Навчальне дослідження № 2. «Тепловий ефект розчинення»

• Назад до змісту

1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.

Мета дослідження: експериментально виміряти зміну температури під час розчинення різних речовин у воді та обчислити кількість виділеної або поглинутої теплоти й молярний тепловий ефект розчинення.

2. Запишіть план експерименту.

1. Відміряти за допомогою мірного циліндра 50 мл (50 г) дистильованої води та налити її в хімічний стакан.
2. Виміряти початкову температуру води за допомогою термометра.
3. Відважити на терезах задану масу першої досліджуваної речовини.
4. Всипати речовину у воду, ретельно перемішати скляною паличкою до повного розчинення та зафіксувати кінцеву температуру утвореного розчину.
5. Розрахувати зміну температури та загальну масу розчину.
6. Повторити аналогічні дії для другої та третьої речовин.

3. Виконайте експеримент відповідно до складеного плану, результати вимірювань запишіть у таблицю.

4. Обчисліть кількість виділеної / поглинутої теплоти за формулою:

Для обчислення кількості теплоти використовується формула $Q = C \cdot m \cdot \Delta t$, де $C = 4{,}18\text{ Дж/(г}\cdot\text{К)}$, $m$ — маса розчину, $\Delta t = t_{\text{розчину}} - t_{\text{води}}$.

1. Для Речовини 1 ($\text{NaOH}$):
   $\Delta t = 38 - 20 = 18^\circ\text{C}$
   $Q_1 = 4{,}18\text{ Дж/(г}\cdot\text{К)} \cdot 54\text{ г} \cdot 18\text{ К} = 4062{,}96\text{ Дж} \approx 4{,}06\text{ кДж}$ (теплота виділяється).

2. Для Речовини 2 ($\text{NH}_4\text{NO}_3$):
   $\Delta t = 14 - 20 = -6^\circ\text{C}$
   $Q_2 = 4{,}18\text{ Дж/(г}\cdot\text{К)} \cdot 54\text{ г} \cdot (-6\text{ К}) = -1354{,}32\text{ Дж} \approx -1{,}35\text{ кДж}$ (теплота поглинається).

3. Для Речовини 3 ($\text{NaCl}$):
   $\Delta t = 19{,}2 - 20 = -0{,}8^\circ\text{C}$
   $Q_3 = 4{,}18\text{ Дж/(г}\cdot\text{К)} \cdot 55{,}85\text{ г} \cdot (-0{,}8\text{ К}) = -186{,}76\text{ Дж} \approx -0{,}19\text{ кДж}$ (теплота поглинається).

5. Обчисліть молярний тепловий ефект за формулою:

Для обчислення молярного теплового ефекту використовується формула $\Delta H = \dfrac{-Q}{n(\text{розчиненої речовини})}$, де $n = \dfrac{m}{M}$.

1. Для Речовини 1 ($\text{NaOH}$):
   $M(\text{NaOH}) = 40\text{ г/моль}$
   $n(\text{NaOH}) = \dfrac{4\text{ г}}{40\text{ г/моль}} = 0{,}1\text{ моль}$
   $\Delta H_1 = \dfrac{-4062{,}96\text{ Дж}}{0{,}1\text{ моль}} = -40629{,}6\text{ Дж/моль} \approx -40{,}63\text{ кДж/моль}$

2. Для Речовини 2 ($\text{NH}_4\text{NO}_3$):
   $M(\text{NH}_4\text{NO}_3) = 80\text{ г/моль}$
   $n(\text{NH}_4\text{NO}_3) = \dfrac{4\text{ г}}{80\text{ г/моль}} = 0{,}05\text{ моль}$
   $\Delta H_2 = \dfrac{-(-1354{,}32\text{ Дж})}{0{,}05\text{ моль}} = +27086{,}4\text{ Дж/моль} \approx +27{,}09\text{ кДж/моль}$

3. Для Речовини 3 ($\text{NaCl}$):
   $M(\text{NaCl}) = 58{,}5\text{ г/моль}$
   $n(\text{NaCl}) = \dfrac{5{,}85\text{ г}}{58{,}5\text{ г/моль}} = 0{,}1\text{ моль}$
   $\Delta H_3 = \dfrac{-(-186{,}76\text{ Дж})}{0{,}1\text{ моль}} = +1867{,}6\text{ Дж/моль} \approx +1{,}87\text{ кДж/моль}$

6. Порівняйте результат із довідниковим значенням:

Експериментально отримане значення молярного теплового ефекту розчинення є близьким до довідникового значення, однак відрізняється від нього у бік меншого значення за абсолютною величиною через неминучу втрату теплоти в навколишнє середовище та поглинання частини теплоти стінками посудини.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

1. Чи можна сформулювати принцип: під час розчинення яких речовин теплота виділяється, а яких — поглинається?

Теплота виділяється (екзотермічний процес), якщо енергія гідратації частинок речовини водою є більшою за енергію, необхідну для руйнування кристалічної ґратки (наприклад, під час розчинення натрій гідроксиду, концентрованої сульфатної кислоти чи кальцій хлориду). Теплота поглинається (ендотермічний процес), якщо енергія руйнування кристалічної ґратки речовини є більшою за енергію гідратації утворених йонів або молекул (наприклад, під час розчинення амоній нітрату чи калій нітрату).

2. Чому у формулі для обчислення теплоти використовують масу всього розчину, а не лише води чи розчиненої речовини? Як це впливає на точність розрахунків?

У формулі використовують масу всього розчину, оскільки під час розчинення зміна температури відбувається у всій системі, що складається з розчинника та розчиненої речовини як єдиної рідкої фази. Використання маси всього розчину суттєво підвищує точність розрахунків, адже нехтування масою розчиненої речовини призвело б до заниження обчисленої кількості виділеної або поглинутої теплоти.

3. Як ви вважаєте, чи зміниться температура розчину, якщо змінити масу розчиненої речовини, але залишити таку саму масу води?

Зміна маси розчиненої речовини за сталої маси води змінить кінцеву температуру розчину, оскільки збільшення кількості розчиненої речовини призводить до виділення або поглинання більшої кількості сумарної теплоти, що викликає більшу зміну температури розчину $\Delta t$.

4. Які похибки можуть виникнути під час виконання цього експерименту? Як їх можна уникнути або зменшити?

Основними похибками є втрати теплоти через теплообмін із повітрям і стінками хімічного стакана, неточне вимірювання маси речовини чи води, а також тривале розчинення твердої речовини. Щоб зменшити ці похибки, слід використовувати теплоізольовану посудину (калориметр або стакан із пінопластовою підкладкою та кришкою), використовувати точні ваги, а також інтенсивно перемішувати розчин для швидкого досягнення максимальної або мінімальної температури.

5. Чи використовують у побуті розчинення солей із виділенням теплоти?

Так, розчинення солей та інших речовин із виділенням теплоти використовують у побуті. Прикладами є хімічні грілки для рук і ніг, самонагрівні компреси, пакети для розігріву їжі у польових умовах, а також використання безводного кальцій хлориду у побутових зневоднювачах повітря.

6. Чи впливатиме температура початкової води на кількість теплоти, яка виділяється або поглинається? Обґрунтуйте свою думку.

Температура початкової води практично не впливає на кількість виділеної або поглинутої теплоти (молярний тепловий ефект розчинення), оскільки тепловий ефект визначається хімічною природою речовини, ентальпією руйнування кристалічної ґратки та ентальпією гідратації йонів. Початкова температура води впливає лише на швидкість розчинення речовини та її граничну розчинність.

7. Сформулюйте гіпотезу для пояснення чинників, від яких залежить тепловий ефект розчинення.

Тепловий ефект розчинення залежить від співвідношення між енергією, що витрачається на руйнування кристалічної ґратки речовини (ендотермічний процес), та енергією, що виділяється під час утворення зв’язків між частинками речовини та молекулами розчинника в процесі гідратації (екзотермічний процес). Якщо енергія гідратації більша за енергію кристалічної ґратки, теплота виділяється, а якщо менша — поглинається.

8. Чому саме воду використовують як розчинник для таких експериментів? Чи можна було б використати інший розчинник? Чи змінився б результат експерименту?

Воду використовують як розчинник у таких експериментах через її високу полярність, доступність, безпечність, а також відоме значення її питомої теплоємності.

Використати інший розчинник (наприклад, етанол або ацетон) можна лише для тих речовин, які здатні в ньому розчинятися.

У разі використання іншого розчинника результат експерименту зміниться, оскільки енергія сольватації в іншому середовищі та питома теплоємність нового розчинника будуть відрізнятися від параметрів води.