Εξώθερμη αντίδραση

ΕΚΦΕ Β’ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΑΤΤΙΚΗΣΕπιμέλεια: Φρίντα Εγγλεζάκη (Χημικός )- Θύμιος Παπαευσταθίου (Χημικός) Γιώργος Κατσιγιάννης (Χημικός - Υπεύθυνος ΕΚΦΕ)

ΣΤΟΧΟΙ

Στο τέλος της εργαστηριακής άσκησης οι μαθητές θα πρέπει να μπορούν:

Να κατανοούν ότι η θερμότητα που “παράγεται” σε μια εξώθερμη αντίδραση,

απελευθερώνεται στο περιβάλλον (διάλυμα).

Να υπολογίζουν την ενθαλπία μιας αντίδρασης, υπολογίζοντας τη θερμότητα που

εκλύεται ή απορροφάται σε μια θερμοχημική αντίδραση, με βάση το νόμο της

Θερμιδομετρίας.

Να επιβεβαιώνουν το εξώθερμο της ενθαλπίας εξουδετέρωσης.

Να επιβεβαιώνουν και να ερμηνεύουν το γεγονός ότι η πρότυπη ενθαλπία

εξουδετέρωσης (ΔΗ0n) μεταξύ ισχυρών ηλεκτρολυτών είναι μεγαλύτερη από την

πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης (ΔΗ0n) στην οποία μετέχει ασθενής ηλεκτρολύτης.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ

Ενθαλπία αντίδρασης ορίζεται η μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων (ΔΗ = Η προϊόντων – Η αντιδρώντων) σε ορισμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.

Η ενθαλπία αντίδρασης ονομάζεται πρότυπη (ΔΗ0) όταν τα σώματα που μετέχουν στην αντίδραση βρίσκονται σε πρότυπη κατάσταση, (θερμοκρασία 25 οC και πίεση 1atm) και για τα διαλύματα η συγκέντρωση c=1M.

Ο υπολογισμός της θερμότητας που ελευθερώνεται ή απορροφάται σε μια χημική αντίδραση γίνεται με βάση το βασικό νόμο της θερμιδομετρίας q=mcΔT όπου m η μάζα της ουσίας σε γραμμάρια (g), c η ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας σε J/g.grad ή cal/g.grad και ΔΤ η μεταβολή της θερμοκρασίας σε Κ ή οC.

Αν το θερμιδόμετρο έχει θερμοχωρητικότητα C (δηλαδή δεν είναι μονωμένο) τότε η παραπάνω σχέση γίνεται:

q=(mc + C)ΔT όπου C η θερμοχωρητικότητά του. Ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας είναι η θερμότητα που απαιτείται για να

αυξηθεί η θερμοκρασία 1g της ουσίας κατά 1 οC. Ο νόμος του Ηess αποτελεί έναν από τους βασικούς νόμους της θερμοχημείας

σύμφωνα με τον οποίο, η μεταβολή της ενθαλπίας μιας αντίδρασης είναι η ίδια, είτε η αντίδραση πραγματοποιείται σε ένα στάδιο, είτε σε περισσότερα στάδια.

___________________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής ΑττικήςΣτην εργαστηριακή άσκηση που ακολουθεί θα μετρηθούν και θα συγκριθούν μεταξύ τους οι θερμότητες τεσσάρων εξώθερμων αντιδράσεων:

2

Θερμότητα Διάλυσης

NaOH (s) → Na+(aq) + OH-(aq) + q ΔΗsol = (kJ/mol)

Εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση

ΝαΟΗ(s) + HCl(aq) → Na+(aq) + OH-(aq) + H2O + q ΔΗ1n = (kJ/mol)

NaOH(aq ) + HCl(aq) → Na+(aq) + OH-(aq) + H2O + q ΔΗ2n = (kJ/mol)

Εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ασθενή βάση

NH3(aq)+HCl(aq) →NH4+(aq) + OH-(aq)+ H2O + q ΔH3n = (kJ/mol)

ΠαρατηρήσειςΗ εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιείται σε θερμιδόμετρο. Αν όμως δεν υπάρχει θερμιδόμετρο, μπορεί να κατασκευαστεί η παρακάτω απλή διάταξη: Τοποθετούμε ένα ποτήρι από αφρώδες πλαστικό μέσα σε ένα ποτήρι ζέσεως (για καλύτερη στήριξη). Καλύπτουμε το ποτήρι με καπάκι από χαρτόνι ή αφρώδες πλαστικό, από το οποίο περνάμε

ένα θερμόμετρο καθώς και μια ράβδο ανάδευσης. Η θερμοχωρητικότητα του πλαστικού ποτηριού και του θερμομέτρου θεωρούνται αμελητέες. Επειδή τα διαλύματα είναι αραιά, θεωρούμε ότι η πυκνότητές τους είναι ρ =1 g/mL. H ειδική θερμοχωρητικότητα των αραιών υδατικών διαλυμάτων είναι c = 1

cal /g .grad όπου grad ισοδυναμεί με οC ή Κ. 1kcal = 4,18kJ. Για την ακρίβεια της μεθόδου τα χρησιμοποιούμενα σκεύη όπως το θερμόμετρο και η

γυάλινη ράβδος ανάδευσης πρέπει κάθε φορά να ξεπλένονται με απιονισμένο νερό και να σκουπίζονται πριν την επόμενη χρήση.

Η αντίδραση εξουδετέρωσης είναι:H+ (aq)+ OH -(aq) → H2O(l) ΔΗοn

όπου η πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση θεωρείται σταθερή και ίση με ΔΗοn = -57,1kJ/mol ενώ κατά την εξουδετέρωση ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ ή αντίστροφα, μέρος της εκλυόμενης ενέργειας δαπανάται για τον ιοντισμό του ασθενούς ηλεκτρολύτη και άρα ΔΗοn < -57,1 kJ.

ΟΡΓΑΝΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑΠοτήρια από αφρώδες πλαστικό (4) Στερεό NaOHΠοτήρια ζέσεως (4) των 250mL Διάλυμα NaOH 0,5ΜΟγκομετρικοί κύλινδροι 100mL (3) Διάλυμα HCl 0.5MΘερμόμετρο με υποδιαιρέσεις 0,1 οC (0-100 οC) Διάλυμα αμμωνίας NH3 0.5MΖυγός ακρίβειας δύο δεκαδικών Απιονισμένο νερόΓυάλινη ράβδος ανάδευσηςΑπορροφητικό χαρτίΎαλος ωρολογίου, σπάτουλα

___________________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

Προετοιμασία του Θερμιδόμετρου

3

Για να φτιάξουμε το θερμιδόμετρο τοποθετούμε ένα ή δύο ποτήρια από αφρώδες πλαστικό μέσα σε ένα ποτήρι ζέσεως. Καλύπτουμε τα ποτήρια με καπάκι από αφρώδες πλαστικό, μέσα από το οποίο περνάμε ένα θερμόμετρο.

__________________________________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

Υπολογισμός της Ενθαλπίας Διάλυσης του στερεού NaOHNaOH (s) → Na+(aq) + OH-(aq) ΔΗοsol = (kcal/mol) ή (kJ/mol)

4

Φύλλο εργασίας 1 Ονοματεπώνυμο: ..............................................Τμήμα: ................. Ημερομηνία: ....................

Πειραματική διαδικασία Με τη βοήθεια ογκομετρικού κυλίνδρου ρίχνουμε 100 mL απιονισμένο νερό στο

πλαστικό ποτήρι. Με τη βοήθεια θερμομέτρου μετράμε τη θερμοκρασία (Τ1) του νερού και την

καταγράφουμε στον πίνακα 1. Στην ύαλο ωρολογίου ζυγίζουμε 2 γραμμάρια στερεό υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) και

τα ρίχνουμε στο ποτήρι με το νερό, αναδεύοντας ήπια με τη γυάλινη ράβδο, μέχρι να διαλυθούν πλήρως.

Όταν η θερμοκρασία (Τ2) του διαλύματος σταθεροποιηθεί, καταγράφουμε την τιμή της στον πίνακα 1.

Τέλος συμπληρώνουμε τον παρακάτω Πίνακα 1 και απαντάμε τις ερωτήσεις που ακολουθούν.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1Αρχική θερμοκρασία νερού Τ1 = ………… οC

Τελική θερμοκρασία (H2O+NaOH) Τ2 = ........…… οC

Μεταβολή θερμοκρασίας ΔΤ = Τ2 – Τ1 = ………… οC

Μάζα 100mL νερού m = ……….. g

Θερμότητα διάλυσης 2g ΝaOH q = mcΔΤ = ………….... kcal

moles ΝaOH (Mr = 40 ) n = m/Mr =

Πρότυπη ενθαλπία διάλυσης ΝaOH (kcal/mol )* ΔΗοsol = q/n=…….kcal/mol

Πρότυπη ενθαλπία διάλυσης ΝaOH (kJ/mol )* ΔΗοsol = q/n =…….kJ/mol

* Η αναφερόμενη ως πρότυπη ενθαλπία προϋποθέτει οτι οι συνθήκες του πειράματος είναι 25οC και 1at.

ΕρωτήσειςΑν διπλασιάσουμε τη μάζα του στερεού NaOH που διαλύουμε στο νερό: Πόση θα είναι η θερμότητα (q) που απελευθερώνεται; ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Ποιά θα είναι η τιμή της ενθαλπίας;……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

5

Υπολογισμός της Ενθαλπίας Εξουδετέρωσης διαλύματος HCl με στερεό NaOHΝαΟΗ(s) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O + Na+(aq) + Cl-(aq)

ΔΗο1n =(kcal/mol) ή (kJ/mol)

Φύλλο εργασίας 2 Ονοματεπώνυμο: ..............................................Τμήμα: ................. Ημερομηνία: ....................

Πειραματική διαδικασία Με τη βοήθεια ογκομετρικού κυλίνδρου παίρνουμε 100mL υδροχλωρικό οξύ (HCl

0.5M) και στη συνέχεια τα μεταφέρουμε στο πλαστικό ποτήρι. Μετράμε τη θερμοκρασία (T1) του διαλύματος με το θερμόμετρο και την καταγράφουμε

στον Πίνακα 2. Ζυγίζουμε 2 γραμμάρια στερεό υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) και τα ρίχνουμε στο

ποτήρι με το διάλυμα του υδροχλωρικού οξέος (HCl), αναδεύοντας ήπια με τη γυάλινη ράβδο, μέχρι να διαλυθούν τελείως.

Μετράμε τη μέγιστη θερμοκρασία (Τ2) του τελικού διαλύματος και την καταγράφουμε στον Πίνακα 2.

Τέλος συμπληρώνουμε τον παρακάτω Πίνακα 2.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2Αρχική θερμοκρασία διαλύματος HCl Τ1 = ………… οC

Τελική θερμοκρασία διαλύματος Τ2 = ………… οC

Μεταβολή θερμοκρασίας ΔΤ = Τ2 – Τ1 = ………… οC

Μάζα 100mL διαλύματος HCl m = ………….. g

Θερμότητα χημικής αντίδρασης q = mcΔΤ = ………. kcal

moles ΝaOH (Mr = 40 ) n = m/Mr =

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ΝaOH (kcal/mol)* ΔΗο1n = q/n =…..… kcal/mol

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ΝaOH (kJ/mol)* ΔΗο1n = q/n =…..… kJ/mol

* Η αναφερόμενη ως πρότυπη ενθαλπία προϋποθέτει οτι οι συνθήκες του πειράματος είναι 25οC και 1at.

________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

6

Υπολογισμός της Eνθαλπίας Eξουδετέρωσης διαλύματος HCl με διάλυμα NaOHNa+(aq)+OH-(aq) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O + Na+(aq) + Cl-(aq)

ΔΗο2n = (kcal/mol) ή (kJ/mol)

Φύλλο εργασίας 3 Ονοματεπώνυμο: ..............................................Τμήμα: ................. Ημερομηνία: ....................

Πειραματική διαδικασία Με τη βοήθεια ογκομετρικού κυλίνδρου ρίχνουμε 100 mL υδροχλωρικό οξύ (HCl 0.5M)

σε ένα πλαστικό ποτήρι. Βυθίζουμε το θερμόμετρο στο διάλυμα και περιμένουμε μέχρι να σταθεροποιηθεί η

θερμοκρασία (T1) την οποία καταγράφουμε στον Πίνακα 3. Επαναλαμβάνουμε τη διαδικασία με το διάλυμα του καυστικού νατρίου (NaOH 0.5M)

περιμένοντας μερικά λεπτά μέχρι να αποκτήσει και αυτό τη θερμοκρασία (T1). Στη συνέχεια ρίχνουμε το διάλυμα του NaOH στο ποτήρι με το HCl και αναδεύουμε το

διάλυμα ήπια με τη ράβδο ανάδευσης. Αφού σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία, μετράμε τη νέα θερμοκρασία (T2) του τελικού

διαλύματος και την καταγράφουμε στον Πίνακα 3. Τέλος συμπληρώνουμε τον παρακάτω Πίνακα 3.

ΠΙΝΑΚΑΣ 3Θερμοκρασία HCl(aq)= Θερμοκρασία ΝaOH(aq) T1 = ………οC

Τελική θερμοκρασία διαλύματος T2 = ……… οC

Μεταβολή θερμοκρασίας ΔΤ = T2 – T1 = ...…… οC

Όγκος διαλύματος V = …….. mL

Ολική μάζα διαλύματος m = …….. g

Θερμότητα χημικής αντίδρασης q = mcΔΤ = …….... kcal

moles ΝaOH = moles HCl n =cV=...….moles (c=συγκέντρωση)

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης (kcal/mol) * ΔΗο2n =q/n=……… kcal/mol

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ( kJ/mol) * ΔΗο2n=q/n=……… kJ/mol

* Η αναφερόμενη ως πρότυπη ενθαλπία προϋποθέτει οτι οι συνθήκες του πειράματος είναι 25οC και 1at.

Ερωτήσεις Ακολουθούν οι τιμές των μεταβολών ενθαλπίας το νόμο του Hess; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Η χημική αντίδραση της εξουδετέρωσης είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη; ……………………. Na γράψετε τη θεωρητική τιμή της πρότυπης ενθαλπίας εξουδετέρωσης και να την

συγκρίνετε με την πειραματική.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

7

Υπολογισμός της Eνθαλπίας Eξουδετέρωσης διαλύματος NH3 με διάλυμα HClNH4

+(aq) + ΟΗ - (aq) + H+(aq)+ Cl -(aq) → NH4+(aq) + Cl-(aq) + H2O

ΔHo3n = ( ….. kcal/mol) ή (…… kJ/mol)

Φύλλο εργασίας 4 Ονοματεπώνυμο: ..............................................Τμήμα: ................. Ημερομηνία: ....................

Πειραματική διαδικασία Με τη βοήθεια ογκομετρικού κυλίνδρου ρίχνουμε 100 mL από το υδροχλωρικό οξύ

(HCl 0.5M) σε ένα πλαστικό ποτήρι. Βυθίζουμε το θερμόμετρο στο διάλυμα και περιμένουμε μερικά λεπτά μέχρι να

σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία (T1) και την οποία καταγράφουμε στον Πίνακα 4. Γεμίζουμε με 100mL διαλύματος αμμωνίας (NΗ3 0.5M) τον ογκομετρικό κύλινδρο και

περιμένουμε μερικά λεπτά μέχρι να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία (T1). Στη συνέχεια ρίχνουμε το διάλυμα της NΗ3 στο ποτήρι που περιέχει το διάλυμα του HCl

και αναδεύουμε ήπια με τη ράβδο ανάδευσης. Αφού σταθεροποιηθεί η νέα θερμοκρασία (Τ2) του τελικού διαλύματος την

καταγράφουμε στον Πίνακα 4. Τέλος συμπληρώνουμε τον παρακάτω Πίνακα 4.

ΠΙΝΑΚΑΣ 4Θερμοκρασία HCl(aq)= Θερμοκρασία NΗ3(aq) Τ1 = ………οC

Τελική θερμοκρασία διαλύματος Τ2 = ……… οC

Μεταβολή θερμοκρασίας ΔΤ = Τ2 – Τ1 = ...…… οC

Όγκος διαλύματος V = …….. mL

Ολική μάζα διαλύματος m = …….. g

Θερμότητα χημικής αντίδρασης q = mcΔT = …….... kcal

moles NΗ3 = moles HCl n =cV =…moles (c=συγκέντρωση)

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης (kcal/mol) * ΔΗo3n =q/n=……… kcal/mol

Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης (kJ/mol) * ΔΗo3n =q/n =…………… kJ/mol

* Η αναφερόμενη ως πρότυπη ενθαλπία προϋποθέτει οτι οι συνθήκες του πειράματος είναι 25οC και 1at.

ΕρώτησηNa συγκρίνετε την ενθαλπία εξουδετέρωσης του διαλύματος της αμμωνίας με το διάλυμα του υδροχλωρικού οξέος (φύλλο εργασίας 4), με την ενθαλπία εξουδετέρωσης του διαλύματος του καυστικού νατρίου (φύλλο εργασίας 3) και να αιτιολογήσετε την παρατηρούμενη διαφορά.…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

__________________________________________________________________________________________ΕΚΦΕ Β’ Ανατολικής Αττικής

8

Βιβλιογραφία

Χημεία Β΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Σ. Λιοδάκης ), (Ο.Ε.Δ.Β).

Εργαστηριακός οδηγός Χημείας Β΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης

( Κ.Τσίπης,

Α. Βάρβογλης, Κ. Γιούρη -Τσοχατζή, Δ. Δερπάνης, Π. Παλαμιτζόγλου, Γ.Παπαγεωργίου)

(Ο.Ε.Δ.Β).

Εργαστηριακός Οδηγός Χημείας Β΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Σ. Λιοδάκης, Δ. Γάκης).

Εργαστηριακές Ασκήσεις Χημείας Α΄και Β΄Λυκείου (Α.Σ. Μαυρόπουλος).

Φωτογραφίες (Θ. Παπαευσταθίου)

9