《普通化学》化学反应摩尔焓变的测定

1、欢迎各位领导、专家莅临指导“化学反应摩尔焓变的测定” 实验的改进 李聚源 谢 娟 孟 梅 西安石油学院石油化工系 摘 要 本实验提出了一套改进的“化学反应摩尔焓变测定”实验的方法与仪器。改进的实验仪器选用热传导系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为原料制成量热计，并在盖上设计了小型加料器；采用磁力搅拌器混合溶液，以数字式温度计测温，可在两小时内完成锌粉与硫酸铜溶液反应的摩尔焓变和量热计热容的测定。获得的实验数据重现性好，温度随时间变化有较好的线性关系。十次测定结果的相对标准偏差为0.58%，所测定的摩尔焓变与理论值的相对误差为2.0%。 1 引言“化学反应热的测定”是普通化学和无机化学课程实验教学基本要

2、求中规定的实验内容。一般用“化学反应摩尔焓变的测定”作为实验项目1,2,3，即采用定量的硫酸铜溶液与过量的锌粉在保温杯中反应，以外推作图法求得反应的T来计算反应的摩尔焓变。该实验的原理和方法已为大家公认，在多年来的教学实践中，大多数院校3,4,5,6采用一只保温杯和一支精密温度计（具有0.1分度）、放大镜、秒表等来完成该实验。但是大部分学生的实验结果表明，这种操作难以获得满意的实验结果，所测定的实验数据点几乎无法外推，反应温度随反应时间变化的关系线性较差，实验结果与理论值的相对误差超过10%，甚至更大。作为测定实验已无法使学生获得实验的科学性、可靠性和准确性的训练。因此，有必要改进实验仪器及方

3、法。针对这一问题，我们自行设计制作了一套实验装置，通过多次试验，获得了较为理想的实验结果。 2 实验装置的改进及实验条件方法的确定 2.1 量热计的改进 玻璃保温杯是理想的绝热系统，为了使反应充分进行，可配以磁力搅拌器。但由于玻璃保温杯底部是凹球底结构，一旦加入锌粉，迅速沉到底部的锌粉会使搅拌子无法转动，容易导致实验失败。因此，我们以热传导系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为材料制成平底的量热计反应杯（图1所示）。为尽量减少热损失，采用镀银及泡沫塑料包覆，使其接近绝热系统。图1 改进的量热计 改进后的量热计采用磁力搅拌器后，两相反应能够充分进行，锌粉与硫酸铜溶液反应后溶液温度迅速升高，我们选用数字式温

4、度计（可准确读至0.1，0100），获得了可靠的实验数据，避免了以前用放大镜读取玻璃温度计的数值时造成很大的误差. 以往锌粉是在测定了起始反应温度后，打开瓶盖迅速加入的。为了尽量保证系统不与环境发生热交换。我们在量热计盖子上设计了小型加料器，可以在不间断测温条件下，一次性加入锌粉，减少了系统热量的损失。2.2 锌粉加入量的确定 锌粉的最佳加入量可以由实验结果得出，如图2所示。由反应式Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu可以计算出锌粉的理论反应量为1.3g。但锌粉加入量从1.32.8g，反应的T一直升高，当锌粉加入量为2.8g（为理论量的2.15倍）时，在本实验条件下，反应温度在1分钟内迅速升高9

5、.6（最高值）。这是因为多相反应中，反应物的浓度越大，分子间碰撞频率越高，反应速率也越大。到达最高值后，由于溶液中硫酸铜的物质的量固定不变，随着锌粉加入量的增加，T值保持不变，因此实验选择锌粉加入量为2.9g3.1g。图2 锌粉加入量与反应T的关系 2.3 温度记录时间的确定 为了获取比较理想的反应温度随时间变化的曲线，实验表明，测定起始温度以每隔10-15s读取一次温度，较为合适；加入锌粉后至溶液升至最高温度期间，以每隔34 s记录一次反应温度。时间间隔过大，反应温度到达最高值时的实验点太少；时间间隔过小，又难以测准。此后按每隔20 s 一次继续读取反应温度，即可获得比较理想的反应曲线，如图

6、3所示。图3 反应温度随时间的关系 2.4 量热计热容的测定 量热计的热容可利用一定量的冷水和热水在量热计中混合，根据能量守恒定律，热水放出的热量等于冷水吸收的热量和量热计吸收的热量之和。即(Th-Tm) Vh(H2O)c(H2O)=(Tm-Tc)Vc(H2O)c(H2O)+Cb （1） 式中：T h、Tm、Tc分别表示热水、混合后的水和冷水的温度( K)； Vh、Vc 分别表示热水、冷水的体积 ( mL ); (H2O) 水的密度，可取1.00g/mL; c(H2O)水的比热容，可取4.18Jg-1K-1; Cb 量热计的热容(JK-1)。利用外推作图法得到Th、Tm、Tc代入（1）式可求出

7、Cb。 2.5 化学反应摩尔焓变的测量 1.准确移取100mL 0.2mol. L-1的硫酸铜溶液于干燥的量热计中，放入搅拌磁子。 2.称取一定量的锌粉装入加料器中，盖好量热计盖，并插入温度计传感器，将量热计放在磁力搅拌器盘上。 3.开启搅拌器开关，调节搅拌速度为200r/min，同时启动秒表，每隔一定时间记录一次溶液温度。当起始温度趋于平衡后，按动加料器开关，迅速加入锌粉，按相同时间间隔测定溶液的温度，当温度升至最高点后，继续以相同时间间隔测定温度至温度降低约0.50.6即结束测定。 4.利用（2）式计算出反应的摩尔焓变。 rHm = -(Vsscs + Cb) T/ c (CuSO4)Vs

8、 （2） 式中 rHm摩尔焓变(kJmol-1); Vs反应后溶液的体积(mL);s 反应后溶液的密度,可取1.03g/mL;cs反应后溶液的比热容，可取4.18Jg-1K -1;T反应前后溶液的温度升高值(K)，由作图外推法确定;c (CuSO4) CuSO4溶液的浓度(molL-1)。 3 结果与讨论 3.1 量热计的热容测定 量热计的热容测定见图4。 当Vh取100mL, Vc取60mL时，实验测出Th=33.8、Tm=27.6、Tc=17.9，代入（1）式可得Cb=20.7JK-1 。 图4 量热计的热容测定 3.2 反应摩尔焓变测定的精密度 10次实验反应热的测定结果见表1。从标准偏

9、差和相对标准偏差可以看出，改进后的量热计测定结果重现性较好。按一般无机、分析化学实验要求精密度不超过2%、准确度不大于5%来衡量7，该实验装置完全可以满足这一技术要求。表1 反应热的测定值锌粉用量gTKHkJ mol-1H|d i|相对误差 %测定结果123456789102.92.93.03.03.13.13.03.03.03.09.79.79.79.79.79.89.89.79.79.6-218.9-218.9-218.9-218.9-218.9-221.1-221.1-218.9-218.9-216.6-219.10.20.20.20.20.22.02.00.20.22.52.0标 准

10、偏 差s =1.27相对标准偏差=0.58%3.3 结论1改进的量热计装置测定的精密度（相对标准偏差）为0.58%，实验相对误差为2%（与理论值218.66kJmol-1比较）。表明改进后的量热计性能稳定，重现性好，相对误差符合教学基本要求。2使用该量热计测定一次反应摩尔焓变的时间为10分钟左右，反应中热量释放集中、反应热与时间变化关系线性良好。3改进后的仪器可以在2小时内完成反应摩尔焓变和量热计热容的测定。完全可以符合暜通化学和无机化学实验教学大纲的基本要求。因此，本装置可推荐作为“化学反应摩尔焓变测定”的实验教学仪器。参考文献1浙江大学王明华，大学化学展望. 杭州：浙江大学出版社，2000

11、，19-20.2浙江大学普通化学教研室编，普通化学实验（第三版），北京：高等教育出版社，1996.71-77.3西北工业大学化学教研室编，大学化学实验. 西安：西北工业大学出版社，1995，20-23.4甘孟瑜，郭铭模主编，工科大学化学实验. 重庆：重庆大学出版社，1996，25-27.5徐甲强，孙淑香主编，无机与分析化学实验. 北京：海洋出版社，1999，54-56.6杨桂荣等主编，工程化学实验. 杭州：浙江大学出版社，1993，19-25. 7华东理工大学分析化学教研组，成都科技大化学教研组编，分析化学（第四版）. 北京：高等教育出版社，1998，467-468. The improvem

12、ent of experimental device for Chemical reaction of molar enthalpy change determination Li Juyuan Xie Juan Meng Mei(Petrochemical Engineering Department of Xian Petroleum Institute, Xian, 710065,China) Abstract: In this paper, a suite of improved experimental devices and method for measurement of ch

13、emical reaction of molar enthalpy change has been proposed. In the experiment, We use a simple calorimeter made from polymethyl methacrylate, provided with a small feeder on ies lid, mixing solution by magnetic stirrer, measuring temperature by means of digital thermometer, taking up two hours for determining molar enthalpy change during the reaction of zinc powder and cupric sulfate. and the thermal capacity of the calorimeter The data acquired from those experiments have good reproducibility, better linear relationship between temperature and time, the relative standard deviation in ten t