3. Termochemická měření
3.a. Stanovení neutralizačního a zřeďovacího tepla
$
]Při neutralizaci silných kyselin silnými zásadami ve vodném prostředí dochází k reakci zcela
disociovaných iontů:
(3.1.)
Neutralizační teplo je rovno součtu tepla reakčního a zřeďovacího: . Pro standardní podmínky
(25-oC, 1 Atm) je tabelovaná hodnota .
Při neutralizaci slabých kyselin, resp. slabých zásad se spotřebuje určité množství energie
na disociaci vedoucí k uvolnění iontů [H^+] a [OH^-] . Proto je výsledný pozorovaný tepelný
efekt (změna entalpie) tj. neutralizační teplo ovlivněno teplem disociačním slabé kyseliny či
zásady .
(3.2.)
Celkové množství uvolněného tepla Q v kalorimetru zjistíme ze vzestupu teploty v kalorimetru
podle vztahu:
(3.3.)
kde DT je vzestup teploty při neutralizaci, C je tzv. tepelná kapacita kalorimetru (udává
množství tepla potřebného k zahřátí kalorimetrické soustavy o 1^oC ).
Kapacitu kalorimetru stanovíme tak, že změříme vzestup teploty DT' v kalorimetru po dodání
tepla Q[E] vzniklého průchodem proudu I topným el. odporem ponořeným v náplní kalorimetru.
(3.4.)
E je napětí na svorkách odporového topení a t je doba průchodu proudu I.
?
]Úkol: Stanovte neutralizační a zřeďovací teplo silné (HCl) a slabé kyseliny (kys. octové) při
reakci se silnou zásadou (NaOH). Určete reakční teplo při neutralizaci silné kyseliny silnou
zásadou. Odhadněte disociační teplo slabé kyseliny.
"
]Potřeby a chemikálie : Dewarova nádoba, teplotní čidlo s měřičem teploty a obslužným PC,
rotační el. míchadýlko, odporové topné tělísko ve skleněném pouzdře, vyfukovací pipeta,
ampérmetr do 2 A, voltmetr do 12 V, reostat, spínač. Pipeta (10 cm^3), byreta (50 cm^3),
titrační baňka (500 cm^3), 2M HCl, 2M CH3COOH, fenolftalein a faktorizovaný 0,1M NaOH.
2
]Postup: Sestavu k měření připravujeme dle Obr. 5. Jako nádoba kalorimetru je použita Dewarova
nádoba o obsahu asi 500 cm^3, kterou budeme při práci plnit roztokem nebo vodou dle toho, jaký
tepelný efekt budeme sledovat. Do nádoby budeme též umísťovat vyfukovací pipetu s kyselinou.
G
]Sestavení aparatury: Dewardovu nádobu naplníme reakčním roztokem nebo vodou (začínáme 0,1M
roztokem NaOH v množství nutném k neutralizaci HCl dle níže uvedeného neutralizačního
stanovení).
Mimo nádobu zasuneme do zátky z pěnového polyuretanu vyfukovací pipetu s reakčním roztokem
(začínáme s 2M HCl). Zátku s pipetou opatrně vložíme do naplněné Dewardovy nádoby, přičemž
správné umístění kontrolujeme neobsazenými otvory v zátce. Do zbývajících otvorů vložíme
postupně další součásti sestavy v následujícím pořadí: teplotní čidlo, topné tělísko ve
skleněném obalu a nakonec umístíme do středu zátky el. míchadýlko.
Míchadýlko spojíme s jeho el. zdrojem a krátkým sepnutím ověříme jeho funkci. Topné tělísko
zapojíme do obvodu dle Obr. 5. se zdrojem stejnosměrného napětí 12 V a ověříme si jeho
funkčnost a vhodné nastavení reostatu tak, že na co nejkratší nezbytně nutnou dobu zapneme
spínačem okruh topného tělíska a vyregulujeme intenzitu procházejícího proudu přesně na 0,5 A
.
Seznámíme se s převodem dat teplotního čidla přes měřič teploty do připojeného PC.
Zkontrolujeme propojení teplotního čidla s měřičem teploty a obslužným PC. Zapneme PC a měřič
teploty.
1. Stanovení množství hydroxidu nutného k neutralizaci. Poněvadž ve vyfukovací pipetě,
kterou používáme při stanovení neutralizačního tepla, zůstane vždy po vyfouknutí určité
množství roztoku, naplníme ji několika cm^3 kyseliny a vyfoukneme ji do výlevky. Potom
do vyfukovací pipety (není kalibrovaná) napipetujeme 10 cm^3 2M kyseliny, vyfoukneme ji
do titrační baňky a ztitrujeme 0,1M NaOH na fenolftalein. Spotřeba hydroxidu je okolo 200 cm^3
, přesný objem určíme z nejméně dvou titrací.
Obr. 5: Sestava jednoduchého kalorimetru.
P - vyfukovací pipeta, T – teplotní čidlo,
M - míchadýlko, H - topení, V - voltmetr A
- ampermetr, R - reostat, B - zdroj
stejnosměrného napětí, MT - měřič teploty.
2. Stanovení neutralizačního tepla a konstanty kalorimetru. Zjištěným ekvivalentním
množstvím 0,1M NaOH dle neutralizace na fenolftalein naplníme Dewardovu nádobu kalorimetru. Do
vyfukovací pipety dáme 10 cm^3 2M kyseliny Kalorimetr sestavíme dle výše uvedeného návodu
k sestavení aparatury. Zapneme míchadýlko. Spustíme program odečtu okamžité teploty se
záznamem měřených dat na disk obslužného PC. Necháme kalorimetrickou sestavu teplotně
relaxovat po dobu 5-7 min. Vyfoukneme obsah pipety do náplně kalorimetru. Po 4 min. teplotní
relaxace zapneme topení a přesně na 1 sec si zaznamenáme z displeje PC čas zapnutí. Po
vzestupu teploty o cca 0,7-oC zahřívání vypneme a opět zapíšeme přesný čas z PC. Sestavu
ponecháme dále relaxovat ještě 10 minut a pak měření ukončíme. Získáme tak záznam závislosti
podobný jako na Obr. 6. Po ukončení měření vyprázdníme a vypláchneme kalorimetr.
Obr. 6: Závislost teploty na čase
při neutralizaci silné kyseliny silným
hydroxidem včetně dalšího průběhu
při stanovení tepelné kapacity
kalorimetru.
3. Stanovení zřeďovacího tepla DH[zřed] včetně konstanty kalorimetru. Do kalorimetru
odměříme tolik cm^3 vody, kolik jsme použili v předešlém stanovení 0,1M NaOH. Do vyfukovací
pipety dáme opět 10 cm^3 2M HCl. Po sestavení kalorimetru postupujeme stejně jako
v předcházejícím bodě 2.
4. Stanovení neutralizačního a rozpouštěcího tepla slabé kyseliny. Postupujeme zcela
stejným způsobem, jako při práci se silnou kyselinou, včetně stanovení tepelné kapacity
kalorimetru.
:
]Způsob vyhodnocení výsledků: Vybrané lineární části vytištěného závislosti T = f(t) proložíme
na papíře pomocnými přímkami dle Obr. 6 a provedeme co nejpřesněji odečet DT a pro jednotlivé
experimenty. Je-li k dispozici vhodný SW provedeme konstrukci a vyhodnocení v PC.
?
]protokol: pro silnou i slabou kyselinu: Grafy 1-4: závislosti změn teploty na čase pro
měření neutralizačních a zřeďovacích tepel. Dále: ekvivalentní objemy NaOH, látková množství
neutralizovaných kyselin, tepelné kapacity kalorimetru z jednotlivých měření, tepelné efekty
při neutralizaci a při zřeďování, molární neutralizační a zřeďovací tepla kyselin.