基本物理量与物化参数的测定

6.基本物理量与物化参数的测定−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

实验88 化学反应焓变的测定

实验概述

化学反应通常是在等压条件下进行的，此时化学反应的热效应叫做等压热效应Q p。在化学热力学中，则是用反应体系焓H的变化量△H来表示的，简称为焓变。为了有一个比较的统一标准，通常规定100kPa为标准态压力，记为p 。把体系中各固体、液体物质处于p 下的纯物质，气体则在p 下表现出理想气体性质的纯气体状态称为热力学标准态。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 表示，下标“r”表示一般的化学反应，上标“ ”表示标准状态。在实际工作中，许多重要的数据都是在298.15 K下测定的，通常用298.15 K下的化学反应的焓变，记为△r H (298.15K)。

本实验是测定固体物质锌粉和硫酸铜溶液中的铜离子发生置换反应的化学反应焓变：

Zn(s) + CuSO4(aq)═ZnSO4(aq)+ Cu(s)

△r H m (298.15K)=- 217 kJ⋅mol-1

这个热化学方程式是表示：在标准状态、298.15 K时，发生了一个单位的反应，即1 mol的Zn与1 mol的CuSO4发生置换反应生成1 mol的ZnSO4和1 mol的Cu，此时的化学反应的焓变△r H m (298.15K)称为298.15 K时的标准摩尔焓变。其单位为kJ⋅mol-1。

测定化学反应热效应的仪器称为量热计。对于一般溶液反应的摩尔焓变。可用图8.1.1所示的“保温杯式”量热计来测定。

图8.8.1 简易量热计示意图

在实验中，若忽略量热计的热容，则可根据已知溶液的比热容、溶液的密度、浓度、实验中所取溶液的体积和反应过程中(反应前和反应后)溶液的温度变化，求得上述化学反应的摩尔

焓变。其计算公式如下：

1000

11})15.273{(⋅⋅⋅⋅⋅∆-=+∆n V c T K t H m r ρ(kJ ⋅mol -1) 式中：∆r H m —在实验温度为(273.15+t) K 时的化学反应摩尔焓变(kJ ⋅mol -1)，∆T —反应前后溶液温度的变化(K)，c —CuSO 4溶液的比热容(J ⋅g -1⋅K -1)，ρ—CuSO 4溶液的密度(g ⋅L -1)，V —CuSO 4溶液的体积(mL)，n —CuSO 4溶液中CuSO 4的物质的量(mol)。

实验目的

1. 了解化学反应焓变的测定原理，学会焓变的测定方法。

2. 熟练掌握精密温度计的正确使用。

实验器材

1．仪器：台天平，量热器，精密温度计(-5～+50 o C ，0.1 o C 刻度)，移液管(50 mL)，洗耳球，移液管架，磁力搅拌器，称量纸。

2．试剂： 0.2000 mol ⋅L -1 CuSO 4溶液[1]， Zn 粉(AR)。

实验方法

用台天平称取3.5 g Zn 粉。用50mL 移液管准确移取200.00 mL 0.2000 mol ⋅L -1 CuSO 4溶液，注入洗净、擦干的量热计中，盖紧盖子，在盖子中央插有一支0.1︒C 刻度的精密温度计。

双手扶正，握稳量热计的外壳，不断摇动或旋转搅拌子(转速一般为200～300 r ⋅min -1)，每隔0.5 min 记录一次温度数值，直至量热计内CuSO 4溶液与量热计温度达到平衡且温度计指示的数值保持不变为止(一般约需3 min)。

开启量热计的盖子，迅速向CuSO 4溶液中加入3.5 g Zn 粉，立即盖紧量热计盖子，不断摇动量热计或旋转搅拌子，同时每隔0.5 min 记录一次温度数值，一直到温度上升至最高位置，仍继续进行测定直到温度下降或不变后，再测定记录3 min ，测定方可终止。

倾出量热计中反应后的溶液时，若用磁力搅拌器，小心不要将所用的搅拌子丢失。

数据的记录与处理

1．反应时间与温度的变化(每0.5 min 记录一次)

室温t /o C

CuSO 4溶液的浓度c (CuSO 4)/mol ⋅L -1

CuSO 4溶液的密度ρ(CuSO 4)/g ⋅L -1 反应进行的时间t/min

温度计指示值t/0C

温度T/(273.15+t)K

CuSO 4溶液的比热容c =4.18 J ⋅g -1⋅K -1

2．作图求△T

N N

N

OH OH

由于量热计并非严格绝热，在实验时间内，量热计不可避免地会与环境发生少量热交换。采用作图外推的方法(见图88.2)，可适当地消除这一影响。

3．实验误差的计算及误差产生原因的分析。

图88.2 反应时间、温度变化的关系

[注释]

[1] 0.2000 mol ⋅L -1CuSO 4溶液的配制与标定：

（1）取比所需量稍多的分析纯级CuSO 4⋅5H 2O 晶体于一干净的研钵中研细后，倒入称量瓶或蒸发皿中，再放入电热恒温干燥箱中，在低于60︒C 下烘1～2 h ，取出，冷至室温，放入干燥器中备用。

（2）在分析天平上准确称取研细、烘干的CuSO 4⋅5H 2O 晶体49.936 g 于一只250 mL 的烧杯中，加入约150 mL 的去离子水，用玻棒搅动使其完全溶解，再将该溶液倾入1000 mL 容量瓶中，用去离子水将玻棒及烧杯漂洗2-3次，洗涤液全部注入容量瓶中，最后用去离子水稀释到刻度，摇匀。

（3）取该CuSO 4溶液25.00 mL 于250 mL 锥形瓶中，将pH 调到5.0，加入10 mL NH 3⋅H 2O-NH 4Cl 缓冲溶液，加入8～10滴PAR 指示剂(*)，4～5滴次甲基兰指示剂，摇匀，立即用EDTA 标准溶液滴定到溶液由紫红色转为黄绿色时为止。

* PAR 指示剂，化学名称为4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚，结构式为： 思考题

1. 为什么本实验所用的CuSO 4溶液的浓度和体积必须准确，而实验中所用的Zn 粉则用

台天平称量？ 2. 在计算化学反应焓变时，温度变化△T 的数值，为什么不采用反应前(CuSO 4溶液与Zn 粉混合前)的平衡温度值与反应后(CuSO 4溶液与Zn 粉混合)的最高温度值之差，而必须采用t-T 曲线上由外推法得到的△T 值？

3. 本实验中对所用的量热器、温度计有什么要求？是否允许有残留的洗液或水在反应器内？为什么？