中和热的测定实验

中和热的测定实验
1 引言
许多化学变化过程都伴随着热效应，即有热量的释放或吸收，中和反应也一样。

这些热效应符合热力学第一定律且与物质的状态、所参加反应的量有关，但与反应经历的途径无关。

其中，中和热的概念包括两点：（1）中和热是由水合氢离子和水合氢氧根离子结合生成1mol水时所放出的热量；（2）对于强酸强碱稀溶液，由于可以看作全部电离，其中和热可以看作是一定值，与参与反应的强酸强碱的种类无关。

本文将燃烧热测定仪[1]用于中和热的测定，选用了合适的量热计（反应器）。

先用已知浓度的氢氧化钠和盐酸反应的中和热数据来确定量热计的热容，随后测定了典型的弱酸醋酸与氢氧化钠反应、盐酸与氢氧化钾反应的反应热，并与文献值作了比较。

本文实验方法和实验装置亦可用于其他热效应如溶解热、稀释热等的快速、准确测定。

2 实验
2.1实验原理
一定温度、压力和浓度下，1mol强酸和1mol强碱中和时所放出的热量叫中和热。

在固定温度和浓度足够稀的情况下，1mol强酸和1mol强碱中和放出来的热几乎是相等的。

在不同温度下中和热的经验公式为[2]：
△H/J= -57111.6 + 209.2(T/℃-25) （1）式中T为反应温度。

当酸（或弱碱）在水溶液中仅部分电离时，其与强碱（或强酸）反应所产生的热效应当是中和热（强酸和强碱）和电离热的代数和。

例如，有：
HAc ＝ H＋+ Ac- △H电离
H＋+ OH－＝ H2O △H中和
＋）
HAc ＋ OH－＝ H2O ＋ Ac- △H／中和＝△H中和+△H电离
实验时，采用化学反应标定量热计的热容量，即将盐酸和氢氧化钠的水溶液置于量热计中进行反应，利用其已知的反应热、测得反应前后量热计的温差来计算体系的热容。

在相同条件下，待测反应在量热计中进行，利用已得到体系的热容量和测得的反应体系的温差来求出待测反应的反应热。

2.2化学试剂
HCl、NaOH、CH3COOH、KOH 均为分析纯试剂；配置溶液所用的水为去离子水。

2.3实验装置仪器详见/product_view.asp?id=57 /product_view.asp?id=56
NDZH-1S NDZH-1S型中和热数据采集接口装置,
YP-2B精密稳流电源,
HJ-1型磁力搅拌器（1500ml）,
中和热专用量热计（含加热器、加料器）,
南京大学应用物理研究所专用实验软件、电脑、打印机。

NDZH-2S NDZH-2S型一体化实验系统电脑、打印机, 南京大学应用物理研究所专用实验软件
技术参数：1.温度测量分辨率：0.01℃ 2.温差测量分辨率：0.001℃ 3.电压测量分辨率：0.01V 4.电流测量分辨率：0.001A
实验装置示于图1。

图 1 中和热测定系统示意图
1．电脑温差测量仪 2. 精密数字温差仪 3. 量热计
4. 电磁搅拌子
5.磁力搅拌器
2.4实验步骤
（1）溶液配置
按常规方法对酸和碱的浓度进行标定。

盐酸溶液1（1.0080mol·L-1），氢氧化钠溶液（1.0075 mol·L-1）；盐酸溶液2（0.4964 mol·L-1），氢氧化钾溶液（0.4974 mol•L-1）。

（2）量热计热容量的测定[3]
在量热计中先加入已恒温（和盐酸一起）的1.0075 mol•L-1氢氧化钠溶液992.50ml，开电磁搅拌器搅拌，待精密数字温差仪稳定读数后，迅速加入 1.0080 mol•L-1盐酸的992.00ml。

设定计算机跟踪读数，每20秒读一次，直至计算机自动辨认反应结束（此时，各点之间的温度差不超过0.01℃）。

反应完毕后，倒出反应溶液，用蒸馏水和丙酮清洗量热计，在空气中自然晾干45分钟，使体系恢复原状。

重复六次测量，记录实验数据，至各次测定结果之间的误差不超过千分之三。

（3）醋酸和氢氧化钠反应中和热的测定
按上面（2）的方法重复测9次，氢氧化钠的浓度是1.0137 mol•L-1,用量体积986.50ml。

醋酸浓度为1.0238 mol•L-1,用量体积为976.75ml。

(4) 氢氧化钾和盐酸反应中和热的测定
按上面（2）的方法重复测定3次，氢氧化钾的浓度为0.4974 mol•L-1,用量体积为1005.20ml。

盐酸的浓度为0.4964 mol•L-1,用量体积为1007.30ml。

3 实验数据处理及结果
3.1量热计热容标定结果
六次重复标定实验的结果见表1。

表1 量热计热容标定结果
室温/℃ 25.5 20.6 21.1 21.4 25.1 25.2
△T / o C 7.031 7.111 7.105 7.096 7.057 7.017
-△H中和/J 57007 58032 57927 57864 57090 57069
C/J·K-1 8107.95 8160.88 8152.99 8154.45 8089.84 8132.96
根据式（1），利用第1组数据，可得：
△H1=-57111.6+209.2(T/℃-25)=（-5711.6+209.2×(25.5-25.0)）J=-57007J
又n酸×△H HCl－NaCl=C△T, 得C1＝57007×1/7.031 J·K-1 =8107.95 J·K-1
同理，由其他5组数据，可算出相应的热容，结果一并示于表1中。

于是，得到体系的平均热容为：
C平均＝8133.18 J·K-1
C＝8133.18±26.23 J·K-1
δ＝100×26.23/8133.18＝0.32％
其中，C平均＝8133.18J/K，它包括了量热计的热容和氯化钠溶液的热容贡献。

氯化钠溶液热容的求算：
W氯化钠=n×M氯化钠=1×58.5g=58.5g
W氯化钠溶液=M氢氧化钠×n＋M盐酸×n＋（V氢氧化钠＋V盐酸）ρ水
=(40.00×1+36.46×1+(992.50+992.00)×1)g
= 2061g
(在误差范围内忽略体积效应)。

所以，反应产物氯化钠溶液的质量百分浓度为:
100×58.5/2061=2.84%
由文献[4]知: 在20-33o C之间、该浓度下，NaCl溶液的热容为3.828 J·K-1±0.1%。

因此，量热计的热容C器= C平均-C p氯化钠溶液×W氯化钠溶液=（8133.18-3.828×2061）J·K-1=243.67 J·K-1
3.2 醋酸和氢氧化钠反应的中和热
9次实验的结果示于表2。

由表2数据，得：
△T平均＝6.699 o C，△T＝6.699±0.007 o C
δ＝0.007/6.699=0.1%
表2 CH3COOH与NaOH反应的中和热测定结果室温/℃ 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.0 28.2 28.0 27.9 △T / o C 6.705 6.706 6.692 6.710 6.709 6.687 6.693 6.700 6.693
根据n酸×△H中和=C／△T
其中，C／=C器+ C p醋酸钠溶液
W醋酸钠 = M醋酸钠×n=82.04×1g=82.04g
W醋酸钠溶液=M醋酸×n＋M氢氧化钠×n＋（V氢氧化钠＋V醋酸）ρ水
=(60.05×1+40.00×1+(986.50+976.75)×1)g
=2063.3g (在误差范围内忽略体积效应)
所以，溶液中醋酸钠的质量百分浓度为: 82.04/2063.25=3.98%
在该浓度范围内,醋酸钠溶液的热容为[4]：4.05 J·K-1±0.1%
所以C／=C器+ C p醋酸钠溶液 = (243.67 + 4.05×2063.3) J·K-1 =8600.04 J·K-1
ΔH中和＝C／△T /n酸=(8600.04×6.699/1) J·mol－1=57611.67J·mol－1
3.3 盐酸和氢氧化钾反应的中和热
三次反应测定的结果示于表3。

表3 HCl与KOH反应中和热测定结果
室温/℃ 29.7 29.4 29.2
△T / o C 3.319 3.335 3.335
C平均/ J·K-1 8025.90
ΔH/J 53275.92 53532.75 53532.75
W KCl =M KCl×n=74.55×0.5=37.27g
W KCl溶液=M盐酸×n＋M氢氧化钾×n＋（V氢氧化钾＋V盐酸）ρ水
=(36.46×0.5+56.11×0.5+(1007.3+1005.2)×1)g
=2058.79g (在误差范围内忽略体积效应)
反应产物氯化钾溶液的质量百分浓度为: 100×37.27/2058.79=1.81%
在该浓度、温度范围内,氯化钾溶液的热容为[4]：3.78 J·K-1±0.1%
所以，C平均=C器+ C p KCl溶液=(243.67+2058.79×3.78) J·K-1 =8025.90 J·K-1ΔH中和＝C平均△T /n酸=8025.90×3.319/0.5 J·mol－1 =53276.32 J·mol－1
由文献[5]知，在32o C ，HCl与KOH的浓度均为0.25mol·L-1时，其反应中和热为：55030.00 J·mol－1。

在29.2-29.7 o C范围内，本文三次测定的HCl与KOH反应的中和热的平均值为53447.14 J·mol－1.由于文献[5]的实验条件与本文不完全一致，所以两者之间有一定差别。

4 结论
根据本文实验结果，可得下述结论：
（1）本实验的关键在于尽量减少热量的散失，并保证每次实验体系的热容均保持不变。

这就要求：1）量热计的保温性能要好；2）瓶口密封性要好；3）反应溶液一定要搅拌均匀；4）量热计要保证清洗干净和静置足够长时间，以达到正常的热平衡；5）作图求△T时，必须进行雷诺校正。

（2）本实验采用了较大的反应器，其热容较大，实验的重复性好，实验结果的精确度较好。

（3）本实验测得该量热计的热容为243.67 J·K-1。

醋酸和氢氧化钠反应的中和热为57611.67J；在29.2-29.7o C范围内，本实验测得氢氧化钾和盐酸反应的中和热为53447.14 J·mol－1。

（4）本文实验方法和实验装置亦可用于其他热效应如溶解热、稀释热等的快速、准确测定。