shkolakz.ru 1 2 3
Лабораториялық жұмыс №1 Тұз ерітіндідегі интегралды жылуды


анықтау.

Лабораториялық жұмыс №2 Тұздың гидратация кезендегі жылуды

анықтау.

Лабораториялық жұмыс №3 Тұздың бейтараптану кезендегі

жылуды анықтау.


1 Теориялық кіріспе


    1. Химиялық термодинамика

Кез келген химиялық, сонымен қатар физикалық (еру, балқу, булану т.б.) процестері энергияны бөле немесе сіңіре жүреді. Көбінесе жылу түрінде жүреді. Физика-химиялық процестерде жүретін бөліп шығаратын немесе сіңіретін жылудың мөлшерін реакцияның жылу эффектісі деп аталады (тұрақты температурада)

Физика-химиялық реакцияның жылу эффектісін зерттейтін сала термохимия деп аталады.

Термохимиялық өзі әр түрлі процестердің энергетикалық өзгерулерін зерттейтін теориялық химияның басты саласы – термодинамикаға кіреді. Химиялық термодинамика химиялық энергияның басқа энергияға ауысуын зерттейді.

Термодинамиканың бірінші бастамасына орай жылу Q, ішкі энергияның өзгерістері жүреді және жұмыстың орындалуы А күшке қарсы орындалады.


Q=ΔU+A

ΔU=U2 – U1


Мұндағы U2 – U1, бастапқы және соңғы күйдегі ішкі энергия.

А – сыртқы қысымға қарсы жұмыс


А=P*ΔV


Ішкі энергияның (химиялық) жылу немесе басқа түрлерге ауысуы, міндетті түрде жылудың сақтаулы және термодинамикалық бірінші бастамасымен сәйкес жүреді.

Көптеген химиялық процестер тұрақты көлемде немесе тұрақты қысымда жүреді.

Тұрақты көлемде жүретін процестерді изохоралық деп атайды.

Тұрақты қысымда жүретін процестерді изобаралық деп атайды. Бұл процестердің жылу эффектісін қарастыру.

Изохоралық процесс: системаның көлемі өзгермейді V – тұрақты, ΔV=0. Жылу түгелімен ішкі энергия арқылы өрнектеледі.


QV=ΔU

Химиялық реакцияға жылу эффектісі, тұрақты көлемде жүретін ішкі энергияның өзгерісіне тең.



QV=ΔU


Изобаралық процесте жүйедегі қысым өзгермейді Р – тұрақты


A = p*ΔV; ΔV = V2– V1; Qp = ΔU+p*ΔV

Белгіні енгіземіз

U + p * V = A; Q = H2 – H1 және Q p = Δ H


Н шамасы энтальпия деп аталады. Энтальпия, ішкі энергия сияқты заттың (немесе жүйенің) энергетикалық күйін сипаттайды, бірақ ішкі қысымды жеңуге жұмсалған, яғыни жұмыс көлемін ұлғайтып энергияны қоса алады. Демек, тұрақты қысым кезінде өтетін, реакцияның жылулық эффектісі энтальпияның өзгеруіне тең келеді.

Термодинамикада жылулық эффектісінің келесі белгілері қабылданған.

Экзотермиялық процесте жылулықтың бөлінуі жүреді, демек, жүйедегі ішкі энергия немесе энтальпия үдейе түседі.

Изохоралық процесте:


экзотермиялық реакция үшін Q = - Δ U


эндотермиялық реакция үшін Q = + Δ U


Изобаралық процесте:


экзотермиялық реакция үшін QV = - Δ H


эндотермиялық реакция үшін QV = + Δ H


Өйткені көп жағдайда химиялық процестер тұрақты қысым кезінде жүреді, онда біз келешекте тек изобаралық жылулығының эффектілерін қарастырамыз.

Жылулық эффектілерінің мәні калориялық немесе джоульдармен көрсетіледі. СИ жүйесінде жылулық өлшемі үшін негізгі бірлік болып жұмыс бірлігі – джоуль белгіленді. Калория, жүйеден тыс бірлік ретінде сақталады. Бір калорил 4,1840 джоульге тең болады.


    1. Термохимиялық теңдеулер

Жүйенің жылулықтарының өзгерістері көрсетілетін, химиялық реакцияға арналған жылулық құбылыстарды оқу кезінде термохимиялық теңдеулерді пайдалану қабылданды. Мысалы


CaCO3 = CaO(TB) + CO2 – 157,3 Дж


ΔH°=+157,3 кДж

Бұл реакция эндотермиялық болып табылады.


Экзотермиялық реакция мысалы


NaOH(pacm)+HCl(pacm)= NaCl(pacm)+ H2O(ж)+57,3 кДж


ΔH°=-157,3 кДж


Әр түрлі процестердің жылулық эффектілерін салыстыру мүмкіндігі болу үшін, стандарттыққа қабылданған, әдетте термодинамикалық есептеулердің қосындылары және шарттарының бір мольге қатысты болуы керек. Стандарттыққа 1 атом қысымды және 25°С (298,15 °К). Стандартты жылулық эффектілері ΔH° белгісімен белгілеу қабылданды. Термохимиялық тендеулерде әсерін тигізетін заттардың түрөзгеріс және фазалық күйі көрсетіледі.


    1. Түзілу жылулығы

Түзілу жылулығы – ол жай заттардан күрделі заттардың бір мольінің түзілу реакциясының жылулық эффектісі (немесе энтальпияның өзгерісі) болып табылады. Түзілу жылулығы, стандартты жағдаймен анықталған, стандартты түзілу жылулығы деп аталады және ΔH°обр белгісімен белгіленеді. Мысалы, су түзілген кезде жай заттан


Н2(Г) + 1/2О2(Г) = Н2О(Ж) + 285,8 кДж


теңдеуі бойынша түзіледі


ΔH°обр Н2О = + 285,8 кДж


285,8 кДж бөлініп шығады.

Бұл судың стандартты түзілу жылулығы болып табылады.


ΔH°обр Н2О(ж) = - 285,8 кДж


Әр түрлі заттардың стандартты түзілу жылулығы анықтамаларда көрсетілген және стандартты жағдайларда кез келген химиялық реакцияның жылулығын есептеуге мүмкіндік береді.

Стандартты жағдайларда тұрақты болатын, жай заттардың түзілу жылулығы (графит, йод, күкірт, сутек және басқа) нөлге тең деп қабылданады.


    1. Гесс заңы

Барлық термодинамикалық есептеулер сүенетін, басты принцип 1840 жылы бекітілді. Бұл принцип, Гесс заңы атымен белгілі болған және химиялық процесстерге термодинамика бастапқы бірінші қосымшасы болып табылатын, былай тұжырымдалды:

- химиялық реакцияның жылулық эффектісі оны өткізу тәсіліне байланысты болмайды, ол тек заттың бастапқы және соңғы күйіне байланысты болады.


Гесс заңынан шығатыны, егерде химиялық процесс бірнеше кезеңде жүрсе, онда процесстің жалпы жылулық эффектілерінің қосындысына тең болады. Мысалы, фосфор мен хлордан бесхлорлы РСl5 фосфор алуға болады, оны келесі әрекеттесетінің қорытындысында аламыз.

Бірінші тәсіл (бір кезеңде)


Р(TB) +5/2Cl2(Г) – 106,0 ккал, (1)


ΔH°1 =106,0.


Екінші тәсіл (аралық арқылы)


Р(TB) +3/2 Cl2(Г) = РCl3(ж) –76,4 ккал, (2)


ΔH°2 =76,4 ккал.


РCl3(ж) + Cl2(Г) = РCl5(ТВ) – 29,6, (3)


ΔH°3 =29,6 ккал.


Гесс заңына сәйкес, (2) және (3) реакциялардың жылулық эффектілерінің қосындысы (1) реакцияның жылулық эффектісіне тең болуы керек, шындығына алатын орны


ΔН1= ΔН2+ΔH3


106,3=76,4+29,6


Гесс заңынан бірқатар тәжірибелік салдар шығады.


  1. Реакцияның жылулық эффектісі бастапқы заттың жану жылулығының қосынды арасындағы айырмаға тең болады. (стехиометриялық коэффициенттерді есепке ала отырып).

  2. Реакцияның жылулық эффектісі реакция өнімдерінің түзілу жылулығының қосындысы мен бастапқы заттың түзілу жылулығының қосындылары арасындағы айырмаға тең болады. Бұны келесі мысалмен суреттеуге болады: термохимиялық теңдеу жазылады және этилен мен су буының этил спиртінің түзілуі мен әрекеттесу реакциясының жылулық эффектісін есептеледі.

а). Берілген реакцияның теңдеуін жазамыз.


C2Н4(г)+Н2О= C2Н5ОН(г)


б). Барлық қатысқан заттардың түзілуінің стандарттардың түзілуінің стандартты жылулығының анықтамадан тауып аламыз.


ΔH°обр С2Н5ОН(г) = - 235,31

ΔH° обр Н2О(г) = -241,83


ΔH°обр С2Н4(г) =+52,28


в). Гесс заңының салдарын қолданамыз


ΔH х.р. = ΔH°обр С2Н5ОН – (ΔH°обр С4Н4+ ΔH° обр Н2О) = - 235,31 (52,28-241,83) =-45,76


ΔH х.р. =-45,76


Бұл белгіленген реакцияның жылулық эффектісі болып табылады.

г). Берілген реакцияның термохимиялық теңдеуін жазамыз.


C2Н4 + Н2О = C2Н2ОН + 45,7 кДж,


Бұл реакция экзотермиялық реакция, яғыни жылу бөлінуі арқылы жүреді.

Гесс заңының басты тәжірибелік мәні бар. Гесс заңының көмегімен жылулық эффектілерін нақты өлшеу мүмкін емес немесе қиындық туғызатын процесстердің жылулық эффектілерінің шамасын есептеуге болады.


    1. Еріті жылулығы

Заттарды еріту еріту жылулықты бөлу арқылы, жұтумен қоса жүреді. Ерітіндіні физикалық және химиялық құбылыстардың қатынасы ретіндегі осы кезде үш негізгі процесстерді бөле отырып, қарастыруға болады.

  • газ, сұйық, қатты денелерде еритін химиялық және молекула аралық байланыстардың бұзылуы (оның ішінде кристалдар байланысты) болып табылды. Бұл процесс энергияны жұмсау арқылы жүреді, бұл кезде жүйе энтальпиясы артады ΔH1>0. Осындағы және ары қарайғы жағдай изобаралық – изотермиялық болады.

  • Сольваттар (немесе гидраттар) деп аталатан, жаңа қосылыстардың түзілуімен байланысқан, ерітіндінің ерутіші затпен химиялық әрекеттесуі болады. Бұл процесс энергияның бөлінуімен және бұл кезде жүйе энтальпиясының кемуімен қоса жүреді ΔH2>0.

  • Ерітіндінің өздігінен араласуы немесе ерітіндідегі сольваттың (гидраттың) диффузиясы.

Бұл процесс энергияның жұмсалуымен жүреді, ол кезде жүйе энтальпиясы артады ΔH3>0. ΔH= ΔH1+ ΔH2+ ΔH3 ерітінді процессінің түзілу жылулығының эффектісінің қосындысы дұрыс және дұрыс емес болуы мүмкін. Бұл заң тек изохорлық және изобарлық процесстер үшін әділ болып табылатынын айта кету керек.


Мысалдар:

Зат ΔHеріт. кДж

CaCl -74,94

KCl 18,67

Н2SO4 -73,41


Ерітіндінің жылулық еффектісі тек қана ерітілген заттың табиғатына байланысты емес, бірақ сонымен қатар алынған ерінді мөлшеріне және бастапқы ерітінді концентрациясына да байланысты болады.

Ерітудің интегралды жылулығы – ол анықталған концентрация ерітіндісінің түзілуімен, берілген ерітіндіде бір грамм (меншікті) заттың немесе бір грамм мольдің (мольдік) ерітінді процесінің жылулық эффектісі болып табылады.

Ерітудің диффекциалды – заттың еру кезінде оның концентрациясының өзгеруін нольге тең деп есептеуге болатын, мынадай көп мөлшердегі ерітіндіде 1 г немесе 2 моль затты ерітудің жылулық эффектісі болып табылады.

Интегралды жылулық тәжірибелі түрде анықталды, ол дифференциалдық интегралдық жылулық ерітіндісінің еріту концентрациясына байланысы бойынша есептеп шығарылады.


    1. Гидратация жылулығы

Гидратация жылулығы деп қатты сусыз тұздан және сәйкес келетін су мөлшерінен кристалигидраттың 1 мольінің түзілу процесінің жылулық эффектісі аталады. Жылулық эффектісін алу үшін, процесс жылдам және соңына дейін жүру керек. Гидрация процессі бұл шартқа жауап бермейді, сондықтан кристалигидраттардың түзілу жылулығының тура дәл өлшемін жүргізу мүмкін емес. Дегенмен, Гесс заңын қолдана отырып, кристалигидрат пен сусыз тұздың еру жылулығын өлшей отырып, гидрация жылулығын есептеуге болады.

Кристалигидраттың түзілу жылулығы және күкіртті қышқыл мыстың түзілу жылулығының гидраттары мысалында ерітінділер жылулығының арасындағы байланысты көрсетеміз.

Кристалдық сусыз тұздың 1 молінің – басты күйі


СиSO4(TB) және «п» Н2О

Соңғы күйі: СиSO4 ерітіндісінің 1 молінің «п» мольдегі судағы күйі. Бастапқы күйден соңғы күге өтуді екі жолмен іске асыруға болады:


1 жолы – СиSO4 көп мөлшердегі суда еріту


СиSO4(TB) + п* Н2О= СиSO4(раствор)+ΔH1.


2 жолы – екі тізбектелген процесстен тұрады:

- кристалгидраттың түзілуі және көп мөлшердегі суда еруі:


СиSO4(TB) + 5Н2О= СиSO4*5Н2О(TB)+ ΔHгидр


СиSO4*5Н2О(TB)+(п-5) Н2О= СиSO4(раствор)+ΔH2.


Гесс заңы бойынша ΔH= ΔHгидр+ΔH2,

қайдан

ΔHгидр= ΔH1 - ΔH2,


Сөйтіп, гидрация жылулығы сусыз тұз және кристалиградтың еру жылулығының арасындағы


1.7 Бетараптау жылулығы

Қышқылдар мен сілтілердің әрекеттестігі кезінде бейтараптау жылулығы бөлінеді. Бейтараптау кезінде 1 г – экв. қышқылдың 1 г – экв. қоспаның бөлінетін, бейтараптау жылулығы мөлшеріне тең. Күшті ерітпелер мен күшті қоспалардың ерітінділері қосылған жағдайда бейтараптау жылулығы оның табиғатына қарамастан, 18° - 13,7 ккал/г экв. Кезіндебірдей болады. Бұл сұйылтылған сулы ерітінділерде күшті электролиттердің толық диссоциациялануы басқа жолдармен анықталғанын дәлелдейді.

Мысалы, НСl мен NaOH арасындағы реакция келесідей көрсетілуі мүмкін:


НСl + NaOH =NaСl + H2O,


H ++ Сl -+ Na + + OH -= Na ++ Сl -+ H2O,


H ++ OH -= H2O,

ΔHнейтр.= - 13,7 ккал/г-экв немесе -57,3 кДж/г-экв.



Көрсетілгендей, үнемі бір жылулық эффектісімен қоса жүретін, йондық – сутек және гидроксил молекуланың түзілуіне алып барады. Әйтпесе, егерде сыңарының біреуі әлсіз электролит болса, онда бейтараптану процессі өтеді. Бұл жағдайда бейтараптану әлсіз электолиттің өзінің жылулық эффектісімен ΔHдисс (1 мольге) диссоциалануыменбір уақытта қоса жүреді.

Бұл екі процессте де – бейтараптану және диссоциалану – қысқаша түрде былай жазуға болады (НА - әлсіз қышқыл)


НА = Н+ + А- + ΔHдисс,


Н+ + ОН- = Н2О - ΔHнейтр.,


НА + ОН- = Н2О + А- + ΔHдисс + ΔHнейтр..


Жылулық диссоциациясы ΔHдисс табиғаттың әлсіз қышқылына байланысты және оң немесе теріс шама болуы мүмкін. Осыған байланысты шама (ΔHдисс+ ΔHнейтр), шарт түрінде жылу нейтрализациясына қабылданған әлсіз қышқыл күшті негізімен, болуы мүмкін немесе кіші – 13,7 ккал/г – экв.


2. Әдістеме калориметриясының жылу эффектісі анықтамасы


    1. Жабдықтар мен құралдар.

Жылу эффектісінің физика-химиялық процесстерді анықтау үшін әдейі құрал қолданылады – калориметр. Қарапайым калориметр калориметриялық ыдыстан және жылу шығармайтын күйден тұрады.

Калориметриялық ыдыс материалдан, шыныдан немесе жылу өткізгіштігі аз материалдан жасалған стақаннан тұрады. Көлемі үлкен басқа ыдыс арқылы пайда болатын ауаның кеңістігі, жылу өткізбеушілік жүйесі үшін қолданылады. Калориметрдің қақпағында Бекман термометрі үшін саңылау бар, зерттеу заттар енгізіледі.

Бекман термометрінің жай лабораториялық термодинамикадан айырмашылығы, оның жоғарғы жағында қосымша сынапқа арналған бір қосымша резервуары болады, ол төменгі жақтағы сынаптың мөлшерін өзгертіп тұрады, жұмысқа берілген интервал температурасы осылайша термометрде қолданылады. Термометр шкаласы 50С – 60С бөлінген, ал әрбір градус ондаған және жүздеген бөлшектерге лупалар арқылы жуық шамада жүздеген бөлшектер градусын өлшеуге болады. Бекман термометрі арқылы тек қана температураның әртүрлігін өлшеуге болады. Әрбір әдіс алдында негізгі термометр конструкциясы әдейі қалпына келтіру қажет еді.



    1. Калориметриялық әдістің орындалуы.

Барлық калориметриялық әдісті төрт периодқа бөледі:

а) Бастапқы период АВ (5 мин 10 өлшем);

б) Негізгі период ВD – бұл процесс түзудің еруі;

в) Соңғы период DC (5 мин 10 өлшем).

Бастапқы период: калориметрді жинап, оның ішіндегі суды араластырады, сондағы температуранының өзгеруін байқайды. Сыртқы ортамен жылу алмасуының ретінде температура өзгеруі бірдей болса, онда температураның өзгеруі біркелкі болса, бастапқы период аяқталды деп есептеуге болады. Одан кейін үзбей араластыра отырып, уақытты секундометрмен өлшеп, ал температураны термометрмен өлшеу арқылы калориметрге тұз еңгізеді, осыдан негізгі негізгі период басталады.

Негізгі период: негізгінің аяғы және қорытындының басы температураның өзгеруі біркелкі деуге болады.

Соңғы период: 5 минут аралығында біркелкі температураның жүруімен анықталады.

Температураның уақытқа байланысты өзгеруінің графигін эксперименттік белгілер арқылы құрылады: t°-τ . Жуықша графигі келесі суретте көрсетілген.



АВ – бастапқы период;

ДЕ – соңғы период;

ВД – негізгі период.

Д және В нүктесінен уақыт өсіне перпендикуляр түседі. ВД екіге қақ бөлінеді. Осылардын ортасынан ДЕ және АВ қиылысқан жеріне дейін перпендикуляр өткізеді. Содан алынған кескін іздеген Δt шамасы болып табылады.


    1. Калориметриялық жүйенің жылу өткізгіштігі

Калориметрдегі тәжірибе жылу эффекті процессі мынадай теңдеумен өрнектеледі: ΔH*Δt, ΔH – калориметрдегі өтетін жылулық эффект процессі, Δt – тәжірибедегі температураның өзгеруі К – калориметр тұрақтысы.

Физикалық ғылым бойынша К – калориметрдің барлық бөлігін қыздыру үшін кететін жылу мөлшері және жылу алынуына қатысады KΣmісі, mіжылу алмасуда қатысатын әрбір бөлшектердің массасы сіолардың жылу сиымдылығы.


Калориметрдегі тұрақтылық К мына формуламен есептеледі: KΣmісі және осы жолмен калориметриялық процестерді өлшеуге болады, ал жылулық эффект белгілі. Мысалы: кейбір еріген тұздардың жылуы белгілі болады (KCl,KNO3). Сонда К=ΔH/Δt*g/M, ΔH – тұздардың еру жылуы, Δt – тұздар ерітіндідегі температураның өзгеруі, g – тұздың өлшемі, М – тұздардың молекулярлық салмағы.



следующая страница >>