13x741

13х741
MgOLiKI
ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
ПРИ РАСТВОРЕНИИ
ВЕЩЕСТВ
В ВОДЕ
План работы
1. 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
Теплота растворения вещества складывается из:
 теплоты, затраченной на разрушение кристаллической
решетки (Qреш< 0)
 теплоты гидратации (Qгидр> 0), выделяющейся при
взаимодействии молекул воды с молекулами или ионами
растворяемого вещества.
В зависимости от соотношения
значений Qреш и Qгидр
теплота
растворения может иметь как
положительное,
так
и
отрицательное значение.
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.
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.
V (H2O) в этом опыте составлял 20 мл,
массы растворенных веществ соответственно:
раствор 1 –1 г, раствор 2 – 2 г
Результаты исследования:
вещество
t 1 °C H 2 O t 1 °C р-ра t 2 °C H 2 O t 2 °C р-ра
Ацетон
34,6
35,2
34,6
35,6
Сахароза
42,4
35
42,4
34,2
Хлорид натрия
39,8
34,6
39,8
33,8
Карбонат
натрия (безв)
38,0
36,5
38,0
35,9
Гидрокарбонат
натрия
40,4
33,4
40,4
32,6
Лимонная
кислота
43,0
34,9
40,2
34,6
Глицерин
38,1
35,1
37,8
34,9
Δt 1 Δt 2 Δt ср
0,6 1,0 0,8
-7,4 -8,2 -7,8
-5,2 -6,0 -5,6
-1,5 -2,1 -1,8
-7,0 -7,8 -7,4
-8,1 -5,6 -6,9
-3,0 -2,9 -3,0
Такие результаты вряд ли можно считать
достоверными, потому что происходит потеря
тепла в результате остывания раствора, и это
дает значительную погрешность.
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
Ацетон
Сахароза
Р-ть,
г /100 г Н2О
∞
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
∞
t°C
Результаты исследования:
20.0
17.8
16.4
18.0
15.9
13.5 15.2
13.2
14.1
16.0
14.0 16.1
16.4
12.0
14.0
14.4
14.5
14.3
14.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
t°C H2O
t°C р-ра
C3Н8О3
C6H8O7·H2O
NaHCO3
Na2CO3
NaCl
С12Н22О11
С3Н6О
вещества
V(Н2О) = 20 мл.
m=2г
Δt + 1,7 0,0 − 0,4 + 1,9 − 1,1 − 0,9 + 1,2
2. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ
ПРИ СМЕШИВАНИИ СНЕГА С ПОВАРЕННОЙ СОЛЬЮ
Результаты:
m снега, г
m(NaCl), г
∆t, °C
5,0
1,0
-0,1
5,0
2,0
-5,1
5,0
4,0
-6,7
5,0
6,0
-7,2
Зависимость t от массы соли
0
-1 m(NaCl),
г
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
1
2
4
6
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 3,5С.
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 раствора
При 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 кДж
Вычислим энтальпию растворения: ∆H=-q·ν.
∆H = -342,51·0,05 = -17,13 кДж/моль
Погрешность эксперимента:
Абсолютная: -33,2 –(-17,13) = -16,07 кДж/моль
Относительная: 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
Тестовые задания
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−.
Задания составлены на основе материалов ЦТ 2005 – 2006 г
(белорусский аналог российского ЕГЭ)
10
Ответы учащихся
Количество набранных баллов
Итого
%
№
Задание Задание Задание Задание Задание баллов выполнения
п/п
№1
№2
№3
№4
№5
(А)
(А/В)*100%
1
2
4
6
8
2
22
73,3
2
2
2
6
8
0
18
60
3
2
2
6
8
4
22
73,3
4
2
4
6
8
3
23
76,7
5
2
4
6
8
0
20
66,7
6
2
4
6
8
1
21
70
7
2
4
6
8
3
23
76,7
8
2
4
6
8
4
24
80
9
2
2
6
8
1
19
63,3
Общий процент выполнения тестовых заданий учащимися
71,1
(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.