ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫПРИ РАСТВОРЕНИИ

ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ

13х741 MgOLiKI

План работы1.Изучение теоретического материала о термодинамике процессов растворения веществ в воде. 2. Подготовка материалов и оборудования для эксперимента. 3. Исследование теплового эффекта процессов:

а) растворения предложенных веществ в воде, б) смешивания снега с поваренной солью.

4. Конструирование бытовых устройств, работающих с использованием теплового эффекта процесса растворения веществ в воде. 5.Подготовка презентации и тестового задания для учащихся.6.Знакомство учащихся с результатами исследования, тестирование, проверка и оценка выполнения теста.

Методика эксперимента: a)Взвешивается необходимая масса

(отмеряется объем) вещества и воды.b)Измеряется температура воды.c)Вещество растворяется, раствор перемешивается, измеряется его температура (в момент стабилизации).

Оборудование: Стаканы стеклянные на 50 мл – 4 Стаканы из полистирола на 150 мл − 3 Стаканчик алюминиевый на 50-100 мл Стакан стеклянный на 250 мл Весы электронные (точность 0,01 г) Измерительный цилиндр на 25 и 10 мл Шпатели – 2 Стеклянные палочки - 2 Электронный медицинский термометр Цифровой термометр Картонная коробка ~ 15 х 15 х 15 см Фольгированный пенофол

Реактивы: Ацетон Сахароза Хлорид натрия Карбонат натрия (безв) Гидрокарбонат натрия Лимонная кислота Глицерин Вода, снег Молоко Нитрат аммония

теплоты, затраченной на разрушение кристаллической решетки (Qреш< 0) теплоты гидратации (Qгидр> 0), выделяющейся при взаимодействии молекул воды с молекулами или ионами растворяемого вещества.

Если на разрушение решетки энергии затрачивается меньше, чем выделяется при гидратации, растворение такого вещества будет экзотермическим процессом, идущим с выделением теплоты (и наоборот). Эта энергия передается раствору и вызывает изменение его температуры.

Теплота растворения вещества складывается из:

В зависимости от соотношения значений Qреш и Qгидр теплота растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ Первоначально для исследования ∆t° был взят электронный

медицинский термометр. Но значения измерений при этом находились в пределах

+32 ÷ +42°С. Поэтому растворение всех веществ проводили в предварительно нагретой до °С воде в стеклянных стаканчиках.

Результаты исследования:

Такие результаты вряд ли можно считать достоверными, потому что происходит потеря тепла в результате остывания раствора, и это дает значительную погрешность.

V (H2O) в этом опыте составлял 20 мл, массы растворенных веществ соответственно:

раствор 1 –1 г, раствор 2 – 2 г

вещество t 1 °C H 2 O t 1 °C р-ра t 2 °C H 2 O t 2 °C р-ра Δt 1 Δt 2 Δt ср

Ацетон 34,6 35,2 34,6 35,6 0,6 1,0 0,8Сахароза 42,4 35 42,4 34,2 -7,4 -8,2 -7,8Хлорид натрия 39,8 34,6 39,8 33,8 -5,2 -6,0 -5,6Карбонат натрия (безв) 38,0 36,5 38,0 35,9 -1,5 -2,1 -1,8Гидрокарбонат натрия 40,4 33,4 40,4 32,6 -7,0 -7,8 -7,4Лимонная кислота 43,0 34,9 40,2 34,6 -8,1 -5,6 -6,9Глицерин 38,1 35,1 37,8 34,9 -3,0 -2,9 -3,0

Для повышения точности эксперимента использовали цифровой термометр (предел измерений −50 ÷ +70°С) при комнатной температуре ~ 20°С. Измерения проводились в стаканах из полистирола, характеризующегося очень малой теплоемкостью, что позволило обойтись без калориметра.

Концентрация подбиралась так, чтобы раствор был близким к насыщенному (табл. 1).

Вещество Р-ть, г /100 г Н2О

Ацетон ∞

Сахароза 179 (0°С)

Хлорид натрия 35,9 (20°С)

Карбонат натрия (безв) 21,8 (20°С)

Гидрокарбонат натрия 9,6 (20°С)

Лимонная кислота 133 (25°С)

Глицерин ∞

Результаты исследования:

Ацетон

Сахароза

Хлорид натр

ия

Карбонат н

атрия

(безв

)

Гидрока

рбонат н

атрия

Лимонная

кисл

ота

Глицерин

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

16.1 16.414.5 14.0 14.3 14.4 14.0

17.816.4

14.115.9

13.2 13.5 15.2

t°C H2Ot°C р-ра

t°C

вещества

С3Н6

ОС12

Н22

О11

NaClNa2C

O3

NaHCO3

C6H8

O7·H2

O

C3Н8

О3

Δt + 1,7 0,0 − 0,4 + 1,9 − 1,1 − 0,9 + 1,2

V(Н2О) = 20 мл.m = 2 г

2. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ

ПРИ СМЕШИВАНИИ СНЕГА С ПОВАРЕННОЙ СОЛЬЮ

Результаты:

m снега, г 5,0 5,0 5,0 5,0m(NaCl), г 1,0 2,0 4,0 6,0∆t, °C -0,1 -5,1 -6,7 -7,2

m(NaCl), г

1 2 4 6

-8-7-6-5-4-3-2-10

Зависимость t от массы соли

РАСЧЕТЫ:

Сравним результаты нашего эксперимента со справочными данными.Энтальпия при образовании водного раствора Nа2CO3 из 1 моль

вещества в твердом состоянии и 20 моль воды составляет -33,2 кДж/моль.Это же соотношение дают 5,3 г Nа2CO3 и 18 г воды. При их

смешивании температура раствора увеличивается на 3,5С.Рассчитаем количество теплоты q, выделившейся при

растворении:q=cm(t2 – t1), где с– удельная теплоёмкость раствора, t1 -начальная

температура , t2 - конечная температура раствора, m – масса раствораПри расчете пренебрегали удельной теплоемкостью сосуда, а

удельную теплоемкость раствора приняли за удельную теплоемкость воды 4,2 кДж/г·К.

q = 4,2·23,3(19,4 – 15,9) = 342,51 кДжВычислим энтальпию растворения: ∆H=-q·ν.

∆H = -342,51·0,05 = -17,13 кДж/мольПогрешность эксперимента:Абсолютная: -33,2 –(-17,13) = -16,07 кДж/мольОтносительная: 16,07 33,2 = 0,484 или 48,4%

Тепловые эффекты при растворении используют на практике для создания портативных охлаждающих / нагревающих систем.

Обычно это пакеты из водонепроницаемого и химически стойкого материала с веществом или смесью, с заметным тепловым эффектом растворения. К их содержимому добавляют воду и перемешивают.

Такой пакет служит в качестве медицинской грелки или пузыря со льдом при оказании первой медицинской помощи в экстренных условиях.

Мы изготовили работающий на этом принципе «химический холодильник»:

картонная коробка термоизолируется фольгированным пенофолом, внутрь один в один помещаются стаканы на 250 и 50 мл, в зазор между ними – кристаллический нитрат аммония, в маленький стакан – около 20 мл. молока.

в зазор между стаканами добавляется вода, коробка закрывается –холодильник начинает работать. Температура молока опустилась с 16,1 до 4,9 °С

и продержалась ниже начальной в течение 3 часов.

Подобрать безопасное для пищевых продуктов вещество в качестве эффективной «химической духовки» пока не получилось.

№ Формулировка задания Балл

1

При растворении твердых веществ в воде энергия: а) всегда выделяется; б) всегда поглощается; в) может поглощаться или выделяться; г) не выделяется и не

поглощается.

2

2

Укажите НЕВЕРНОЕ утверждение: При образовании водного раствора вещества а) может выделяться либо поглощаться теплота; б) всегда образуются водородные связи между молекулами вещества и воды; в) его частицы распределяются среди молекул воды; г) его диссоциация может отсутствовать .

4

3

Положительный тепловой эффект при растворении вещества в воде свидетельствует о: а) его хорошей растворимости; б) ионном характере связей в нем; в) превышении энергии гидратации над энергией связей между его структурными единицами; г) его агрегатном состоянии.

6

4 Энергия, как правило, всегда выделяется при растворении в воде веществ: а) твердых; б) газообразных; в) кристаллогидратов.

8

5

Тепловой эффект растворения нитрата аммония химическим количеством 1 моль в воде равен -26,4 кДж. Укажите количество теплоты (кДж), поглотившееся при растворении в воде данной соли, если при этом образовался раствор, содержащий в сумме 1,505 ·1023 ионов NH4+ и NO3−.

10

Тестовые задания

Задания составлены на основе материалов ЦТ 2005 – 2006 г (белорусский аналог российского ЕГЭ)

Ответы учащихся

Задание №1

Задание №2

Задание №3

Задание №4

Задание №5

1 2 4 6 8 2 22 73,32 2 2 6 8 0 18 603 2 2 6 8 4 22 73,34 2 4 6 8 3 23 76,75 2 4 6 8 0 20 66,76 2 4 6 8 1 21 707 2 4 6 8 3 23 76,78 2 4 6 8 4 24 809 2 2 6 8 1 19 63,3

№ п/п

Количество набранных баллов Итого баллов

(А)

% выполнения (А/В)*100%

Общий процент выполнения тестовых заданий учащимися71,1

(общее количество баллов В равно 30 или 30*9)

Тестирование проводилось на факультативном занятии в 10 «Д» классе, т.к. там по программе изучается этот материал.

Однако мы проведем этот тест и в своем классе при повторении.

В подготовке к ЦТ он будет очень полезен.

Учащимся вопросы понравились, они определили их как средней сложности.

Учитель отметил хороший подбор заданий, но счел завышенной цену №4.