LINKÖPINGS UNIVERSITET 2013-10-03 Avd för kemi, IFM Fysikalisk kemi Labratin 1: Kalrimetrisk bestämning av neutralisatinsentalpi
Labratin 1: Kalrimetrisk bestämning av neutralisatinsentalpi Uppgift: 1. Att bestämma värmekapaciteten för kalrimetern. 2. Att bestämma standardentalpiändringen för den vanliga neutralisatinsreaktinen Litteratur: Atkins Physical Chemistry (9:e upplagan) s. 53 56 ch 57 59. Teri: Syftet med denna labratin är att bestämma H för reaktinen H + (aq) + OH (aq) H 2 O(l) Dvs. vi vill bestämma hur mycket värme sm avges då en ml av vardera H + (aq) ch OH - (aq) reagerar vid knstant tryck. Ringen ( ) anger att reaktinen ska ske vid standardtillståndet. Detta betyder att trycket ska vara 1 bar ch kncentratinerna av de reagerande jnerna ska vara 1 ml per kg lösningsmedel. Men det betyder ckså att H + (aq) ch OH - (aq) ska uppföra sig sm m de var ändligt utspädda. Standardtillståndet för ett löst ämne är alltså ett tänkt tillstånd då det lösta ämnet har en kncentratin av en mlal men där det lösta ämnet har de egenskaper sm det har vid ändlig utspädning. Detta innebär att vi egentligen ska bestämma neutralisatinsentalpin vid ändlig utspädning. Direkt mätning är inte praktiskt möjlig av två skäl: dels är den värmemängd sm utvecklas per kg lösning försvinnande liten, så att någn temperaturökning inte kan spåras, dels är reaktinen en jämvikt (pk w = 14). Lösningen på detta prblem är att utföra reaktinen vid högre kncentratiner av syra ch lut ch sedan räkna ut H -värdet för reaktinen vid det tänkta tillståndet enligt Hess lag. Hess lag säger att m en reaktin kan delas upp i delreaktiner så är summan av entalpiändringarna för delreaktinerna lika med entalpiändringen för ttalreaktinen. Lagen är en knsekvens av att entalpin är en tillståndsfunktin, dvs entalpin berr endast av tillståndet ch är berende av hur tillståndet uppnåddes. Den sökta reaktinen kan delas upp i tre delreaktiner: 1. ändligt utspädda reaktanter kncentreras 2. reaktinen sker vid hög kncentratin 3. prdukterna späds till ändligt låg kncentratin 1
Hur den sökta reaktinen kan tänkas delas upp i delreaktiner visas i nedanstående graf: H kncen- trering cnc H utförd reaktin r H utspädning dil H sökt reaktin r H reaktinskrdinat reaktanter prdukter I det första försöket ska vi tillsätta vi en liten vlym av 5 M HCl(aq) till en 0.25 M lösning av NaOH(aq) i ett adiabatiskt kärl (terms), så att initialkncentratinen HCl(aq) blir ca 0.15 M. All HCl(aq) kmmer att reagera ch i slutlösningen får vi då 0.10 M NaOH(aq) ch 0.15 M NaCl(aq). Detta försök mtsvarar utförd reaktin i figuren van. Ett prblem vid detta experiment är att inte endast reaktinen kmmer att utveckla värme utan vi får ckså en värmeutveckling när vi späder den 5-mlara syran ner till 0.15 M. Denna effekt måste vi bestämma ch dra ifrån försök nr. 1 för att erhålla reaktinsentalpin. I försök 3 mäter vi utspädningsentalpin för syran. Om man inte har samma temperatur initialt hs luten ch syran sm tillsätts så måste man även krrigera för den skenbara värmeutveckling i reaktinskärlet sm då kmmer att registeras. Var den tillsatta syran varmare är innehållet i kalrimetern räknas dettta sm tillsatt värme. Temperaturmätningar: Vid experimenten ska temperaturförändringen hs kalrimetern registreras. Eftersm vi har ett visst värmeutbyte med mgivningen (isleringen är inte helt perfekt), samtidigt sm vi tillför arbete till systemet via mrörning, kmmer temperaturen inte vara helt stabil varken före eller efter reaktinen. Dessa prcesser är långsamma jämfört med den nästan mmentana reaktinen ch vi kan därför skilja temperaturförändringar sm rsakas av reaktinen (ch utspädningen av syran) från den långsamma temperaturdrift sm rsakas av värmeutbytet ch mrörningen. Detta gör vi genm att följa temperaturen sm funktin av tiden ch göra en grafisk utvärdering av temperaturändringarna sm rsakas av de snabba prcesserna. Se figur under Beräkningar. 2
För att mäta temperaturen använder vi en termistr, vilket är en halvledare vars resistans är starkt temperaturberende. I vårt försök gäller följande samband: T 1000 = k ln R +l (1) där R är termistrns mtstånd i kω ch T temperaturen i K. Termistrknstanterna k ch l är individuellt bestämda för lika termistrer ch finns angivna på labratriet. Termistrns resistans är c:a 1,5 2,0 kω vid rumstemperatur (kan variera med ålder ch fabrikat). Utförande: OBS! Använd skyddsglasögn under hela försöket, samt skyddshandskar vid hantering av syran. De tre försöken nedan behöver inte göras i nummerrdning, till exempel kan man göra försök 2 eller 3 medan den beredda NaOH-lösningen i försök 1 svalnar. Försök 1: Neutralisatinsreaktinen. Väg upp ca. 5.000 g NaOH i en 1 litersbägare. Tillsätt 500 ml vatten ur mätklv. Låt NaOH lösa sig genm att då ch då försiktigt snurra på bägaren. Därefter kyls lösningen så att den får rumstemperatur (dvs samma temperatur sm den 5 M HCl-lösningen har). Kntrllera med termistrn så att lösningarna har ungefär samma temperatur! Skölj ur Dewarkärlet (termsen) med dest. vatten ch trka ur. Släpp ner en magnetlppa ch häll över hydrxidlösningen. Sätt på lcket med termistr mnterad. Eventuellt extra hål i lcket bör vara förseglat. Se till termistrn är under vätskeytan utan att vatten kmmer på anslutningen mellan termistrn ch ledningarna. Anslut termistrn till multimetern sm ska vara inställd på resistansmätning ch starta en relativt kraftig mrörning. Kntrllera under försökets gång att mrörningen fungerar. Starta ett tidtagarur ch avläs temperaturen varje minut. Efter minst 6 minuter (då stabil temperatur eller stabil temperaturdrift uppnåtts) tillsätts 15.00 ml av 5 M HCl. Anteckna tiden då ungefär hälften av syran runnit ut (tiden då reaktinen kan anses ske). Frtsätt att avläsa temperaturen i ytterligare ti minuter. Häll ut lösningen, skölj kärlet med dest. vatten ch trka ur det. Om syran har annan halt än 5,00 M, anteckna. 3
Försök 2: Kalrimeterns värmekapacitet. En känd mängd värme tillförs kalrimetern genm att lösa ett nga invägt salt i vatten. Häll 500 ml rumstempererat dest. vatten ur en mätklv i Dewarkärlet. Starta mrörningen ch mät temperaturen varje minut i minst 5 minuter. Tillsätt ca. 6.600 g KNO 3 från ett vågskepp (differensväg massan) utan att saltet fastnar på lcket eller Dewarkärlets väggar. Se till att saltet inte innehåller några klumpar. Anteckna massan. Frtsätt att mäta temperaturen i minst 7 minuter. Försök 3: Utspädning av 5 M HCl Försöket utförs på samma sätt sm försök 1 med skillnaden att hydrxidlösningen ersätts med 500 ml rumstempererat vatten. Beräkningar Temperaturdifferenserna: Avsätt temperaturen sm funktin av tiden för de tre experimenten ch avläs temperaturdifferenserna grafiskt enligt figuren nedan för de tre delförsöken kallade T 1, T 2 resp. T 3. Dra en trendlinje till punkterna före tillsatsen sker, dra en annan trendlinje till punkterna efter reaktinen skett. Tag mindre hänsyn till de första punkterna efter temperatursprånget vid utvärderingen eftersm dessa punkter ibland är lite för höga, berende på att temperaturjämvikt inte har hunnit ställa in sig mellan lösningen ch Dewarkärlet. Dra ut trendlinjerna ch markera T mellan trendlinjerna vid en linje sm är vinkelrät mt x-axeln vid tidpunkt för reaktinen. För HCl-experimenten anses reaktinen ske när hälften av syran tillsatts, ch för salt-experimentet bör reaktinen ske direkt vid tillsats. Tidpunkten för reaktinen kan kmma att fördröjas m saltet innehåller klumpar eller m mrörningen är dålig. 4
Beräkning av värmemängder. Det värme sm systemet avger ( q med knventinella beteckningar, vilket kmpenseras senare i beräkningarna) kan fås med frmeln: q = C p T (2) Tar systemet upp värme (vätskans temperatur minskar) är q<0. C p får alltså alltid ett psitivt tecken. Värmekapaciteterna: Systemets ttala värmekapacitet ges av lösningens värmekapacitet, C p, sl, sm är lika för de lika försöken (se nedan), samt av apparatens värmekapacitet, C p, A, sm är lika vid alla försök. Dvs C = C + C (3) p p, sl p,a Lösningarnas värmekapaciteter beräknas enligt C = V ρ c (4) p, sl sl sl p,sl där V sl är lösningens vlym, ρ sl är lösningens densitet ch c p, sl är lösningens specifika värmekapacitet. Nedanstående tabell visar de lika strheternas värden för lösningarna i de tre försöken: Försök Lösningens sammansättn. V sl (ml) c p (J K -1 g -1 ) ρ (g/ml) 1 0,10 M NaOH + 0,15 M NaCl 515 4,10 1,01 2 0,13 M KNO 3 500 4,11 1,00 3 0,15 M HCl 515 4,10 1,00 Beräkningarna börjar med att man ur försök nr. 2 kan räkna ut en känd mängd värme, q 2, sm tillfördes systemet så att värmekapaciteten C p2 kan bestämmas, ch därmed apparatens värmekapacitet enligt ekv. (2) ch (3): Upplösning av KNO 3 är en endterm reaktin. KNO 3 (s) KNO 3 (aq, 0.13 M) diss H = 34786 J ml -1 5
Den värmemängd sm krävdes för att lösa saltet var q = n 3 H 2 KNO diss (5) Man skall nu ur försök 2 ha fått fram ett värde på C p,a. Detta värde kan sedan användas vid beräkningar av resp. upptagna värmemängder för reaktinerna i försök 1 ch 3. Nästa steg är att beräkna avgiven värmemängd, q 1, för försök 1 sm innebär spädning av 0,075 ml HCl(aq) från 5 M till 0,15 M plus att 0,075 ml NaOH i lösningen reagerar med HCl till NaCl ch vatten. Här kan man med lösningens värmekapacitet enl. ekv. (4) ch C p,a från försök 2 räkna fram ett värde på ttala värmekapaciteten med hjälp av ekv. (3), sm sedan med hjälp av ekv. (2) ger värdet på q 1. Dck måste man dessförinnan krrigera för m den tillsatta syran inte hade samma temperatur sm vätskan i kalrimetern. Här tillkmmer värmet sm avges då den 5 M HCl lösningen kmmer i temperaturjämvikt med hydrxidlösningen: qs b = 15ρ scs Ts b, där ρ s är syrans densitet, ρ = 1.08 s g/ml, c s är syrans specifika -1-1 värmekapacitet, c s = 3.18 J K g samt T s- b är temperaturskillnaden mellan HCl-lösningen ch hydrxidlösningen. Hydrxidlösningens temperatur läses av ur grafen vid tidpunkt för reaktinen. Är syran från början varmare kmmer den ju att bidraga till temperaturökningen. Vi får alltså: q s-b + q 1 = T 1 C p1 (6) q 1 kan alltså räknas ut. Försök nr. 3 kan sedan användas för att helt analgt med vanstående räkna ut ett värde på q 3 sm utgör det värme, sm avges när 15 ml, 5 M HCl lösning späds till 0.15 M i 500 ml vatten. Tänk på att även här kan det behöva krrigeras m syran inte har samma temperatur sm vattnet. Reaktinsentalpin: Det värme sm avges vid själva reaktinen i försök 1 är q r vilket är q 1 q 3. Reaktinsentalpin rh är lika med qr. Standardreaktinsentalpin: Enligt Hess lag är standardreaktinsentalpin för reaktinen 6
H + (aq) + OH (aq) H 2 O(l) räknad per ml reaktin: H = cnc H + rh + n HCl dil H cnc H ch H beräknas från nedanstående utspädningsentalpier ch de aktuella ämnesmängderna. dil NaOH(aq, 0.25 M) NaOH(aq, 0 M) H 1 = 498 J ml -1 NaOH(aq, 0.10 M) NaOH(aq, 0 M) H 2 = 427 J ml -1 HCl(aq, 0.15 M) HCl(aq, 0 M) H = 690 J ml -1 3 NaCl(aq, 0.15 M) NaCl(aq, 0 M) H = 364 J ml -1 4 cnc H = ( n H + n H ) HCl 3 NaOH 1 H = ( n n H + n H dil NaOH HCl ) 2 NaCl 4 Ämnesmängderna NaOH ch NaCl beräknas utifrån de uppmätta mängderna på lab. Ämnesmängden NaCl är densamma sm ämnesmängden saltsyra. Beräkna litteraturvärdet för neutralisatinen ur f Hº i tabell 2.8 i Atkins Physical Chemistry (9:e uppl.) ch jämför med det experimentella värdet. Följande skall ingå i rapprten: 1) Inledning, syfte ch teri bakm labratinen. 2) Krtfattat utförande. 3) Primärdata, exakta uppvägda massr, tid för tillsats/reaktinen 4) Tabeller (tid, R, T) ch diagram till varje försök där T är tydligt markerat. 5) Beräkningar, tydligt uppdelat. Alla frmler ska redvisas. 6) Beräkning av litteraturvärde. 7) Diskussin m resultat, jämförelse med litteraturvärde samt felkällr. 7