные теплоты сгорания исходных веществ и продуктов реакций (кДж/моль): ∆Н0с, 298(СН4) = -802,32 кДж/моль; ∆Н0с, 298(СО2) = 0 кДж/моль;
∆Н0с, 298(СО) = -283,0 кДж/моль; ∆Н0с 298(Н2) = -241,84 кДж/моль.
По закону Гесса: ∆Н0х = ∆Н0с, 298(СН4) + ∆Н0с, 298(СО2) - 2∆Н0с, 298(СО2) - 2∆Н0с 298(Н2) =
-802,32 - (-2 283,0) + (-2 241,84) = 247,36 кДж/моль (эндотермическая).
№4.Используя уравнение Кирхгоффа для небольшого температурного интервала рассчитать тепловой эффект реакции СН3ОН(г) + 3/2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г) при температуре 500К и давлении 1,0133´105 Па.
Решение: Из таблиц находим стандартные теплоты образования исходных веществ и продуктов реакций и рассчитываем тепловой эффект реакции при 298К:
DНоf 298 = (DНof CO2 + 2 DНof H2O) – (DНof CH3OH +3/2DНof О2) = (–393,51–2´241,8) –(–201,00 + 3/2´0) = –676,13 кДж/моль.
Зная DНоf 298, можно по уравнению Кирхгоффа рассчитать тепловой эффект реакции при 500К: DНоf Т2 = DНоf Т1 + DСор(Т2 - Т1), где DСор – изменение теплоемкости в ходе реакции. Его можно определить таким образом: DСор = SniСрi прод. – SniСрi исх. = (СорСО2 + 2СорН2О) – (СорСН3ОН – 3/2 СорО2) = (37,11+2´33,56)–(43,9–3/2´28,83) = 17,10 Дж/моль•К и значит, тепловой эффект реакции при 500К равен: DНof 500 = DНof 298 + DСор(500–298) = –676130 + 17,1´202 = –672676 Дж/моль = –672,676 кДж/моль.
№5. Рассчитать стандартную энтальпию образования витамина Е (С31Н52О3), если при сгорании его в калориметрической бомбе при 298 К выделяется 39,14 кДж\г теплоты.
Решение: а)Уравнение реакции сгорания имеет вид:
Согласно закону Гесса, тепловой эффект процесса не зависит от его пути, а определяется начальным и конечным состоянием системы, если давление или объём в течение всего процесса остаются неизменными: При V = const Qv = DU: DU = 39,14 × МС31Н52О3 =
-39,14 × 472,83 = -18506,6 кДж\моль.
б) При Р = const Qр = DН
Изобарный и изохорный тепловые эффекты связаны соотношением: Qр = Qv + DnRT
Qр = DН = -18506,6 – 11,5 × 8,314×10-3 × 298 = -18535,1 кДж\моль.
в) Стандартную энтальпию образования витамина Е находим по первому следствию из закона Гесса:
5. Задачи для самостоятельного решения (выполнить письменно):
№ 1. Рассчитать тепловой эффект реакции: 2NaOH(к) + СО2(г) = Na2CO3(к) + Н2О(ж),
если ΔН0обр. (NaOH) = -426,6 кДж/моль, ΔН0обр. (СО2) = -393,6 кДж/моль, ΔН0обр. (Nа2СO3) =
-1129,3 кДж/моль, ΔН0обр. (H2O) = -285,8 кДж/моль
№ 2. При сгорании 1 г b-аланина (С3Н7NO2), одного из промежуточных полупродуктов синтеза витамина В3, в калориметрической бомбе при 298 К выделяется 18,32 кДж теплоты. Рассчитать стандартную энтальпию образования b-аланина.
№ 3. Рассчитать тепловой эффект реакции превращения лимонной кислоты в яблочную 2С6Н8О7 (кр) + Н2О (ж) = 3С4Н6О5 (кр), если стандартные теплоты сгорания лимонной и яблочной кислот соответственно -1987,4 кДж/моль; -1339,3 кДж/моль.
№ 4. Расcчитать ΔН нижеследующей реакции при Т = 500 К, используя значения ΔНообр и СР её реагентов и продуктов:
2NaBr (кр) + Сl2 (г) = 2NaCl (кр) + Br2 (ж)
ΔНообр , кДж/моль - 365 0 -411 0
СР , Дж/(моль∙К) 88,3 33,9 50,9 75,7
№ 5. Определите стандартную энтальпию (Δ Н298) образования РН3 исходя из уравнения:
2РН3(г) + 4О2(г) = Р2О5 (к) + 3Н2О (ж), Δ Н = - 2360 кДж.
Лабораторная работа №1. Определение тепловой постоянной калориметра.
Основным экспериментальным методом в химической термодинамике является калориметрия. В основе калориметрического исследования термохимических процессов лежит уравнение теплового баланса системы: , где ∆Н – тепловой эффект изучаемого процесса; mi и ci – массы и теплоёмкости отдельных частей калориметра (сосуд, мешалка, пробирка, термометр и т.д.) и калориметрической жидкости; ∆ t – изменение температуры в ходе термохимического процесса при условии отсутствия теплообмена с окружающей средой; К – постоянная калориметра. Как видно из уравнения, постоянная калориметра К представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания всех частей калориметра на один градус, т.е. является теплоёмкостью калориметрической системы.
Цель работы: освоить калориметрический метод исследования термохимического процесса. Определить тепловую постоянную калориметра.
Оборудование и реактивы: химический стакан (колба) на 100 мл,мешалка, термометр, технические весы, ступка с пестиком, воронка, мерный цилиндр. Соли: KCl, KNO3, дистиллированная вода.
Ход работы:
1. Собрать калориметр (см. рис. 1.).
1 – стакан большего размера для теплоизоляции, 2 – стеклянный или пластмассовый стакан или колба, 3 – воронка или ампула для ввода исследуемого вещества, 4 – мешалка, 5 – термометр. |
Рис. 1. Устройство калориметра.
2. Заполнить внутренний калориметрический стакан точно измеренным объёмом дистиллированной водой (100 мл).
3. Тщательно растереть в ступке исследуемую соль с известной теплотой растворения (справочные данные).
4. Взвесить на технических весах 10 г. растёртой соли и пересыпать её на часовое стекло или чистый лист бумаги.
5. Начальный период измерений. Перемешивая калориметрическую жидкость, с помощью мешалки, наблюдать за изменениями температуры, измеряя её каждые 0,5 мин (температура может меняться из-за теплообмена с окружающей средой). Проводят не менее 10 измерений температуры.
6. Главный период измерений. Продолжая измерять температуру каждые 0,5 мин ввести через воронку навеску соли в калориметр. Температура вначале резко изменяется в зависимости от типа процесса (эндо- или экзотермический), затем изменение замедляется.
7. Заключительный период измерений. После замедления изменения температуры провести ещё 10 измерений.
8. Результаты эксперимента занести в таблицу.
Таб. 2.1. Результаты измерения температуры в калориметрическом эксперименте.
К Cl | KNO 3 | ||||||||||
Предварительный период | Главный период | Заключитель ный период | Предваритель ный период | Главный период | Заключитель ный период | ||||||
время | температура | время | температура | время | температура | время | температура | время | температура | время | температура |
Время, относящееся к участку АВ, называется «начальным периодом», ВС — «главным периодом», СД — «заключительным». Чтобы определить действительное изменение температуры ∆t, проводят линии через точки, фиксирующие равномерное изменение температуры начального и конечного периодов АВ и СД. За начало главного периода принимают момент начала растворения соли, после которого начинается резкое изменение температуры, а за конец главного периода — точку, которая первой ложится на прямую СД. Точки В и С проектируют на ось ординат, находят середину отрезка mn и проводят линию kp. Через точку g проводят вертикаль. Экстраполируют линейные участки АВ и СД до пересечения с вертикалью в точках Е и F. Отрезок ЕF соответствует изменению температуры ∆t в калориметрическом опыте с учетом поправки на теплообмен. При нахождении Δt надо учитывать направление изменения температуры (для эндотермических процессов Δt отрицательное). |
Рис. 2. Зависимость изменения температуры
от времени эксперимента.
Крутизна линии ВС зависит от характера и условий протекания исследуемого теплового процесса. Крутизна линий АВ и СД зависит от характера теплообмена с окружающей средой. |
10. Произвести расчёт тепловой постоянной калориметра по формуле: , где
∆ Н – интегральная теплота растворения соли (для КCl = 17,577 кДж/моль, для KNO3 = -35,62 кДж/моль), М – её молярная масса, ∆ t – изменение температуры в процессе растворения. Размерность [K] = кДж/град.
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 94; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!