3. Termochemická měření 3.a. Stanovení neutralizačního a zřeďovacího tepla $ ]Při neutralizaci silných kyselin silnými zásadami ve vodném prostředí dochází k reakci zcela disociovaných iontů: (3.1.) Neutralizační teplo je rovno součtu tepla reakčního a zřeďovacího: . Pro standardní podmínky (25-oC, 1 Atm) je tabelovaná hodnota . Při neutralizaci slabých kyselin, resp. slabých zásad se spotřebuje určité množství energie na disociaci vedoucí k uvolnění iontů [H^+] a [OH^-] . Proto je výsledný pozorovaný tepelný efekt (změna entalpie) tj. neutralizační teplo ovlivněno teplem disociačním slabé kyseliny či zásady . (3.2.) Celkové množství uvolněného tepla Q v kalorimetru zjistíme ze vzestupu teploty v kalorimetru podle vztahu: (3.3.) kde DT je vzestup teploty při neutralizaci, C je tzv. tepelná kapacita kalorimetru (udává množství tepla potřebného k zahřátí kalorimetrické soustavy o 1^oC ). Kapacitu kalorimetru stanovíme tak, že změříme vzestup teploty DT' v kalorimetru po dodání tepla Q[E] vzniklého průchodem proudu I topným el. odporem ponořeným v náplní kalorimetru. (3.4.) E je napětí na svorkách odporového topení a t je doba průchodu proudu I. ? ]Úkol: Stanovte neutralizační a zřeďovací teplo silné (HCl) a slabé kyseliny (kys. octové) při reakci se silnou zásadou (NaOH). Určete reakční teplo při neutralizaci silné kyseliny silnou zásadou. Odhadněte disociační teplo slabé kyseliny. " ]Potřeby a chemikálie : Dewarova nádoba, teplotní čidlo s měřičem teploty a obslužným PC, rotační el. míchadýlko, odporové topné tělísko ve skleněném pouzdře, vyfukovací pipeta, ampérmetr do 2 A, voltmetr do 12 V, reostat, spínač. Pipeta (10 cm^3), byreta (50 cm^3), titrační baňka (500 cm^3), 2M HCl, 2M CH3COOH, fenolftalein a faktorizovaný 0,1M NaOH. 2 ]Postup: Sestavu k měření připravujeme dle Obr. 5. Jako nádoba kalorimetru je použita Dewarova nádoba o obsahu asi 500 cm^3, kterou budeme při práci plnit roztokem nebo vodou dle toho, jaký tepelný efekt budeme sledovat. Do nádoby budeme též umísťovat vyfukovací pipetu s kyselinou. G ]Sestavení aparatury: Dewardovu nádobu naplníme reakčním roztokem nebo vodou (začínáme 0,1M roztokem NaOH v množství nutném k neutralizaci HCl dle níže uvedeného neutralizačního stanovení). Mimo nádobu zasuneme do zátky z pěnového polyuretanu vyfukovací pipetu s reakčním roztokem (začínáme s 2M HCl). Zátku s pipetou opatrně vložíme do naplněné Dewardovy nádoby, přičemž správné umístění kontrolujeme neobsazenými otvory v zátce. Do zbývajících otvorů vložíme postupně další součásti sestavy v následujícím pořadí: teplotní čidlo, topné tělísko ve skleněném obalu a nakonec umístíme do středu zátky el. míchadýlko. Míchadýlko spojíme s jeho el. zdrojem a krátkým sepnutím ověříme jeho funkci. Topné tělísko zapojíme do obvodu dle Obr. 5. se zdrojem stejnosměrného napětí 12 V a ověříme si jeho funkčnost a vhodné nastavení reostatu tak, že na co nejkratší nezbytně nutnou dobu zapneme spínačem okruh topného tělíska a vyregulujeme intenzitu procházejícího proudu přesně na 0,5 A . Seznámíme se s převodem dat teplotního čidla přes měřič teploty do připojeného PC. Zkontrolujeme propojení teplotního čidla s měřičem teploty a obslužným PC. Zapneme PC a měřič teploty. 1. Stanovení množství hydroxidu nutného k neutralizaci. Poněvadž ve vyfukovací pipetě, kterou používáme při stanovení neutralizačního tepla, zůstane vždy po vyfouknutí určité množství roztoku, naplníme ji několika cm^3 kyseliny a vyfoukneme ji do výlevky. Potom do vyfukovací pipety (není kalibrovaná) napipetujeme 10 cm^3 2M kyseliny, vyfoukneme ji do titrační baňky a ztitrujeme 0,1M NaOH na fenolftalein. Spotřeba hydroxidu je okolo 200 cm^3 , přesný objem určíme z nejméně dvou titrací. Obr. 5: Sestava jednoduchého kalorimetru. P - vyfukovací pipeta, T – teplotní čidlo, M - míchadýlko, H - topení, V - voltmetr A - ampermetr, R - reostat, B - zdroj stejnosměrného napětí, MT - měřič teploty. 2. Stanovení neutralizačního tepla a konstanty kalorimetru. Zjištěným ekvivalentním množstvím 0,1M NaOH dle neutralizace na fenolftalein naplníme Dewardovu nádobu kalorimetru. Do vyfukovací pipety dáme 10 cm^3 2M kyseliny Kalorimetr sestavíme dle výše uvedeného návodu k sestavení aparatury. Zapneme míchadýlko. Spustíme program odečtu okamžité teploty se záznamem měřených dat na disk obslužného PC. Necháme kalorimetrickou sestavu teplotně relaxovat po dobu 5-7 min. Vyfoukneme obsah pipety do náplně kalorimetru. Po 4 min. teplotní relaxace zapneme topení a přesně na 1 sec si zaznamenáme z displeje PC čas zapnutí. Po vzestupu teploty o cca 0,7-oC zahřívání vypneme a opět zapíšeme přesný čas z PC. Sestavu ponecháme dále relaxovat ještě 10 minut a pak měření ukončíme. Získáme tak záznam závislosti podobný jako na Obr. 6. Po ukončení měření vyprázdníme a vypláchneme kalorimetr. Obr. 6: Závislost teploty na čase při neutralizaci silné kyseliny silným hydroxidem včetně dalšího průběhu při stanovení tepelné kapacity kalorimetru. 3. Stanovení zřeďovacího tepla DH[zřed] včetně konstanty kalorimetru. Do kalorimetru odměříme tolik cm^3 vody, kolik jsme použili v předešlém stanovení 0,1M NaOH. Do vyfukovací pipety dáme opět 10 cm^3 2M HCl. Po sestavení kalorimetru postupujeme stejně jako v předcházejícím bodě 2. 4. Stanovení neutralizačního a rozpouštěcího tepla slabé kyseliny. Postupujeme zcela stejným způsobem, jako při práci se silnou kyselinou, včetně stanovení tepelné kapacity kalorimetru. : ]Způsob vyhodnocení výsledků: Vybrané lineární části vytištěného závislosti T = f(t) proložíme na papíře pomocnými přímkami dle Obr. 6 a provedeme co nejpřesněji odečet DT a pro jednotlivé experimenty. Je-li k dispozici vhodný SW provedeme konstrukci a vyhodnocení v PC. ? ]protokol: pro silnou i slabou kyselinu: Grafy 1-4: závislosti změn teploty na čase pro měření neutralizačních a zřeďovacích tepel. Dále: ekvivalentní objemy NaOH, látková množství neutralizovaných kyselin, tepelné kapacity kalorimetru z jednotlivých měření, tepelné efekty při neutralizaci a při zřeďování, molární neutralizační a zřeďovací tepla kyselin.