氨基甲酸铵分解反应平衡常数的测定修订

实验名称 氨基甲酸铵分解反应平衡常数的测定 实验类型 同组学生姓名 一 实验目的和要求 必填 二 实验内容和原理 必填 三 主要仪器设备 必填 四 操作方法和实验步骤 五 实验数据记录和处理六 实验结果与分析 必填 七 讨论 心得 一 实验目的和要求 1 熟悉用等压法测定固体分解反应的平衡压力 2 掌握真空实验技术 3 测定氨基甲酸铵分解压力 计算分解反应平衡常数及有关热力学函数 二 实验内容和原理 氨基甲酸铵 NH2COONH4 是是合成尿素的中间产物 白色固体 不稳定 加热易发生如下的分解反 应 NH2COONH4 s 2NH3 g CO2 g 该反应是可逆的多相反应 若将气体看成理想气体 并不将分解产物从系统中移走 则很容易达到 平衡 标准平衡常数 Kp 可表示为 Kp 2 3NH p 2CO p 1 式中 3NHp 2COp 分别为平衡时 NH3和 CO2的分压 又因固体氨基甲酸铵的蒸气压可忽略不计 故体 系的总压 p总为 p总 3NHp 2COp 称为反应的分解压力 从反应的计量关系知 3NHp 2 2COp 则有 3NHp 3 2 p总和 2COp 3 1 p总 Kp 3 2 p总 2 3 1 p总 27 4 3 总 p 2 可见当体系达平衡后 测得平衡总压后就可求算实验温度的平衡常数 Kp 平衡常数 Kp称为经验平衡常数 为将平衡常数与热力学函数联系起来 我们再定义标准平衡常数 化学热力学规定温度为 T 压力为 100kpa的理想气体为标准态 100kpa称为标准态压力 3NHp 2COp 或 p总除以 100kpa就得标准平衡常数 p K p p总 3 2 2 p p总 3 1 27 4 p p总 3 3 15 1027 4 总 p 温度对标准平衡常数的影响可用下式表示 dT Kd p ln 2 RT Hm 3 式中 Hm为等压下反应的摩尔焓变即摩尔热效应 在温度范围不大时 Hm可视为常数 由积分 得 ln p K RT Hm C 4 作 ln p K T 1 图应得一直线 斜率 S R Hm 由此算得 Hm RS 反应的标准摩尔吉布斯函数变化与标准平衡常数的关系为 rGm RTlnK 5 用标准摩尔热效应和标准摩尔吉布斯函数变可近似地计算该温度下的标准熵变 rSm rHm rGm T 6 因此 由实验测出一定温度范围内不同温度 T 时氨基甲酸铵的分解压力 即平衡总压 可分别求出 标准平衡常数 及热力学函数 标准摩尔热效应 标准摩尔吉布斯函数变化及标准摩尔熵变 等压法测氨基甲酸铵分解装置如图 1 所示 等压计中的封闭液通常选用邻苯二甲酸二壬酯 硅油或 石蜡油等蒸气压小且不与系统中任何物质发生化学作用的液体 若它与 U 形汞压力计连用时 由于硅油 的密度与汞的密度相差悬殊 故等压计中两液面若有微小的高度差 则可忽略不计 本实验中采用数字 式低真空测压仪测定系统总压 图 1 等压法测氨基甲酸铵分解压装置图 三 主要仪器设备 仪器 等压法测分压装置 数字式低真空测压仪 DPC 2C 试剂 氨基甲酸铵 硅油 四 操作方法和实验步骤 1 检漏 检查活塞和气路 开启真空泵 抽气至系统达到一定真空度 关闭活塞 11 停止抽气 观察 数字式压力测量仪的读数 判断是否漏气 如果在数分钟内压力计读数基本不变 表明系统不漏气 若有漏气 则应从泵至系统分段检查 并用真空油脂封住漏口 直至不漏气为止 才可进行下一步实 验 2 测量 打开恒温水浴开关 设定温度为 30 0 1 打开真空泵 将系统中的空气排出 约 15min 关闭旋塞 停止抽气 缓慢开启旋塞接通毛细管 小心地将空气逐渐放入系统 直至等压计 U 形管两臂硅油齐平 立即关闭旋塞 观察硅油面 反复多次地重复放气操作 直至 10min 内硅油面 齐平不变 即可读数 3 重复测量 再使系统与真空泵相连 在开泵 1 2min 后 再打开旋塞 继续排气 约 10min 后 如上 操作重新测定氨基甲酸铵分解压力 如两次测定结果压力差小于 200Pa 可进行下一步实验 4 升温测量 调节恒温槽的温度为 35 在升温过程中逐渐从毛细管缓慢放入空气 使分解的气体不 致于通过硅油鼓泡 恒温 10min 最后至 U 形管两臂硅油面齐平且保持 10min 不变 即可读取测压 仪读数及恒温槽温度 同法测定 40 45 的分解压 5 复原 实验完毕后 将空气慢慢放入系统 使系统解除真空 关闭测压仪 五 实验数据记录和处理 室温 17 5 大气压 102 01kPa 15 0 表一不同温度时的氨基甲酸铵分解压 温度 t T K 1 T K 1 测压仪读数 kPa分解压 kPaK ln K 29 95303 10 00329924 85 8315 790 0005832 7 447 29 95303 10 00329924 85 9315 690 0005722 7 466 35 08308 230 00324433 79 0422 580 0017056 6 374 40 05313 20 00319285 69 2632 360 0050202 5 294 45 05318 20 00314268 56 5945 030 0135270 4 303 由福廷式气压计测定大气压 p1 102 01kPa 温度 t 15 0 经温度修正和重力加速度修正 p 校正 p1 1 0 000163t g g0 其中 g 9 793m s2 g0 9 80665 m s2 得 p 校正 101 62kPa 由公式 T t 273 15K p 分解 p 校正 p 测 K 4 27 p 校正 p 3 p 100kPa 所得数据见表 一 作 ln p K T 1 图得一直线如图 2 y 20198x 59 178 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 00310 003150 00320 003250 00330 00335 图 2 ln p K T 1 图 由图 2 可得 斜率 S 20198 所以 r Hm RS 167946 37 J mol 30 时 反应的标准摩尔吉布斯函数变化 rGm RTlnK 18767 952 J mol 标准熵变 rSm rHm rGm T 492 18 J mol K 六 实验结果与分析 氨基甲酸铵分解反应的等压反应热效应 r Hm RS 167946 37 J mol 从网站 查得 r Hm 文献 159 32kJ mol 所以 相对误差 Er r Hm 文献 r Hm r Hm 文献 100 5 误差产生原因 1 放氨基甲酸铵的容器内空气在误差允许内未置换完全 2 读数时 等压计 U 形管两臂硅油未完全齐平或齐平但还在微小变动 形成较小误差 3 在一定的温度范围内 r Hm 不是严格意义上恒定不变 而实验时为方便在允许范 围内认定它恒定不变 用线性处理会造成一定的误差 七 讨论 心得 注意事项 1 恒温槽不必正是 30 只要控制一个接近 30 的温度即可 但一定要保证温度波动较小 因为体系 的温度变化会较大程度地改变氨基甲酸铵的分解压 2 试验过程中放进空气的操作要缓慢 以避免空气穿过等压管汞柱进入平衡体系中 这也是保证试验顺 利进行的重要操作之一 3 为检查 30 时是否真正达到平衡 也为了检查小球内空气是否置换完全 要求第一次做好后 放入空气 再次抽气并调节至平衡 重复测定一次 两次测定结果压力差应小于 200Pa 思考题 1 如何检查系统是否漏气 答 关闭真空泵 关闭阀门 观察平衡常数测定仪的示数是否变化 若变化则说明系统漏气 若变化过 快 则需要检查装置重新抽气 2 什么叫分解压 答 固体或液体化合物发生分解反应 在指定的温度下达到平衡时 所生成的气体的总压力 称为分解 压 3 怎样测定氨基甲酸铵的分解压力 答 在真空中使氨基甲酸铵的分解达到平衡 这是系统的总压即为氨基甲酸铵的分解压 4 为什么要抽净小球泡中的空气 若系统中有少量空气 对实验结果有何影响 答 需要测定的只是的反应产生的气体的压力 即氨气和二氧化碳的总压 所以空气排除得越干净 得 到的数据结果就越准确 如果系统中有少量空气 得到的蒸气压数据就会偏大 平衡常数就会偏大 装 订 线 5 如何判断氨基甲酸铵分解已达平衡 答 U 型等压计两臂的液面无论是否等高 在 1min 内 液面不再变化即可认