Научно-исследовательская работа «Определение теплового эффекта химической реакции нейтрализации»

Определение теплового эффекта химической реакции нейтрализации

Направление – химия, физика

Выполнили: ученики 9 а класса МБОУ «Гимназия № 5» г. Брянска Агейченкова Диана, Козлова Елизавета, Игнатичев Иван

Руководители: учитель химии МБОУ «Гимназия №5» Жирешонкова Л. В., доцент кафедры агрохимии, почвоведения и экологии БГАУ Мартынова Е. В.

 

 

 

 

 

Брянск 2018

Содержание

Введение………………………………………….. ……………….………3

Методика и результаты исследования…………… ……………..…….5

Выводы……………………………………………………………………..10

Заключение……………………………………………………………..….11

Список использованных источников……………………………..……12

Приложение…………………………………………………….………….12

Введение

Химическая термодинамика – раздел химии, изучающий энергетические эффекты химических реакций. Термохимия – раздел термодинамики, который изучает тепловые явления, сопровождающие химические реакции. Изучение этих явлений имеет большое значение для термодинамических и технологических расчётов. Тепловым эффектом реакции называется количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при необратимом протекании реакции, если продукты реакции и исходные вещества имеют одинаковую температуру.

По знаку теплового эффекта все реакции делятся на экзотермические и эндотермические. Экзотермические – реакции, протекающие с выделением тепла из системы в окружающую среду. Эндотермические – реакции, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды.

Тепловой эффект реакции, измеренный при постоянных температуре и давлении, называется теплотой реакции Qр, а величина, описывающая изменение состояния системы и противоположная по знаку – энтальпией реакции ∆H. Энтальпии образования известны для нескольких тысяч веществ. Это позволяет расчётным путём установить энергетические эффекты разных процессов. Для измерения теплоты в системе СИ установлена единица джоуль [2, 7].

Для описания тепловых явлений в химических реакциях используют термохимические уравнения. Термохимические уравнения – химические уравнения с указанием теплового эффекта реакций.

Цель работы: определение теплового эффекта реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием калориметрическим методом.

Задачи работы:

изучить и проанализировать литературу по проблеме исследования;

освоить калориметрический метод определения тепловых эффектов химических реакций;

провести исследования по определению тепловых эффектов реакции нейтрализации;

описать этапы работы и сделать выводы.

Методы исследования: изучение литературы, химический и физико-химический эксперимент, обработка результатов, наблюдение.

Объект исследования – взаимодействие сильной кислоты с сильным основанием.

Предмет исследования – тепловой эффект реакции нейтрализации.

Практическая значимость заключается в способности использования основных законов естественнонаучных дисциплин в практической деятельности, применения методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования. Результаты нашей работы могут быть использованы на уроках химии и физики.

Мы изучили литературу (учебники Глинка Н.Л., Коровин Н.В. Общая химия, Мануйлов А.В., Родионов В.И. Основы химии, Смолова Л. М. Руководство к практическим занятиям по общей химии и другие) по темам «Тепловые эффекты химических реакций», «Определение теплоты реакций», «Энтальпия», «Термохимические уравнения».

Методика и результаты исследований.

Исследование проходило на базе Брянского государственного аграрного университета.

Реактивы, посуда и оборудование: модуль «Термостат», универсальный контроллер, мерные цилиндры, стаканы, растворы 0,15 моль/л NаOH, KOH 5 моль/л HCl, HNO3, H2SO4, дистиллированная вода. (Приложение 1)

Для определения теплоты нейтрализации мы использовали 0,15 м растворы NaOH, KOH. В стакан налили 100 мл щелочи и установили его в калориметр. Проводим нейтрализацию 5-ти молярные раствор соляной, серной и азотной кислот объёмом 3 мл из пипетки. В течение 4 минут фиксируем температуру «предварительного периода».

Определяем теплоту нейтрализации и разведения q1, приливая к большому объёму щелочи небольшой объём кислоты.

Определяем теплоту разведения кислоты q2, вливая раствор кислоты в воду. Объёмы кислоты и щелочи взяты в таких же объёмах, как при нейтрализации [6, 8].

Полученные данные заносим в таблицу.

Опыт №1

NаOH + HCl → NaCl + Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 1

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 – t4 = 1,61

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,27

Теплоту нейтрализации определяют по формуле

q = (m1c1+m2c2+K) ∆t1 – (m2c2+m3c3+K) ∆t2

где m1, c1 – масса и теплоемкость щелочи;

m2, c2 – масса и теплоемкость кислоты;

m3, c3 – масса и теплоемкость воды;

∆t1, ∆t2 – разность температур при нейтрализации и разведении соответственно.

Полученный тепловой эффект (Дж) пересчитывают на 1 моль кислоты

Q = g 1000/V C

где V – объём кислоты, см3, с – концентрация кислоты, моль/л;

с (NаOH) = 0,15м, р (NаOH) = 1,005 г/см3

с (KOH) = 0,15м, р (KOH) = 1,001 г/см3

с (HCl) = 5м, р (HCl) = 1,082 г/см3

с (HNO3) = 5м, р (HNO3) = 1,16 г/см3

с (H2SO4) = 5м, р (H2SO4) = 1,137 г/см3

V щёлочи = 100 мл, V кислоты = 3 мл.

Расчёты – Приложение 2

Опыт №2

NаOH + HNO3 → NaNO3 + Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 2

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 – t4 = 1,652

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,181

Опыт №3

2NаOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 3

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 – t4 = 1,717

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,276

Опыт №4

KOH + HCl → KCl + Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 4

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 – t4 = 1,391

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,201

Опыт №5

KOH + HNO3 → KNO3 + Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 5

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 –t4 = 1,334

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,122

Опыт №6

2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2Н2О

Н++ОН-→ Н2О

Таблица 6

Опыт (щелочь и кислота) ∆t1 = t8 – t4 = 1,474

Контроль (вода и кислота) ∆t2 = t8 – t4 = 0,238

Выводы

Мы изучили калориметрический метод определения теплового эффекта реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.

Мы определили тепловой эффект реакции, он приблизительно составил 55,9 кДж/моль (при температуре 298 К), что соответствует справочным данным. Проведенные опыты показали, что при взаимодействии одинаковых количеств (1 моль) сильной кислоты с сильным основанием в водных растворах выделяется примерно одинаковое количество теплоты. Теплота реакции нейтрализации постоянна, так как при взаимодействии сильных кислот и оснований, которые полностью диссоциируют в водных растворах, протекает реакция: Н++ОН-→ Н2О (ж) [9].

Мы рассчитали относительную ошибку опыта по формуле

П = Qтеор. – Qэксп./ Qтеор..100%.

Результаты были занесены в таблицу.

Заключение

В ходе выполнения данной работы были проанализированы различные учебники по теории и практическим занятиям по химии.

Во время выполнения работы были получены или улучшены следующие практические и исследовательские навыки: умение формулировать цели и задачи, выбирать методики и работать в соответствии с ними, подбирать соответствующие реактивы, собирать приборы, определять тепловой эффект реакции калориметрическим методом, наблюдать и фиксировать происходящее, оформлять результаты. Мы поняли, что в научных исследованиях тесно связаны все естественнонаучные дисциплины.

В ходе эксперимента были применены знания, полученные при изучении химии, математики, физики, информатики, мы определяли тепловой эффект калориметрическим методом, проводили математическую обработку результатов анализа, представляли данные в графическом виде.

Поставленная цель была достигнута, а задачи выполнены. Результаты работы считаем успешными.

В дальнейшем планируется продолжить изучение общих закономерностей химических процессов в разделе «Химическая кинетика. Скорость химических реакций. Химическое равновесие».

Список использованных источников

Глинка Н.Л. Общая химия. − Москва. Химия, 2003. − 728 с.

Под редакцией д.х.н., профессора С.Ф. Дунаева. Практическое пособие по общей и неорганической химии. – Москва. МГУ. 2002.

Коровин Н.В. Общая химия. − Москва. Высшая школа, 1998. − 557 с.

Мануйлов А.В., Родионов В.И. Основы химии. Новосибирский государственный университет. – Москва. Издательство «Центрополиграф», 2016. – 416 с.

Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия. – Томск. Издательство Томского политехнического университета, 2005. − 206 с.

Смолова Л. М. Руководство к практическим занятиям по общей химии: учебное пособие. –Томск. Издательство Томского политехнического университета, 2010. – 152 с.

http://www.chem.msu.su/rus/teaching/general/praktika/part2.html

https://studfiles.net/preview/1770798/page:21/

http://chem-bsu.narod.ru/umk_chem_webCD/lwork/lr3.htm

 

Приложение 1. Реактивы, посуда и оборудование.

 

[6].

схема калориметра.

модуль «Термостат»

Приложение 2. Расчёты.

 

 

 

Приложение 3. Фотоотчёт.