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 реакціїендотермічної реакції: тіоціанат амонію додають до розчину гідроксиду барію, після чого спостерігають зниження температури.
Інша інформація для вчителів (1/8)
Додаткова інформація для викладачів (1/8)
Попередні знання
Для досліду учні мають володіти базовими знаннями про реакції нейтралізації, ендотермічні реакції та калориметрію.
Принцип
У досліді використовують ендотермічну реакцію гідроксиду барію з тіоціанатом амонію й досліджують поглинуту при цьому з довкілля (води) теплоту реакції. Для цього тіоціанат амонію додають до розчину гідроксиду барію й вимірюють спад температури. З різниці температур можна обчислити поглинуту кількість теплоти, а потім ентальпію реакції, і для пояснення самочинного перебігу реакції можна ввести ентропію реакції.
Інша інформація для вчителів (2/8)
Додаткова інформація для викладачів (2/8)
Навчальна мета
Учні вчаться експериментально фіксувати й кількісно опрацьовувати поглинання теплоти ендотермічною реакцією нейтралізації.
Завдання
Учні збирають простий калориметр, у який наливають розчин гідроксиду барію. Зміну температури після додавання тіоціанату амонію фіксують кількісно.
Інша інформація для вчителів (3/8)
Додаткова інформація для викладачів (3/8)
У цьому досліді треба зібрати простий калориметр, у якому виконують реакцію нейтралізації гідроксиду барію з іонами амонію. Це ендотермічна реакція, у якій теплота поглинається з довкілля (води).
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 гідроксиду барію. При постійному перемішуванні після додавання тіоціанату амонію можна спостерігати зниження 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)
Ендотермічнареакція - це хімічна реакція, у якій система поглинає теплоту з довкілля. Через поглинання теплоти температура системи знижується.
У цьому калориметричному досліді реагують гідроксид-іони та іони амонію :
- Розклад іонів амонію гідроксид-іонами:
- Утворення розчинного тіоціанату барію:
Спостережуваний спад температурипрямо пов'язаний 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 екзотермічно , чи ендотермічно перебігає реакція. 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 змінюється лише незначно (зміна на ). Задля спрощення для досліду приймають, 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. 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 гідроксиду барію.
При ендотермічній 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 гідроксиду барію : Додай гідроксиду барію до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Тіоціанат амонію відваж у невеликій мензурці.
За такого обсягу приготування можна взяти мензурку на . Її ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Визначення теплоємності навчального калориметра:
Теплоємність калориметра за бажанням можна 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.
- Увага! Дослід треба виконувати у витяжній шафі, бо під час реакції утворюється газуватий аміак.
Інформація для учнів
Мотивація
У багатьох хімічних реакціях теплота вивільняється або поглинається. У цьому досліді розглядають ендотермічнуреакцію, у якій спостерігають спад температури. Приклад такої реакції - реакція в холодових компресах (їх ще називають миттєвими крижаними пакетами). Під час активації холодового компреса внутрішній пакет із водою роздавлюють, і вода реагує з наявною сіллю. Ця ендотермічна реакція поглинає теплоту з довкілля, через що пакет одразу стає крижаним.
Експериментальне визначення ентальпії реакціїпоказує, за яких умов і як можна фіксувати енергетичні величини.
Завдання
Як визначають ентальпію ендотермічної реакції?
- За бажанням: Збери простий калориметр із мензурок і визнач теплоємність калориметра (P1044100).
- Наповни калориметр розчином гідроксиду барію й виміряй температуру.
- Додай тіоціанат амонію й запиши спад 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 | Гідроксид барію x 8 H2O, 100 г | CHE-881017631 | 1 |
| 2 | Тіоціанат амонію, 250 г | CHE-881015834 | 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 гідроксиду барію : Додай гідроксиду барію до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Тіоціанат амонію відваж у невеликій мензурці.
Увага! Дослід треба виконувати у витяжній шафі, бо під час реакції утворюється газуватий аміак.
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 гідроксиду барію. 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 .
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 тіоціанат амонію до розчину гідроксиду барію й одразу знову закрий калориметр.
Виконання (5/5)
Головний період: Щойно тіоціанат амонію додано до розчину гідроксиду барію, починається реакція нейтралізації, і температура системи спадає. Під час головного періоду треба стежити, щоб швидкість перемішування лишалася сталою, а кришка калориметра була закрита.
Подальший період: Далі фіксуй дані температури ще щонайменше .
Який спад температури тобі вдалося виявити?
Запиши його.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Зрівняй рівняння реакції. ____\,\text{Ba(OH)}_{2}\,·\,____\,\text{H}_{2}\text{O}\,+\,____\,\text{NH}_{4}\text{(SCN)}\,\rightarrow\, ____\,\text{Ba}\text{(SCN)}_{2}\,+\,____\,\text{NH}_{3}\,+\,____\,\text{H}_{2}\text{O}
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Чому ця реакція перебігає самочинно? Доповни текст. Під час реакції тіоціанату амонію з гідроксидом барію довкілля помітно ____, бо реакція ____. Проте реакція перебігає самочинно, бо ____ системи сильно зростає. Це пов'язано з тим, що в реакції, крім солі, утворюється ще й ____. Утворення ____ в газовій фазі призводить до сильного ____ «безладу» (ентропії).