Номер 1, страница 127 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 18. Определение тепловых эффектов химических реакций. Закон Гесса - номер 1, страница 127.

Условие.

1. Опишите ход виртуального калориметрического эксперимента по определению энтальпии растворения нитрата аммония в воде. Подчеркните принципиальные особенности устройства калориметра.

Решение.

Решение 2.

Ход виртуального калориметрического эксперимента по определению энтальпии растворения нитрата аммония в воде

Цель эксперимента — определить молярную энтальпию растворения нитрата аммония ($NH_4NO_3$) в воде, то есть тепловой эффект, сопровождающий растворение одного моля соли при постоянном давлении.

Порядок выполнения:

1. Подготовка оборудования и реактивов. С помощью электронных весов отмеряют точную массу (навеску) кристаллического нитрата аммония, $m_{соли}$. С помощью мерного цилиндра отмеряют заданный объём дистиллированной воды, $V_{воды}$, и рассчитывают её массу $m_{воды}$ (при плотности $\rho_{воды} \approx 1$ г/мл, масса в граммах численно равна объёму в миллилитрах).

2. Сборка установки и измерение начальной температуры. Отмеренную воду помещают во внутренний стакан калориметра. Калориметр закрывают крышкой, в которую вставлены термометр и мешалка. Через несколько минут, когда установится тепловое равновесие, записывают начальную температуру системы $T_{1}$.

3. Проведение процесса растворения. В воду в калориметре быстро высыпают навеску нитрата аммония, немедленно закрывают крышку и начинают перемешивать содержимое с помощью мешалки для равномерного распределения вещества и тепла по всему объёму.

4. Измерение конечной температуры. Непрерывно следят за показаниями термометра. Растворение нитрата аммония — эндотермический процесс, поэтому температура будет понижаться. Фиксируют минимальное установившееся значение температуры. Это и будет конечная температура равновесной системы $T_{2}$.

5. Обработка результатов (расчёты).

   • Находят изменение температуры: $\Delta T = T_{2} - T_{1}$.

   • Рассчитывают количество теплоты, которое поглотила калориметрическая система (раствор и сам калориметр). Уравнение теплового баланса:

     $Q_{сист} = Q_{раствора} + Q_{кал}$

     $Q_{сист} = c_{раствора} \cdot m_{раствора} \cdot \Delta T + C_{кал} \cdot \Delta T = (c_{раствора} \cdot (m_{воды} + m_{соли}) + C_{кал}) \cdot \Delta T$

     где $c_{раствора}$ — удельная теплоёмкость раствора (в виртуальном эксперименте её часто принимают равной удельной теплоёмкости воды, $c_{воды} \approx 4,18$ Дж/(г·К)), $m_{раствора}$ — масса раствора, $C_{кал}$ — теплоёмкость калориметра (постоянная калориметра), которая обычно либо задана, либо определяется в предварительном опыте.

   • Тепловой эффект процесса растворения ($Q_{раст}$) равен по модулю и противоположен по знаку количеству теплоты, поглощённому калориметрической системой: $Q_{раст} = -Q_{сист}$. Так как процесс эндотермический, $\Delta T < 0$, то $Q_{сист} < 0$, а $Q_{раст} > 0$.

   • Вычисляют количество вещества растворенного нитрата аммония (в молях):

     $n(NH_4NO_3) = \frac{m_{соли}}{M(NH_4NO_3)}$

     где $M(NH_4NO_3) \approx 80,04$ г/моль — молярная масса нитрата аммония.

   • Рассчитывают молярную энтальпию растворения $\Delta H_{раст}$:

     $\Delta H_{раст} = \frac{Q_{раст}}{n(NH_4NO_3)} = - \frac{(c_{раствора} \cdot m_{раствора} + C_{кал}) \cdot \Delta T}{n(NH_4NO_3)}$

     Полученное значение обычно переводят в кДж/моль.

Ответ: Ход виртуального калориметрического эксперимента включает подготовку реактивов, измерение начальной температуры воды в калориметре, проведение процесса растворения нитрата аммония с фиксацией минимальной конечной температуры и последующий расчёт молярной энтальпии растворения на основе измеренного изменения температуры, масс компонентов, их теплоёмкостей и теплоёмкости калориметра.

Принципиальные особенности устройства калориметра

Калориметр — это прибор для измерения тепловых эффектов, и его конструкция направлена на создание адиабатической (теплоизолированной) системы. Ключевые особенности:

• Теплоизолирующий кожух. Основа конструкции — это два сосуда, вставленные один в другой.

  • Двойные стенки: Между внутренним реакционным сосудом и внешним кожухом имеется воздушная прослойка или вакуум (как в сосуде Дьюара), что резко снижает теплообмен с окружающей средой за счёт теплопроводности и конвекции.
  • Отражающие поверхности: Внутренняя поверхность внешнего сосуда и внешняя поверхность внутреннего сосуда часто делаются зеркальными (посеребрёнными), чтобы минимизировать передачу тепла излучением.
  • Изоляционные материалы: Для изготовления сосудов и крышки используются материалы с низкой теплопроводностью (стекло, пластик, пенопласт).

• Крышка. Калориметр снабжён плотно прилегающей крышкой из теплоизоляционного материала для предотвращения теплообмена через открытую поверхность жидкости (за счёт конвекции и испарения).

• Вспомогательные устройства. В крышке имеются отверстия для размещения:

  • Термометра (или цифрового датчика) для точного измерения изменения температуры — ключевого параметра в калориметрии.
  • Мешалки (механической или магнитной) для перемешивания раствора. Это необходимо для обеспечения равномерной температуры во всём объёме и ускорения процесса растворения.

Все эти элементы конструкции служат одной цели — максимально изолировать систему, в которой протекает процесс, от внешней среды, чтобы всё выделившееся или поглощённое тепло пошло только на изменение температуры содержимого калориметра, что и позволяет его измерить.

Ответ: К принципиальным особенностям устройства калориметра относятся: наличие теплоизолирующего кожуха (двойные стенки с воздушной/вакуумной прослойкой), плотно прилегающая крышка из изолирующего материала, а также наличие термометра для измерения температуры и мешалки для её выравнивания в системе.