Что называется тепловым эффектом растворения. Тепловые эффекты при растворении

Количество тепла, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моля вещества в таком количестве растворителя, дальнейшее прибавление которого уже не вызывает изменения теплового эффекта, называется теплотой растворения.

При растворении солей в воде знак и величина теплового эффекта растворения ∆Н определяется двумя величинами: энергией, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки вещества (∆H 1) - эндотермический процесс, и энергией, выделяемой при физико-химическом взаимодействии частиц растворяемого вещества с молекулами воды (процесс гидратации) (∆Н 2) - экзотермический процесс. Тепловой эффект процесса растворения определяется алгебраической суммой тепловых эффектов этих двух процессов:

∆Н = ∆H 1 + ∆H 2 .

Тепловой эффект процесса растворения может быть как положительным, так и отрицательным.

Для практического определения теплот растворения обычно определяют количество тепла, поглощаемого или выделяемого при растворении произвольного количества соли. Затем эту величину пересчитывают на 1 моль, так как количество тепла прямо пропорционально количеству растворенного вещества.

Для термохимических измерений используют прибор, называемый калориметром.

Определение теплоты растворения ведут по изменению температуры раствора, поэтому точность определения зависит от цены деления (точности) используемого термометра. Обычно диапазон измеряемых температур лежит в интервале 2-3°С, а цена деления термометра не более чем 0,05°С.

ХОД РАБОТЫ

Для выполнения работы используйте калориметр, состоящий из теплоизоляционного корпуса, крышки со встроенными электрической мешалкой и термометром, а также отверстием с пробкой.

Получите у преподавателя задание: тип растворяемого вещества.

Откройте пробку на крышке калориметра и залейте в него 200 мл воды, закройте пробку и выдержите 10-15 минут для установления постоянной температуры (t нач ). За это время на весах, используя кальку или часовое стекло, получите навеску вашего вещества (1,5 - 2,0 г) предварительно тщательно растертого в ступке. Полученную навеску, по возможности быстро, через отверстие в крышке поместите в калориметр при включенной мешалке. Следите за изменением температуры. После установления теплового равновесия (температура стабилизируется) запишите максимальную температуру раствора (t maх)и рассчитайте ∆t = t max – t нач. По полученным данным рассчитайте теплоту растворения соли, используя уравнение:

∆Н раств = q M/m , Дж/моль, (1)

где q - теплота, выделившаяся (или поглотившаяся) в калориметре (кДж); m - навеска соли (г); М - молярная масса растворяемого вещества (г/моль);

Теплота q определяется на основании экспериментальных данных из соотношения:

q = (m ст C ст + m р-ра C р-ра)∆t ,(2)

где m ст - масса стакана (г); m р-ра - масса раствора, равная сумме масс воды и соли в стакане (г); С ст - удельная теплоемкость стекла 0,753 Дж/г∙К;

С р-ра - удельная теплоемкость раствора (воды) 4,184 Дж/г∙К.

Сравнив полученный результат с данными табл.2 , рассчитайте относительную ошибку опыта (в %).

Теплота гидратации соли и её определение

Физико-химический процесс взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами воды (растворителя) называется гидратацией. В процессе гидратации образуются сложные пространственные структуры, называемые гидратами, и при этом в окружающую среду выделяется энергия в виде тепла.

Тепловой эффект реакции образования 1 моль гидратированной соли из безводной соли называется теплотой гидратации.

При растворении в воде безводной соли, способной образовывать гидраты, последовательно протекают два процесса: гидратация и растворение образовавшегося кристаллогидрата. Например:

CuSO 4(тв) + 5Н 2 О (ж) = CuSO 4 ×5H 2 О (тв),

CuSO 4 ×5H 2 О (тв) + n H 2 O (ж) = CuSO 4(р) ,

CuSO 4(р) + n H 2 O (ж) = Cu 2+ (р) + SO 4 2- (р)

Растворение электролитов сопровождается процессом электролитической диссоциации. Теплота гидратации молекулы равна сумме теплот гидратации образовавшихся при этом ионов с учетом теплоты диссоциации. Процесс гидратации-экзотермический.

Приближенно теплота гидратации вещества может быть определена как разность между теплотами растворения безводной соли и ее кристаллогидрата:

∆H гидр = ∆H безв - ∆H крист, (3)

где ∆H гидр - теплота гидратации молекул;

∆H безв - теплота растворения безводной соли;

∆H крист - теплота растворения кристаллогидрата.

Таким образом, для определения теплоты гидратации молекул необходимо предварительно определить теплоту растворения безводной соли и теплоту растворения кристаллогидрата этой соли.

ХОД РАБОТЫ

Теплоту растворения безводного сульфата меди CuS0 4 и кристаллогидрата CuS0 4 ×5H 2 0 необходимо определить, используя лабораторный калориметр и методику проведения работы 1.

Для более точного определения теплоты гидратации необходимо получить навески по 10-15 г кристаллогидрата и безводной соли сульфата меди. Необходимо знать, что безводная соль меди легко поглощает воду из воздуха и переходит в гидратированное состояние, поэтому безводную соль необходимо взвешивать непосредственно перед опытом. По полученным данным необходимо рассчитать теплоты растворения безводной соли и кристаллогидрата, а затем из соотношения (3) определить теплоту гидратации. Рассчитайте относительную ошибку опыта в процентах, используя полученные данные и данные табл.2.

Растворы - это однофазные системы переменного состава, состоящие из нескольких компонентов, один из которых является растворителем, а другие - растворенными веществами. То, что растворы однофазные системы, роднит их с химическими соединениями, а то, что они являются системами переменного состава, сближает их с механическими смесями. Поэтому и считают, что растворы имеют двойственную природу: с одной стороны, они сходны с химическими соединениями, а с другой - с механическими смесями.

Растворение - это физико-химический процесс. При физическом явлении разрушается кристаллическая решетка и происходит диффузия молекул растворенного вещества. При химическом явлении в процессе растворения молекулы растворенного вещества реагируют с молекулами растворителя.

Процесс растворения сопровождается выделением или поглощением теплоты. Эту теплоту, отнесенную к одному молю вещества, называют тепловым эффектом растворения, Qp.

• Общий тепловой эффект растворения зависит от тепловых эффектов:
• а) разрушения кристаллической решетки (процесс всегда идет с затратой энергии - Q 1 );
• б) диффузии растворенного вещества в растворителе (затрата энергии - Q 2 );
• в) гидратации (выделение теплоты, +Q 3 , так как гидраты образуются за счет возникновения непрочной химической связи, что всегда сопровождается выделением энергии).

Общий тепловой эффект растворения Qp будет равен сумме названных тепловых эффектов: Qp = (-Q 1 ) + (- Q 2 ) + (+Q 3 ); если Q 1 > Q 3 > то растворение идет с поглощением теплоты, то есть процесс эндотермический, если Q 1 < Q 3 , то растворение идет с выделением теплоты, то есть процесс экзотермический. Например, растворение NaCl, KN0 3 , NH 4 CNS идет с поглощением теплоты, растворение NaOH, H 2 S0 4 - с выделением теплоты.

Задача. Почему при растворении в воде хлорида натрия температура раствора понижается, а при растворении серной кислоты - повышается?

Ответ. При растворении хлорида натрия идет разрушение кристаллической решетки, что сопровождается затратой энергии. На процесс диффузии затрачивается незначительное количество энергии. Гидратация ионов всегда сопровождается выделением энергии. Следовательно, если в процессе растворения понижается температура, то энергия, необходимая для разрушения кристаллической решетки, оказывается большей, чем энергия, выделяющаяся при гидратации, и в целом раствор охлаждается.

Тепловой эффект растворения серной кислоты состоит, главным образом, из теплоты гидратации ионов, поэтому раствор разогревается.

Растворимость вещества - это его способность распределяться в среде растворителя. Растворимость (или коэффициент растворимости) определяется максимальным количеством граммов вещества, которое может раствориться в 100 граммах растворителя при данной температуре.

Растворимость большинства твердых веществ увеличивается с нагреванием. Есть исключения, то есть такие вещества, растворимость которых с увеличением температуры мало меняется (NaCl) или даже падает (Са(ОН) 2 ).

Растворимость газов в воде падает с нагреванием и увеличивается с повышением давления.

Растворимость веществ связана с природой растворенного вещества. Полярные и ионные соединения, как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях, а неполярные соединения - в неполярных растворителях. Так, хлороводород и аммиак хорошо растворяются в воде, тогда как водород, хлор, азот растворяются в воде значительно хуже.

Жидкие растворы

(на примере водных растворов)

Растворимость – это свойство вещества равномерно распределяться в растворителе. Растворимость зависит от природы вещества, температуры и давления.

При растворении вещества возникает равновесие:

растворённое вещество (фаза) раствор

При равновесии изменение энергии Гиббса системы равно нулю (∆G=0). Раствор, в котором устанавливается равновесие между процессами растворения и образования вещества (осаждением, кристаллизацией, выделением), называется насыщенным.

В пересыщенных растворах содержание растворённого вещества больше, чем в насыщенном. Это неустойчивые растворы.

Ненасыщенным раствором называется раствор, в котором при данной температуре и давлении возможно дальнейшее растворение веществ.

Растворимость разных веществ в том или ином растворителе зависит от температуры: она может возрастать, уменьшаться или оставаться постоянной. Растворимость газов в жидкости зависит от природы газа, растворителя, температуры. Она прямо пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью раствора.

Движущими силами образования растворов являются энтропийный и энтальпийный факторы. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается (ΔS<0), а при растворении кристаллов возрастает (ΔS>0). Чем сильнее взаимодействие растворенного вещества и растворителя, тем больше роль энтальпийного фактора в образовании растворов.

Изменение энтальпии при растворении определяется:

· процессом разрушения связей в растворённом веществе, требующим затраты энергии (эндотермический процесс ∆ Н 1 >0);

· процессом образования соединения между молекулами (ионами) растворённого вещества и растворителя, сопровождающимся выделением энергии (экзотермический процесс ∆Н 2 <0).

Таким образом, теплота растворения включает в себя два слагаемых:

DН раств. = (DН 1) + (DН 2), где

DН 1 – теплота разрушения, DН 2 – теплота взаимодействия.

Если DН 1 > DН 2 , то DН раств. > 0, т.е. при растворениинаблюдается эндотермический тепловой эффект (раствор охлаждается).

Например: при растворении NH 4 NO 3 в воде раствор охлаждается.

Если DН 1 < DН 2 , то DН раств. < 0, т.е. при растворении наблюдается экзотермический тепловой эффект (раствор нагревается).

Например: при растворении H 2 SO 4 в воде раствор сильно нагревается.

При растворении происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с растворителем. Образующиеся при этом соединения называются сольватами, а в случае водных растворов – гидратами. Процесс образования сольватов и гидратов называют сольватацией и гидратацией. Взаимодействие происходит за счёт сил Ван-дер-Ваальса (сил межмолекулярных взаимодействий), поэтому сольваты (гидраты) – соединения менее прочные, чем обычные химические соединения.

Однако в большинстве соединений при выделении растворённоговещества из раствора в твёрдую фазу в состав кристаллов переходят и молекулы воды. Эту воду называют кристаллизационной водой, а сами соединения – кристаллогидратами. В связи с этим следует различать безводные кристаллические вещества и кристаллогидраты.

Например: Na 2 SO 4 – безводный,

Na 2 SO 4 ∙7H 2 O- семиводный кристаллогидрат сульфата натрия.

Для термохимических расчетов необходимо, чтобы все тепловые эффекты были отнесены к реагентам и продуктам в стандартном состоянии. Стандартное состояние вещества - это наиболее термодинамически устойчивая форма при давлении 1 атм, температуре 298,15 К.

Стандартная теплота образования DH° f - тепловой эффект образования 1 моля любого вещества из простых веществ при стандартных условиях.

В связи с этим, теплоты образования простых веществ равны нулю, поскольку они отвечают реакциям

Однако, теплоты реакций

не равны нулю, так как являются теплотами процессов: агрегатного превращения (а), полиморфного превращения (б), диссоциации (в).

Стандартной теплотой образования иона в водном растворе называется теплота образования одного моля гидратированного иона в растворе с молярной концентрацией иона, равной единице, из простых веществ при стандартных условиях. При этом теплота образования иона водорода условно принята равной нулю.

С (графит) + 3/2О 2 (газ) + аq + 2е → СО 3 2- ·аq, ΔН f (CO 3 2- aq)

Стандартная теплота сгорания DН° сгор . - это теплота сгорания 1 моля органического соединения при стандартных условиях до СO 2 , Н 2 O, SO 2 , N 2 . Если продукты сгорания, кроме СO 2 и Н 2 O, есть и другие, это оговаривается в каждой реакции особо. Пример:

Теплоты сгорания водорода и углерода совпадают с теплотами образования Н 2 О и СО 2 , так как это тепловые эффекты реакций

Стандартная теплота фазовых превращений - это теплота превращения 1 моля вещества при температуре перехода при Р = 1 атм. Сюда относятся теплоты плавления, испарения, возгонки (сублимации), полиморфных превращений.

Интегральной теплотой растворения DН m называют тепловой эффект растворения с образованием раствора определенной концентрации при расчете на 1 моль растворенного вещества.

Теплота растворения газов обычно близка к теплоте их конденсации, а твердых веществ с атомной или молекулярной кристаллической решеткой - к теплоте плавления.

Более сложные процессы происходят при растворении электролитов. Теплоты растворения электролитов являются алгебраической суммой двух основных тепловых эффектов: поглощения теплоты при разрушении кристаллической решетки с удалением образовавшихся ионов на расстояния, отвечающие объему раствора, и выделения теплоты при сольватации (гидратации) каждого иона молекулами растворителя. Оба эффекта достигают сотен килоджоулей на моль. Алгебраическая сумма их - наблюдаемая теплота растворения - имеет порядок единиц и десятков килоджоулей. Знак суммарного эффекта зависит от того, какое из слагаемых больше по абсолютной величине.

Теплота гидратообразования - это теплота, выделяющаяся при присоединении к одному молю безводной соли кристаллизационной воды. Ее определяют из интегральных теплот растворения безводной соли и кристаллогидрата в таких количествах воды, чтобы полученный раствор имел бы одинаковую концентрацию. Например, получить водный раствор MgCl 2 можно двумя путями:

1 - растворением безводной соли MgCl 2

2 - растворением в воде кристаллогидрата MgCl 2 6H 2 0, предварительно полученного из MgCl 2 и воды.

Из данной схемы по закону Гесса можно получить теплоту гидратообразования:

DН гидр = DH m (MgCl 2) - DH m (MgCl 2 . 6H 2 0)

Теплота нейтрализации . Опыт показывает, что в случае разбавленных растворов теплота реакции нейтрализации молярной массы эквивалента сильной кислоты (НС1, H 2 S0 4 и др.) сильным основанием (NaOH, КОН) не зависит от природы кислоты или основания. Это объясняется тем, что протекает только одна химическая реакция

DH нейтр. = -55,9 кДж/моль

Принейтрализации разбавленного раствора слабойкислоты или основания наблюдаемая теплота нейтрализации может быть меньше или больше за счет теплоты диссоциации. Теплота диссоциации складывается из теплоты, поглощаемой при распаде молекулы на ионы и теплоты гидратации (сольватации) ионов молекулами растворителя и потому может быть как положительной, так и отрицательной. Таким образом, теплота нейтрализации слабых кислот и оснований равна

DН нейтр. = - 55,9 + DН дисс.

Закон Гесса

Г.И. Гесс в 1836 г. еще до того, как было сформулировано l начало термодинамики (1842), экспериментально открыл основной закон термохимии:

«Тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.»

При этом процесс должен протекать термодинамически необратимо, а получаемые продукты иметь ту же температуру, что и исходные вещества.

В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом и ужином, как так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.

Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется ЗАТРАТИТЬ ЭНЕРГИЮ. Когда химическая связь образуется, энергия ВЫДЕЛЯЕТСЯ. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.

Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии БОЛЬШЕ, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH 4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты. Реакция даже может идти со взрывом - так много энергии заключено в этом превращении. Такие реакции называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ от латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).

В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H 2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании

Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется ТЕПЛОВЫМ ЭФФЕКТОМ РЕАКЦИИ. Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений: 2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 О(ж) кДж или H 2 (г) + 1/2 O 2 (г) = H 2 О(ж) кДж

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы. Самая мощная в мире российская ракета "Энергия" перед стартом на космодроме Байконур. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде. Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя? Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу. В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплоты сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях называется термохимией Существует два закона термохимии: 1. Закон Лавуазье-Лапласа (тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.) 2. Закон Г.И. Гесса (тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Таким образом, растворение-это физико - химический процесс. Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением (+Q) или поглощением (-Q) теплоты в зависимости от природы веществ. Сам процесс растворения обусловлен взаимодействием частиц растворимого вещества и растворителя.

Опытным путем установить растворение каких веществ в воде сопровождается выделением теплоты (+Q), а каких поглощением (- Q). Материалы: ацетон, сахароза, хлорид натрия, карбонат натрия (безводный и (или) кристаллогидрат), гидрокарбонат натрия, лимонная кислота, глицерин, вода, снег. Оборудование: электронный медицинский термометр или датчик температуры из наборов цифровых датчиков школьных кабинетов химии, физики или биологии.

6 Сахароза Хлорид натрия Карбонат натрия(безводный) Гидрокарбонат натрия Лимонная кислота Глицерин Снег

Работа с одноклассниками Тест 1.При стандартных условиях теплота образования равна 0 для: а) водорода б)воды в)пероксида водорода г) алюминия. 2.Реакция, уравнение которой N2+O2=2NO-Q относится к реакциям: а)эндотермического соединения б)экзотермического соединения в)эндотермического разложения г)экзотермического разложения.

3.Эндотермической является реакция: а) горения водорода б)разложения воды в) горения углерода г)горения метана. 4.Какое определение неверно для данной реакции: 2 NaNO3 (тв.)=2 NaNO2(тв.)+ O2(г.)- Q а)гомогенная б)эндотермическая в)реакция соединения г)окислительно-восстановительная. 5.Основным законом термохимии является закон: а)Гей-Люссака б) Гесса в)Авогадро г)Пруста