Лабораторный практикум. 
Титриметрические методы химического анализа

Количество теплоты измеряют по ее переносу от одного тела к другому. Повышение температуры тела определяется теплоемкостью:

С = Q/?T,.

Где С — теплоемкость, Q — количество теплоты, полученной телом, ?Т — изменение температуры тела.

Соответственно, зная теплоемкость и изменение температуры, можно рассчитать количество теплоты, полученное или выделенное телом.

Тепловые эффекты реакций измеряют с помощью специальных приборов — калориметров. Этот термин предложили в 1780 г. французские ученые Антуан Лоран Лавуазье и Пьер Симон Лаплас. Основоположником калориметрии считается английский химик Джозеф Блэк, известный своими работами о природе теплоты.

Рис. 9.

Простейший калориметр — теплоизолированный сосуд с водой, снабженный мешалкой и термометром. Контейнер, в котором протекает исследуемый процесс (например, химическая реакция), помещают в калориметр и регистрируют изменение температуры воды. Зная теплоемкость калориметра, рассчитывают количество выделившейся теплоты. На рисунке представлена схема строения пламенного калориметра.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ.

Определение тепловых эффектов химических процессов является задачей термохимии. Термохимические методы имеют большое значение не только в химических, но и в медико-биологических науках. Энергия, необходимая живым организмам для совершения работы, поддержания постоянной температуры тела и т. д., получается организмом за счет экзотермических реакций окисления, протекающих в клетках.

В химических лабораториях применяется простейший калориметр, который состоит из сосуда для проведения химической реакции, помещенного во внешнюю оболочку. Калориметр снабжен термометром, мешалкой для быстрого достижения однородности раствора, и воронкой для введения в сосуд растворов реагирующих веществ. Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, определяют по общей теплоемкости всех частей калориметра и изменению температуры.

РАБОТА № 1. Определение теплоты реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

Цель работы: научиться определять теплоту реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

Теплотой нейтрализации называется количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии моль-эквивалента кислоты с моль-эквивалентом основания. Нейтрализация 1 моль-экв. сильной кислоты сильным основанием, в достаточно разбавленном растворе, сопровождается почти одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, отвечающим одному и тому же процессу — образованием 1 моля жидкой воды из гидратированных ионов по уравнению:

H+aq + OH-aq > H2O (ж), Qнейт.= 55.9 кДж/моль.

Постоянство теплоты нейтрализации не соблюдается при нейтрализации слабого основания сильной кислотой или наоборот, так как в этих реакциях на тепловой эффект реакции влияет теплота диссоциации слабого электролита.

Выполнение работы. Во взвешенный калориметрический стакан помещают 50 мл 1.0 N раствора щелочи и записывают показание термометра. В отдельный стакан отмеряют 60 мл 1.0 N раствора соляной кислоты и измеряют его температуру. Поместив мешалку и термометр в калориметрический стакан, его закрывают крышкой. Затем, при перемешивании, вливают через воронку раствор кислоты в калориметр и следят за показаниями термометра, отмечая самую высокую температуру.

Результаты опыта записывают в таблицу:

Таблица 14.

Вычисления:

1. Вычисление теплоты, выделившейся в результате реакции, производят по формуле:

q=(m1•c1+m2•c2) •(t2 — t1).

Удельную теплоемкость стекла (с1) принять равной 0,753 Дж/г•град., раствора (с2) — 4,184 Дж/г•град., плотность раствора (с) — 1 г/мл.

2. Чтобы определить теплоту нейтрализации, необходимо пересчитать выделившуюся теплоту на 1 моль — эквивалент щелочи, так как кислота взята в избытке. Расчет производят по формуле:

Qнейтр. = q•1000/Nщ.•Vщ., Дж/моль.

3. Сравнивают опытное и теоретическое значения теплоты нейтрализации и определяют (в%) относительную ошибку опыта:

% ошибки =((Qтеор. — Qопыт.)/ Qтеор)•100%.

энтропия химический титриметрический окислительный В отчете о работе следует кратко описать ход определения, внести результаты опыта и расчеты.

РАБОТА № 2. Определение теплоты нейтрализации слабой кислоты слабым основанием.

Цель работы: научиться определять теплоту нейтрализации слабой кислоты слабым основанием, объяснить причины различия теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием и теплоты нейтрализации слабой кислоты слабым основанием.

Проведите опыт, описанный в работе № 1, взяв 1.0 N растворы аммиака и уксусной кислоты. Вычислите теплоту нейтрализации в расчете на 1 моль — эквивалент уксусной кислоты. Сравните результаты с данными предыдущей работы.

РАБОТА № 3. Определение теплоты растворения соли.

Цель работы: Определить интегральную теплоту растворения хлорида калия. Определить теплоту растворения и гидратации безводного хлорида кальция.

Интегральной теплотой растворения называют количество теплоты, выделяемой или поглощаемой при растворении 1 моля вещества в определенном объеме растворителя.

Интегральная теплота растворения электролитов определяется исходя из двух стадий данного процесса: во-первых, поглощения теплоты, которая расходуется на разрушение кристаллической решетки (Q1), и, во-вторых, выделения теплоты вследствие гидратации или сольватации каждого иона молекулами растворителя (Q2).

Qраств.=-Q1 + Q2.

Выполнение работы: Во взвешенный калориметрический стакан наливают 100 мл дистиллированной воды. Отвешивают около 2 г хорошо измельченного хлорида калия KCl с точностью до 0,01 г. Записывают температуру воды в калориметре и затем, при перемешивании, через воронку прибавляют навеску соли. При растворении соли температура раствора понижается, в результаты опыта записывают ее минимальное значение.

Данные эксперимента записывают в таблицу:

Таблица 15.

Теплоту растворения рассчитывают, используя формулу:

Qраств.=((t2 — t1)•c•M)/m3.

где: с=c1•m1 +c2•m2,.

М — молярная масса соли.

Удельная теплоемкость стекла (с1) и раствора (с2) указана в работе № 1. Интегральная теплота растворения хлорида калия (по таблице).

Qраств.=-17.577 кДж/моль Таким же образом проводят опыт с безводным хлоридом кальция CaCl2. В калориметрический стакан наливают 50 мл дистиллированной воды, отвешивают около 2 г. хорошо измельченной соли с точностью до 0,01 г.

Определив теплоту растворения безводного хлорида кальция CaCl2, вычисляют теплоту гидратации этой соли, зная теплоту растворения кристаллогидрата CaCl2•6H2O (Q2=19.08 кДж/моль).

Qгидр.=Q1 р.безв. — Q2 р. гидр.

В отчете о работе кратко опишите ход определения, внесите результаты и расчеты работы.

РАБОТА № 4. Определение теплоты гидратации карбоната натрия.

Опыт проводят по методике, описанной в работе № 3. Навеска безводного карбоната натрия Na2CO3 должна составлять около 2,3 г., а кристаллогидрата карбоната натрия — около 5 г. на 100мл воды.

Определив теплоты растворения, рассчитывают теплоту гидратации безводного хлорида кальция.

Напишите термохимическое уравнение гидратации данной соли, нарисуйте треугольник Гесса для данного процесса. Какова величина энтальпии гидратации данной соли?