实验十四化学反应焓变的测定

实验十四 化学反应焓变的测定
一、教学要求：
1. 了解测定化学反应焓变的原理和方法；
2. 熟悉台秤、温度计和秒表的正确使用;
3. 学习数据测量，记录、整理，计算等方法;
二、预习内容
1. 复习《无机及分析化学》有关热力学部分的知识要点；
2. 锌与硫酸铜的置换反应；
3. 常用仪器 ：台天平、电子天平、温度计以及容量瓶的使用方法；
三、基本操作
1. 台天平以及电子天平的使用；
2. 温度计及秒表的使用；
3. 容量瓶的使用；
四、实验原理
化学反应过程中，除了发生物质的变化外，还有能量的变化，这种能量变化表现为反应热效应，而化学反应通常是在恒压的条件下进行的，此反应热效应叫做等压热效应。

化学反应的等压热效应Q p 等于化学反应的摩尔反应焓变△r H m （放热反应为负值，吸热反应为正值）。

在标准状态下化学反应的焓变称为化学反应的标准焓变，用△r H m θ表示。

反应热效应的测量方法很多，本实验采用普通的保温杯和精密温度计作为简易量热计来测量。

假设反应物在量热计(图4-1)中进行的化学反应是在绝热条件下进行的，即反应体系(量热计)与环境不发生热量传递。

这样，从反应体系前后的温度变化和量热器的热容及有关物质的质量和比热容等，就可以按(1)式计算出反应的热效应。

本实验是
1.温度计
2.搅棒
3.胶塞
4.保温杯
5.CuSO 4溶液
图 4-1 保温杯式简易量热计装置
以锌粉和硫酸铜溶液发生置换反应：
在298.15K 和标准状态下，1mol 锌置换硫酸铜溶液中的铜离子，放出218.7kJ 的热量。

)()()()(22aq Zn s Cu aq Cu s Zn +++=+ 17.218-⋅-=∆m o l kJ H m r θ
由溶液的比热和反应前后溶液的温度变化，可求得上述反应的焓变。

计算公式如下：
n
V c T T H m r 1)(⋅⋅⋅⋅∆-=∆ρ （1） 式中：m r H ∆ —— 反应的焓变(kJ·mol -1
)； T ∆ —— 反应前后溶液的温度变化(K)；
c —— 溶液的热容(J·g -1·K -1)(取4.18)；
V——溶液的体积(mL)；
——溶液的密度(g·mL-1)(近似以1.00计);
n——溶液中溶质的物质的量;
由于此系统非严格地绝热，在反应液温度升高的同时，量热计的温度也相应提高，而计算时又忽略此项内容，故会造成温差的偏差。

在处理数据时可采用外推法，按图4—2中虚线外推至反应开始的时间图解求得反应系统的最大温升值T，这样可较客观地反映出由反应热效应引起的真实温度变化值。

由上式可见，本实验的关键在于能否测得准确的温度值。

为获得准确的温度变化ΔT，除精细观察反应时的温度变化外, 还要对影响ΔT的因素进行校正。

其校正的方法是：在反应过程中，每隔30秒记录一次温度，然后以温度（T）对时间（t）做图，绘制T—t曲线，如图所示。

将曲线AB和CD线段分别延长，再做垂线EF，与曲线交与G点，且使CEG和BFG所围二块面积相等，此时E和F 对应的T值之差即为校正后的温差ΔT。

图4–2 温度校准曲线
五、实验步骤
1.用台称称取3.0 g锌粉；（思考题1）
2.CuSO4溶液的配制：在电子天平上称取约5.0000 g CuSO4·5H2O 放入烧杯中，加入适量的蒸馏
水使其全部溶解，然后转移至100 mL容量瓶中。

用少量（每次约10mL）的蒸馏水将烧杯淋洗3次，将淋洗液全部倒入容量瓶中，最后加蒸馏水稀释至刻度。

塞紧容量瓶瓶塞，将其反复翻转10次以上，使其中溶液充分混匀。

（思考题2）（思考题3）（思考题4）
3.锌与硫酸铜反应热效应的测定：将配制好的CuSO4溶液全部倒入干燥、洁净的保温杯中（尽量
倒干净），塞好插有温度计和搅拌棒的瓶塞，调节温度计和搅拌棒的高度，使温度计的水银球全部浸入溶液中，但又不与搅拌棒和杯壁接触。

旋转搅棒，不断搅拌溶液，每隔30秒记录一次温度，至溶液与量热器达到乎衡，温度保持恒定(约2分钟)。

迅速向溶液中加入3.0 g锌粉，立即盖好盖子，仍不断搅拌，并继续每隔30秒记录一次温度，至温度上升到最高值后再继续测2分钟。

记录记入下列表格中。

（思考题5）（思考题6）（思考题7）（思考题8）（思考题9）（思考题10）
4.反应时间与温度的变化：
思考题1：为什么可以使用台秤进行称量？
思考题2：为什么要用电子天平？
思考题3：使用容量瓶前应该进行哪些准备工作？
思考题4：如果不小心加入太多水会带来什么影响？不分三次可以吗？
思考题5：为什么保温杯要保持干燥、洁净？
思考题6：没有把硫酸铜溶液倒干净会产生什么影响？
思考题7：温度计的水银球如果不小心跟保温杯壁接触会有什么后果？
思考题8：如果没有搅拌或者搅拌不均匀会有什么影响？
思考题9：如果温度没有达到恒定就加入锌粉可以吗？
思考题10：温度上升到最高值后为什么要再继续测2分钟呢？
答案1：由于锌粉要求过量，所以可以粗略称量；
答案2：由于反应焓变要根据溶质硫酸铜的物质的量来求算，所以要精确称量；
答案3：必须把容量瓶清洗干净并进行检漏；
答案4：如果加水太多可能会导致还没有把溶质完全转移进容量瓶就已经满了，而每次加少量水并分为三次转移可以把溶质尽量全部转移到容量瓶中；
答案5：为了不改变硫酸铜溶液的浓度和体积，否则会在计算时带来误差；
答案6：全部倒入跟少量剩余时反应前后的温差是不同的，所以会带来误差；
答案7：由于保温杯并非理想绝热材料，实际中杯壁的温度要比内部溶液的温度低，所以如果反应前后温度计水银球位置发生变化则会导致∆T偏高或者偏低；
答案8：都会导致所测温度不准，∆T误差大；
答案9：不可以，初始温度不准，∆T误差大；
答案10：由于保温杯并非理想绝热材料，所以温度最高点要比理想偏低，所以可以采用外推法进行求算，故应该继续测量2分钟左右为宜。

六、存在的问题
1.保温杯没有保持干燥、洁净；
2.称量锌粉与五水硫酸铜时没有分清是否该精确称量；
3.没有等保温杯跟硫酸铜溶液达到热平衡就加入锌粉反应；
4.等要加入锌粉反应时却发现没有称量好；
5.加入锌粉时动作不够迅速；
6.温度计水银球没有完全插入液面下就进行读数；
七、深入讨论
八、测试题
测试题1：实验中所用的锌粉不必用电子天平称取（）A. 正确；B. 错误；
测试题2：该实验对于硫酸铜溶液的浓度要求比较精确（）A. 正确；B. 错误；
测试题3：保温杯可以不用保持干燥、洁净（）A. 正确；B. 错误；
测试题4：对于ΔT的值，可以由反应前后的最低温度和最高温度的差值求得（）A. 正确；B. 错误；
测试题5：温度计的水银球可以不必插入液面以下（）A. 正确；B. 错误；
测试题6：采用外推法可以完全消除量热器热量损失造成的影响（）A. 正确；B. 错误；
答案：1、A 2、A 3、B 4、B 5、B 6、B。