Теплота нейтралізації

Теплотою нейтралізації називається кількість теплоти, яка виділяється при реакції нейтралізації кислоти основою з утворенням одного моля води. Реакція нейтралізації 1 моля будь-якої сильної одноосновної кислоти будь яким лугом у досить розведеному розчині при 298 К супроводжується майже однаковим екзотермічним тепловим ефектом, що відповідає процесу утворення 1 моля рідкої води з гідратованих йонів Н _aq ⁺ (Н₃О⁺) і OH _aq ^- по рівнянню: Н _aq ⁺ + OH _aq ^- ® Н₂О(р)

= - 55, 9 кДж/моль.

Крім того, при точних розрахунках теплоти нейтралізації потрібно враховувати, що при зливанні розчинів кислоти та основи відбувається зміна їхніх об’ємів, тобто необхідно враховувати ще дві теплоти розведення.

Таким чином, загальний тепловий ефект процесу нейтралізації сильної кислоти сильною основою визначається за формулою:

(1.9)

 

При нейтралізації слабкої основи сильною кислотою чи навпаки протікають одночасно два процеси: дисоціація слабкого електроліту з відповідним тепловим ефектом і процес нейтралізації. Тому у цих випадках більше чи менше сильної кислоти сильною основою в залежності від величини і знака слабкого електроліту.

Теплота дисоціації, у свою чергу, складається з теплоти руйнування зв’язків у молекулі слабкого електроліту, тобто теплоти розпаду молекули на йони (ендотермічний ефект) і теплоти сольватації (гідратації) йонів молекулами розчинника (екзотермічний ефект). Таким чином теплота дисоціації може бути як додатною, так і від’ємною.

Теплота гідратоутворення DН_гідр. — теплота, яку система виділяє, приєднуючи до 1 моля твердої безводної солі відповідну кількість кристалізаційної води. Безпосередньо визначити DH_гідр. важко. Її визначають згідно із законом Гесса як різницю інтегральних теплот розчинення безводної солі і кристалогідрату в таких кількостях води, щоб отриманий розчин в обох випадках мав однакову концентрацію і був би досить розведеним.

Наприклад, теплоту гідратоутворення СаСl₂× 6Н₂О можна одержати у такий спосіб:

Відповідно до закону Гесса:

(1.10)

Визначивши експериментально теплоту розчинення безводної солі DH₁ і теплоту розчинення кристалогідрату DH₂, розраховують теплоту гідратоутворення DН_гідр.

Калориметр. Тепловий ефект реакції вимірюють у спеціальних приладах — калориметрах, спостерігаючи за зміною температури DТ при протіканні реакції. Для роботи користуються калориметром, що дозволяє робити визначення теплових ефектів із відносною похибкою 2—5% при зміні температури не менш 0, 5°С. Калориметр складається з калориметричної посудини й ізолюючої системи. Схему найпростішого калориметра наведено на рис.1.1.

Калориметр являє собою металеву склянку чи посудину Дьюара. Ізолюючою системою служить повітряна оболонка, що утворюється іншою посудиною і кришкою із пластмаси. Калориметрична посудина встановлюється в іншу посудину на азбестових чи пластмасових підставках. У кришці є отвори для термометра, мішалки і введення випробуваної речовини.

 

 

Рис. 1.1. Схема калориметру:

1 – металевий стакан або посудина Дьюара; 2 – повітряна оболонка; 3 – підставка; 4 – кришка; 5 – мішалка;

6 – термометр Бекмана; 7 – ампула з дослідж­уваною речовиною.

Для зменшення втрат тепла в навколишнє середовище зміна температури при взаємодії речовин у калориметричній посудині не повинна перевищувати 2—3°С і реакція повинна протікати швидко.

Теплові ефекти розраховують по зміні температури DТ при реакції в калориметрі і визначенню теплової сталої калориметра С_k. Остання величина являє собою суму добутків теплоємностей тих частин приладу і розчину, що беруть участь у теплообміні, на їхню масу:

(1.11)

де m_і — маси окремих частин приладу і рідини;

С_i — питомі теплоємності окремих частин приладу і рідини.

Таким чином, величина C_k відповідає тій кількості теплоти, що необхідна для нагрівання калориметра на 1°С. Визначають C_k безпосереднім вимірюванням теплоємності, нагріваючи калориметр і вимірюючи зміну температури. Нагрівають електричним струмом, чи теплом одержуваним за рахунок хімічної реакції, наприклад, по відомій теплоті розчинення солі. Щоб нагріти систему на DТ, необхідно надати їй кількість теплоти DН:

(1.12)

 

де DН – відома теплота розчинення солі, кДж/моль;

М – молекулярна маса солі; g — наважка солі.

Відповідно:

(1.13)