Навчальне дослідження № 2. «Тепловий ефект розчинення»

• Назад до змісту

Запишіть обладнання та речовини, з якими ви працюватимете.

Обладнання: калориметр (або два пластикові стакани різного діаметра та пінопласт для теплоізоляції), термометр, мірний циліндр, лабораторні терези з важками, хімічний стакан, скляна паличка з гумовим наконечником.

Речовини: дистильована вода, твердий натрій гідроксид $\mathrm{NaOH}$, амоній нітрат $\mathrm{NH_4NO_3}$, натрій хлорид $\mathrm{NaCl}$.

1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.

Мета дослідження: експериментально виміряти зміну температури під час розчинення твердих речовин у воді, визначити кількість виділеної або поглинутої теплоти та розрахувати молярний тепловий ефект розчинення.

2. Запишіть план експерименту.

1. Відміряти мірним циліндром $50\text{ мл}$ ($50\text{ г}$) дистильованої води та налити її у внутрішній стакан калориметра.
2. Занурити термометр у воду та зафіксувати її початкову температуру $t_1$.
3. Зважити на терезах необхідну порцію першої досліджуваної речовини.
4. Всипати зважену сіль у воду, обережно перемішати розчин скляною паличкою до повного розчинення кристалів і записати максимальне або мінімальне значення температури $t_2$.
5. Обчислити різницю температур $\Delta t$ та масу утвореного розчину.
6. Промити стакан, витерти його насухо та 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:

Кількість теплоти обчислюємо за формулою $Q = C \cdot m \cdot \Delta t$, де $C = 4{,}18\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{г}\cdot\text{К}}$, $m$ — загальна маса розчину, $\Delta t = t_2 - t_1$.

1. Для речовини 1 ($\mathrm{NaOH}$):
   $\Delta t_1 = t_2 - t_1 = 38\ ^\circ\mathrm{C} - 20\ ^\circ\mathrm{C} = 18\ ^\circ\mathrm{C} = 18\text{ К}$
   $Q_1 = C \cdot m \cdot \Delta t_1 = 4{,}18\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{г}\cdot\text{К}} \cdot 54\text{ г} \cdot 18\text{ К} = 4062{,}96\text{ Дж} \approx 4{,}06\text{ кДж}$
   (знак плюс свідчить про виділення теплоти в навколишнє середовище / розчин).

2. Для речовини 2 ($\mathrm{NH_4NO_3}$):
   $\Delta t_2 = t_2 - t_1 = 14\ ^\circ\mathrm{C} - 20\ ^\circ\mathrm{C} = -6\ ^\circ\mathrm{C} = -6\text{ К}$
   $Q_2 = C \cdot m \cdot \Delta t_2 = 4{,}18\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{г}\cdot\text{К}} \cdot 54\text{ г} \cdot (-6\text{ К}) = -1354{,}32\text{ Дж} \approx -1{,}35\text{ кДж}$
   (знак мінус вказує на поглинання теплоти).

3. Для речовини 3 ($\mathrm{NaCl}$):
   $\Delta t_3 = t_2 - t_1 = 19{,}2\ ^\circ\mathrm{C} - 20\ ^\circ\mathrm{C} = -0{,}8\ ^\circ\mathrm{C} = -0{,}8\text{ К}$
   $Q_3 = C \cdot m \cdot \Delta t_3 = 4{,}18\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{г}\cdot\text{К}} \cdot 55{,}85\text{ г} \cdot (-0{,}8\text{ К}) = -186{,}76\text{ Дж} \approx -0{,}19\text{ кДж}$
   (теплота слабо поглинається).

5. Обчисліть молярний тепловий ефект за формулою:

Молярний тепловий ефект обчислюємо за співвідношенням $\Delta H = \dfrac{-Q}{n}$, де $n = \dfrac{m}{M}$.

1. Для речовини 1 ($\mathrm{NaOH}$):
   $M(\mathrm{NaOH}) = 23 + 16 + 1 = 40\text{ г/моль}$
   $n(\mathrm{NaOH}) = \dfrac{m(\mathrm{NaOH})}{M(\mathrm{NaOH})} = \dfrac{4\text{ г}}{40\text{ г/моль}} = 0{,}1\text{ моль}$
   $\Delta H_1 = \dfrac{-Q_1}{n(\mathrm{NaOH})} = \dfrac{-4062{,}96\text{ Дж}}{0{,}1\text{ моль}} = -40629{,}6\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{моль}} \approx -40{,}63\,\dfrac{\text{кДж}}{\text{моль}}$

2. Для речовини 2 ($\mathrm{NH_4NO_3}$):
   $M(\mathrm{NH_4NO_3}) = 14 + 4 \cdot 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 80\text{ г/моль}$
   $n(\mathrm{NH_4NO_3}) = \dfrac{m(\mathrm{NH_4NO_3})}{M(\mathrm{NH_4NO_3})} = \dfrac{4\text{ г}}{80\text{ г/моль}} = 0{,}05\text{ моль}$
   $\Delta H_2 = \dfrac{-Q_2}{n(\mathrm{NH_4NO_3})} = \dfrac{-(-1354{,}32\text{ Дж})}{0{,}05\text{ моль}} = +27086{,}4\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{моль}} \approx +27{,}09\,\dfrac{\text{кДж}}{\text{моль}}$

3. Для речовини 3 ($\mathrm{NaCl}$):
   $M(\mathrm{NaCl}) = 23 + 35{,}5 = 58{,}5\text{ г/моль}$
   $n(\mathrm{NaCl}) = \dfrac{m(\mathrm{NaCl})}{M(\mathrm{NaCl})} = \dfrac{5{,}85\text{ г}}{58{,}5\text{ г/моль}} = 0{,}1\text{ моль}$
   $\Delta H_3 = \dfrac{-Q_3}{n(\mathrm{NaCl})} = \dfrac{-(-186{,}76\text{ Дж})}{0{,}1\text{ моль}} = +1867{,}6\,\dfrac{\text{Дж}}{\text{моль}} \approx +1{,}87\,\dfrac{\text{кДж}}{\text{моль}}$

6. Порівняйте результат із довідниковим значенням:

Знаки теплових ефектів збігаються з довідковими ($\Delta H < 0$ для $\mathrm{NaOH}$, $\Delta H > 0$ для $\mathrm{NH_4NO_3}$ та $\mathrm{NaCl}$). Отримані значення трохи менші за довідкові через втрати тепла в навколишнє середовище.

Підбиваємо підсумки

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

Так (теплота виділяється, якщо енергія гідратації більша за енергію руйнування кристалічної ґратки, і навпаки).

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

Бо нагрівається (або охолоджується) вся рідка суміш як єдина система. Це значно підвищує точність розрахунків.

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

Так, зміниться. Кількість виділеної чи поглинутої теплоти прямо пропорційна масі розчиненої речовини: що більше солі, то більша зміна температури.

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

Втрати тепла в повітря, поглинання тепла стінками посуду та неточність зважування. Щоб зменшити: використовувати калориметр із кришкою, точні ваги та швидко перемішувати розчин.

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

Так, у хімічних грілках для рук та пакетах для безполуменевого розігріву їжі.

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

Істотно не впливає. Тепловий ефект залежить від природи речовини та міцності зв’язків; початкова температура впливає лише на швидкість розчинення.

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

Тепловий ефект залежить від міцності кристалічної ґратки речовини та енергії гідратації її частинок молекулами води.

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

Вода — доступний та безпечний полярний розчинник. Можна використати інший розчинник (наприклад, спирт), але результат зміниться через іншу енергію сольватації.