DETERMINAREA CĂLDURII DE REACŢIE

Determinarea caldurii de reactie

Scopul lucrarii

Se determina efectul termic al reactiei de neutralizare a unui acid tare cu o baza tare si efectul termic al unei reactii dintre un acid tare si o baza slaba.

Introducere

Caldura de reactie sau efectul termic reprezinta cantitatea de caldura absorbita sau degajata in timpul unei reactii chimice. Ea depinde numai de starea initiala si de starea finala a sistemului chimic, nu si de drumul parcurs de sistem īn timpul evolutiei sale.

Caldura de reactie se determina īn majoritatea cazurilor īn conditii d 22222j97w e presiune constanta, Q_p, si mai rar īn conditii d 22222j97w e volum constant, Q_v, la o anumita temperatura.

Efectul termic izobar este:

(3.1)

Efectul termic izocor este:

(3.2)

DH si DU reprezinta entalpia de reactie si respectiv energia interna de reactie.

Procesele chimice izobare pot fi:

Exoterme: DH < 0 (sistemul cedeaza caldura mediului ambiant).

Endoterme: DH > 0 (sistemul absoarbe caldura de la mediul ambiant).

Efectele termice sunt denumite īn functie de tipul reactiei pe care īl īnsotesc ca, de exemplu caldura de neutralizare, caldura de hidroliza, caldura de ardere etc.

Caldura de neutralizare este efectul termic care īnsoteste reactia unui acid tare cu o baza tare.

^{, DH = -57.3 kJ/mol H2O (3.3)}

  ^(3.4)

si reducānd termenii asemenea se obtine:

  ^{DH = -57.3 kJ/mol H2O (3.5)}

Deci caldura de neutralizare este cantitatea de caldura degajata la formarea unui mol de apa din ionii sai hidratati. Ea are o valoare independenta de natura acidului tare si a bazei tari care participa la reactie si este egala cu -57.3 kJ/mol H₂O la temperatura de 293 K.

Daca la reactie participa acizi slabi si baze slabe, ca de exemplu:

^(3.6)

  ^(3.7)

efectul termic este mai mic decāt -57.3 kJ/mol H₂O datorita reactiei inverse de hidroliza a sarii formate.

Acizii slabi si bazele slabe sunt disociati īn ioni, īn solutii apoase, īn proportie mica:

  ^(3.8)

^(3.9)

si la echilibru se formeaza doar o fractiune dintr-un mol de apa.

Relatii de calcul

Caldura de reactie se determina experimental prin metoda calorimetrica. Se masoara variatia de temperatura īntre starea finala t_f si starea initiala a mediului īn care se desfasoara reactia:

Dt = t_f - t_i (3.10)

Se calculeaza cantitatea de caldura absorbita de la sistemul de reactie sau cedata sistemului de reactie:

Q = C Dt (3.11)

Capacitatea calorica C se calculeaza cu relatia:

(3.12)

īn care m si c reprezinta masa (g) si caldura specifica (J/g.grd.) a fiecarei componente din sistem.

Deci:  C = C_C + C_R = C_C + m_Rc_R (3.13)

C_C - reprezinta capacitatea calorica a calorimetrului (ce include vasul calorimetrului, agitatorul si termometrul) numita si constanta calorimetrului;

C_R - reprezinta capacitatea calorica a sistemului reactant.

Rezulta:

Q = (C_C + m_Rc_R) Dt (3.14)

Deoarece caldura acceptata sau cedata de mediu este egala cu caldura cedata sau acceptata de sistemul de reactie, caldura de neutralizare a este:

(3.15)

- numarul de moli de apa formati īn reactie.

Pentru reactiile dintre un acid tare si o baza slaba efectul termic este:

(3.16)

unde an reprezinta fractiunea de mol de apa formata īn timpul reactiei.

Observatie: Se neglijeaza efectul de hidroliza a sarii formate.

Aparatura

Calorimetru, agitator, termometru, pahare Berzelius, cilindru gradat.

Substante

Solutii apoase de HCl 1M, NaOH 0.5 M, NH₄OH 0.5M

1. Determinarea constantei calorimetrului

Mod de lucru

Se introduc īn vasul calorimetrului 50 ml apa (m₁) distilata si se masoara temperatura initiala t₁ ( C);

Īntr-un pahar Berzelius se introduc 50 ml apa distilata (m₂) si se īncalzeste pāna la 60 C (t₂) apoi se toarna īn vasul calorimetric;

Se agita si se masoara temperatura din minut īn minut. Cānd temperatura devine constanta se noteaza valoarea ei t_3.

Rezultate

Din datele experimentale obtinute se calculeaza constanta calorimetrului din ecuatia de bilant material:

(3.17)

īn care: m este masa probei (m= V x r); V - volumul; r - densitatea absoluta; -caldura specifica a apei cu valoare medie egala cu 4.18 J/grd.mol.

Rezulta:

C_c=4.18 J/g.grd x 50g x = 209J/grd (3.18)

2. Determinarea caldurii de neutralizare a unui acid tare cu o baza tare

Mod de lucru

Se introduc īn vasul calorimetric, 50 ml solutie NaOH 0.5 M masurati cu cilindrul gradat si se masoara temperatura initiala t₁.

Peste aceasta solutie se adauga 25 ml solutie 1 M HCl la aceeasi temperatura t_i. Se agita si se citeste temperatura finala t_f, atunci cānd aceasta ramāne constanta.

Rezultate si calcule

Se īntocmeste un tabel cu date experimentale si calculate:

Se calculeaza caldura din vasul de reactie cu ajutorul relatiei 3.14, deci:

Q = (C_c + m_acid c_acid + m_baza c_baza) Dt (3.19)

īn care "m" si "c" reprezinta masa, respectiv caldura specifica a solutiilor de acid si de baza.

Observatie: Īn calcule se introduc urmatoarele aproximari:

Solutiile fiind diluate se pot folosi densitatea si caldura specifica a solventului (apa).

Se neglijeaza variatia densitatii si a caldurii specifice īn functie de temperatura īn intervalul Dt, considerānd o valoare medie (; )

Se calculeaza numarul de moli de apa formati īn reactie:

(3.20)

Se calculeaza caldura degajata la neutralizarea, DH_neutralizare, cu relatia 3.15.

3. Determinarea caldurii de neutralizare a unui acid tare cu o baza slaba

Mod de lucru

Se procedeaza la fel ca la reactia dintre HCl si NaOH.

Observatie: Dupa terminarea fiecarei reactii vasele de sticla folosite se vor spala cu apa distilata.

Rezultate si calcule

Se īntocmeste un tabel cu date experimentale si calculate.

Se calculeaza cantitatea de caldura Q.

Se calculeaza efectul termic al reactiei, DH, tinānd seama de faptul ca pentru o astfel de reactie se formeaza doar o fractiune de mol de apa, an.