Інформація для вчителів
Застосування
Дослід показує, як можна експериментально визначити ентальпії реакцій, і закладає основу для розуміння та застосування хімічних перетворень енергії.
За тепловим балансом хімічні реакції поділяють на ендотермічніта екзотермічніреакції. Тоді як в ендотермічних реакціях енергія поглинається, екзотермічні реакції віддають енергію у вигляді теплоти довкіллю. У цьому досліді визначають молярну ентальпію реакціїекзотермічної окисно-відновної реакції: порошок цинку додають до розчину сульфату міді, після чого спостерігають підвищення температури.
Інша інформація для вчителів (1/8)
Додаткова інформація для викладачів (1/8)
Попередні знання
Для досліду учні мають володіти базовими знаннями про окисно-відновні реакції, екзотермічні реакції та калориметрію.
Принцип
У цьому досліді використовують реакцію цинку з іонами міді, щоб дослідити віддану при цьому теплоту реакції. Для цього порошок цинку додають до розчину сульфату міді. Під час реакції теплота віддається довкіллю, що виявляється в підвищенні температури. З виміряної різниці температур можна обчислити віддану кількість теплоти, а потім ентальпію реакції.
Інша інформація для вчителів (2/8)
Додаткова інформація для викладачів (2/8)
Навчальна мета
Учні вчаться експериментально фіксувати й кількісно опрацьовувати віддавання теплоти екзотермічною окисно-відновною реакцією.
Завдання
Учні збирають простий калориметр, у який наливають розчин сульфату міді. Зміну температури після додавання цинку фіксують кількісно.
Інша інформація для вчителів (3/8)
Додаткова інформація для викладачів (3/8)
У цьому досліді треба зібрати простий калориметр, у якому виконують окисно-відновну реакцію іонів міді з цинком. Це екзотермічна реакція, у якій теплота віддається довкіллю.
Калориметр складається з двох вставлених одна в одну мензурок, ізольованих шаром фетру. Калориметр накривають придатною кришкою з пінопласту, у яку можна вставити прилад для вимірювання температури. У калориметр наливають розчин сульфату міді. При постійному перемішуванні після додавання порошку цинку можна спостерігати підвищення температури.
Щоб за результатами вимірювань визначити ентальпію реакції, записують попередній і подальший періоди температури, а потім методом трьох прямих визначають різницю температур.
Інша інформація для вчителів (4/8)
Додаткова інформація для викладачів (4/8)
Екзотермічна окисно-відновна реакція - це хімічна реакція, у якій між двома речовинами переносяться електрони й водночас вивільняється теплова енергія. Через вивільнення теплоти температура системи підвищується, і теплота віддається довкіллю.
У цьому калориметричному досліді реагують цинк та іони міді :
- Цинк віддає електрони (окиснення):
- Іони міді приймають електрони (відновлення):
Спостережуване підвищення температурипрямо пов'язане з ентальпією реакціїі дає змогу її визначити.
Інша інформація для вчителів (5/8)
Додаткова інформація для викладачів (5/8)
Ентальпія реакції описує теплоту, яку хімічна система під час реакції за сталого тиску поглинає або віддає. Це важлива величина для розуміння перетворення енергіїв хімічних реакціях, тобто того, чи реакція екзотермічна , чи ендотермічна . Ентальпію реакції можна описати таким співвідношенням:
.
Тут - зміна внутрішньої енергії системи, а - робота об'єму, яку система виконує проти зовнішнього тиску.
У цьому досліді гідроксид-іони та іони амонію реагують у водному розчині, причому об'єм розчину практично не змінюється. З цієї причини для досліду можна прийняти, що і, отже, . Тим самим рівняння спрощується до:
.
Інша інформація для вчителів (6/8)
Додаткова інформація для викладачів (6/8)
Оскільки дослід виконують у просто сконструйованому навчальному калориметрі, при обчисленні ентальпії реакції, окрім нагрівання води, треба врахувати й теплоту, поглинуту калориметром. Теплоємність калориметра визначають перед дослідом за аналогією до P1044100.
У досліді вимірюють приріст температури розчину в калориметрі, спричинений теплотою, що виділяється під час реакції. Виділену теплоту обчислюють за таким рівнянням:
де - питома теплоємність води, - маса розчину солі, а - теплоємність калориметра.
Інша інформація для вчителів (7/8)
Додаткова інформація для викладачів (7/8)
Обчислена з приросту температури кількість теплоти стосується фактично взятої кількості речовини. У цьому досліді іони міді є обмежувальним компонентом. Молярну ентальпію реакції обчислюють як частку від ділення на кількість речовини :
.
Отже, молярна ентальпія реакції показує, скільки енергії вивільняється під час реакції на один моль іонів міді.
При екзотермічній реакції виміряна теплота реакції , а отже, і .
Інша інформація для вчителів (8/8)
Додаткова інформація для викладачів (8/8)
Розчини можна приготувати відразу на всіх, щоб заощадити хімікати!
- Розчин сульфату міді : Додай сульфату міді до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
За такого обсягу приготування можна взяти мензурку на . Її ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Визначення теплоємності навчального калориметра:
Теплоємність калориметра за бажаннямможна визначити перед власне виконанням досліду. Це можна зробити за аналогією до досліду P1044100. Якщо не визначати, то при обчисленні зміни кількості теплоти слід очікувати похибки близько .
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні мусять бути в захисних окулярах!
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідного хімікату.
Інформація для учнів
Мотивація
У багатьох хімічних реакціях теплота вивільняється або поглинається. Реакція цинку з іонами міді - це окисно-відновна реакція, у якій спостерігають приріст температури. Експериментальне визначення ентальпії реакції показує, за яких умов і як можна фіксувати енергетичні величини.
Такі знання важливі не лише в лабораторії, а й у побуті. Приклад - запалювання сірника: тертя запускає окисно-відновну реакцію, у якій фосфор окиснюється, а кисень відновлюється. Вивільнена при цьому теплота запалює сірник і змушує його горіти.
Завдання
Як визначають ентальпію окисно-відновної реакції?
- За бажанням: Збери простий калориметр із мензурок і визнач теплоємність калориметра (P1044100).
- Наповни калориметр розчином сульфату міді й виміряй температуру.
- Додай порошок цинку й запиши приріст температури.
- Обчисли ентальпію реакції за температурною кривою.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense - температура, −40 … 125 °C (Bluetooth) | 12903-00 | 1 |
| 2 | Кришка для навчального калориметра | 04404-01 | 1 |
| 3 | Стрижень - мішалка | 04404-10 | 1 |
| 4 | Фетр, листовий, 100x100 мм | 04404-20 | 2 |
| 5 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 1 |
| 6 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 7 | Піпетка, з гумовим ковпачком | 64701-00 | 1 |
| 8 | Мірний циліндр, 100 мл, прозорий, PP | 36629-01 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Купрум (ІІ) сульфат-5-гідрат, 1 кг | 30126-70 | 1 |
| 2 | Цинк, порошок, 250 г | 31978-25 | 1 |
| 3 | Вода дистильована, 5 л | 31246-81 | 1 |
Складання (1/5)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/5)
Розчини можна приготувати відразу на всіх, щоб заощадити хімікати!
- Розчин сульфату міді : Додай сульфату міді до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Порошок цинку відваж у невеликій мензурці.
Визначення теплоємності навчального калориметра:
Теплоємність калориметра за бажаннямможна визначити перед власне виконанням досліду. Це можна зробити за аналогією до досліду P1044100. Якщо не визначати, то при обчисленні зміни кількості теплоти слід очікувати похибки близько .
Складання (3/5)
Складання навчального калориметра:
1. У більшу мензурку вставляють дві пластини фетру так, щоб уся скляна стінка мензурки була вкрита.
2. Другу мензурку обережно!засувають у більшу мензурку.
Зауваження: Щойно під час насування відчується підвищений опір - одразу припини! Інакше є небезпека, що скло трісне.
Складання (4/5)
Датчик температури Cobra SMARTsense можна вставити крізь один з отворів у кришці калориметра й так зафіксувати.
Складання (5/5)
Дослід можна перемішувати й скляною паличкою, яку вставляють крізь великий отвір у кришці калориметра.
Як альтернативу поклади в саморобний калориметр стрижень магнітної мішалки й постав його на магнітну мішалку (вона не входить до стандартного комплекту постачання).
Кришку калориметра зі вставленим датчиком температури спершу кладуть вільно на край калориметра.
Виконання (1/5)
- Запусти measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на датчику кнопку «Пуск» приблизно на 3 секунди.
- Приєднай датчик, торкнувшись поряд з описом датчика в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (2/5)
Налий у калориметр розчин сульфату міді. Треба стежити, щоб датчик температури був занурений у розчин щонайменше на і щоб стрижень мішалки, що обертається, не бився об датчик.
Потім увімкни магнітну мішалку й поступово збільшуй швидкість перемішування, доки не буде досягнуто максимальної стабільної потужності перемішування.
Переконайся, що стрижень мішалки обертається рівномірно й не втрачає контролю.
Тримай вибрану швидкість перемішування сталою протягом усього досліду.
Виконання (3/5)
Закрий калориметр кришкою й почни вимірювання температури датчиком температури Cobra SMARTsense.
Попередній період: Зачекай, доки встановиться стала температура, а потім записуй температуру ще щонайменше поспіль.
Виконання (4/5)
Під час наступних кроків вимірювання температури триває, і датчик температури має весь час лишатися зануреним у розчин!
Зніми кришку калориметра, як показано на рисунку. Швидко однією порцією додай порошок цинку до розчину сульфату міді й одразу знову закрий калориметр.
Виконання (5/5)
Головний період: Щойно порошок цинку додано до розчину сульфату міді, починається окисно-відновна реакція, і температура системи зростає. Під час головного періоду треба стежити, щоб швидкість перемішування лишалася сталою, а кришка калориметра була закрита.
Подальший період: Далі фіксуй дані температури ще щонайменше .
Яке підвищення температури тобі вдалося виявити?
Запиши його.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Перетягни слова у правильні поля! У калориметрі під час ____ реакції вивільняється ____, через що ____ розчину підвищується. Вивільнену при цьому кількість теплоти Q можна обчислити за формулою Q=-(C_\text{W} · m_\text{W} + C_\text{K})· \Delta T\,. При цьому C_\text{W} - це питома теплоємність ____, m_\text{W} - ____ розчину, а C_\text{K} - ____ калориметра. Оскільки ____ майже не змінюється, наближено виконується \Delta U \approx \Delta H.
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Навіщо ми визначаємо теплоємність калориметра? Перетягни слова у правильні поля! При визначенні ентальпії реакції треба враховувати також теплоємність ____. Калориметр ____ під час реакції частину ____, яка вивільняється в хімічній реакції. Якби цього впливу не враховувати, то загальну вивільнену ____ обчислили б ____.