化学反应摩尔焓变的测定

实二化学反应摩尔焓变的测定
实验目的:
1. 了解化学反应焓变或反应热效应的测定原理和方法；
2. 学习用作图外推法处理实验数据；
3. 练习准确浓度溶液配制的基本操作。

实验原理:
化学反应通常是在恒压条件下进行的，反应的热效应一般是指等压热效应，用Q p表示；化学热力学中反应的焓变∆H在数值上等于Q p，因此，通常可用量热的方法测定反应的焓变。

对于吸热反应，∆H＞0；放热反应，∆H＜0。

反应焓变或反应热效应的测定原理是：设法使反应物在绝热条件下（反应系统不与量热计外的环境发生热量交换），仅在量热计中发生反应，使量热计及其内物质的温度发生改变。

从反应系统前后的温度变化及有关物质的质量和比热，就可以计算出反应热。

然而本实验中溶液反应的焓变是采用下图（A-1）所示的简易量热计测定。

由于它并非严格绝热，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；采用作图外推法作出的温度∆T 可适当地消除这一影响。

图A-1 保温杯式量热计
本实验测定CuSO 4溶液与Zn 粉反应的焓变：
Cu 2+(aq ) + Zn(s ) = Cu(s ) + Zn 2+(aq )
由于反应速率较快，并且能进行得相当完全。

若使用过量Zn 粉，CuSO 4溶液中Cu 2+可认为完全转化为Cu 。

系统中反应放出的热量等于溶液所吸收的热量。

简易量热计中，反应后溶液所吸收的热量为：
Q p =m • c • ∆T=V • ρ• c • ∆T
式中： m —反应后溶液的质量（g ）；
c —反应后溶液的质量热容（J • g -1•K -1）
∆T —为反应前后溶液的温度之差（K ），经温度计测量后由作图外推法确定； V —反应后溶液的体积（ml ）
ρ—反应后溶液的密度（g •ml -1）
设反应前溶液中CuSO 4的物质的量为nmol ，则反应的焓变为：
111000
1--∙∙∆∙∙∙-=∙∆∙∙-=∆mol kJ n T c V mol J n T c m H ρ (1) 设反应前后溶液的体积不变，则 mol V c n CuSO 10004∙
= 式中，C CuSO4——反应前溶液中CuSO 4的浓度(mol •.L -1)
将上式代入式（1）中，可得
114
4100011000
--∙∆∙∙-=∙∙∙∆∙∙∙-=∆mol kJ c T c mol kJ V c T c V H CuSO CuSO ρρ (2) Zn 与CuSO 4溶液反应的标准摩尔熔变理论值：
∆r H m θ(298.15)= {∆f H m θ(Cu,s ) + ∆f H m θ(Zn 2+,aq )}－{(∆f H m θ(Cu 2+,aq ) + ∆f H m θ
(Zn,s )) = [0+(-152.42)] kJ •mol -1 –[64.81+0] kJ •mol
-1
＝-217.23kJ •mol -1 仪器和药品:
1． 仪器
台式天平、分析天平、烧杯（100ml ）、试管、试管架、滴管、移液管(50ml)、容量瓶(250ml)、洗瓶、玻璃棒、滤纸碎片、精密温度计（0～50℃，具有0.1℃分度）、放大镜、秒表、量热计（注意：利用保温杯作量热计时，杯口橡皮塞的大小要配制适合，并于塞中开一个插温度
计的孔，孔的大小要适当，不要太紧或太松。

搅拌方式可采用磁力搅拌器或手握保温杯震荡。

）。

2．药品
硫酸铜CuSO4·5H2O（固、分析纯）锌粉（化学纯）
硫化钠Na2S (0.1mol ·L-1)
实验步骤:
1.配制硫酸铜溶液（准确浓度）
计算配制250ml 0.200 mol• l-1 CuSO4溶液所需CuSO4·5H2O的质量（要求三位有效数字），并在分析天平（或电子天平）上称取所需的CuSO4·5H2O晶体。

然后将它倒入烧杯中，加入少量去离子水，用玻璃棒搅拌，待硫酸铜完全溶解后，将该溶液沿玻璃棒注入洁净的250ml容量瓶中；再用少量去离子水淋洗烧杯和玻璃棒数次，连同洗涤液一起注入容量瓶中，最后加水至刻度。

旋紧瓶塞，将瓶内溶液混合均匀。

2.化学反应焓变的测定
(1)在台式天平上称取3g锌粉。

(2)洗净并擦干用作量热计的保温杯。

用移液管移取100ml配制好的硫酸铜溶液于量热计中。

同时注意调节量热计中温度计安插的高度，要使其水银球能浸入溶液中，但又不能触及容器的底部。

然后盖上量热计盖。

(3)用秒表每隔30s记录一次读数。

注意要边读数边记录边用手适当摇荡保温杯，直至溶液与量热计达到热平衡，而温度保持恒定（一般需要2min）
如果采用磁力搅拌器进行搅拌，应事先将擦干的搅拌子放入量热计中，欲搅拌时，将量热计放到磁力搅拌器的盘上，接通磁力搅拌器的电源，开通磁力搅拌器的开关，并籍调速旋钮调节适当的转速。

(4)迅速往溶液中加入称好的锌粉，并立即盖紧量热计的盖子（为什么？）。

同时记录开始反应的时间，继续不断摇荡或搅拌，并每隔15－20s记录一次读数（应读至0.01℃，第二位小数是估计值）；为了便于观察温度计读数，可使用放大镜。

直至温度上升到最高温度读数后，再每隔30s继续测定5～6min。

(5)实验结束后，打开量热计的盖子，注意动作不能过猛，要边旋转边慢慢打开，否则容易将温度计折断。

(6)取少量反应后的澄清溶液置于一试管中，观察溶液的颜色（蓝色是否消失），随后加
入1～2滴0.1mol ·l -1
Na 2S 溶液，看是否有黑色沉淀物产生，以此检验Zn 与CuSO 4溶液反应进行的程度。

数据记录和处理:
1. 数据记录
室温： K;
CuSO 4·5H 2O 晶体的质量O H CuSO m 245⋅: g
CuSO 4溶液的浓度⋅4CuSO c : mol • l -1
CuSO 4溶液的温度_____________ K
温度随实验时间的变化
从曲线上测得的∆T_______________ K
CuSO 4溶液的体积V 100 mL
VmL 溶液中CuSO 4的物质的量
（或生成铜的物质的量）n_________ mol
生成1mol 铜所放出的热量∆H 实验值________ kJ •mol -1
百分误差 ________________________ %
注：（1）上述计算中假设：反应前溶液的比热容与水相同，为4.18J •g -1•K -1，溶液的密度与水相同，为1.00g •m l -1。

（2）本实验所用的简易量热计，它并非严格绝热，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。

为了消除此影响，求绝热条件下的真实温升，可采用下图所示的外推法作图，即先根据实验数值，作出温度(T)、时间(t)曲线，从曲线上相当于反应前(C)和反应后(D)之间平均温度的M 点引垂线与温度读数的延长线交于A 、B 两点，即为所求的真实温度∆T 。

2.反应焓变实验值的求算与实验误差计算
(1) 根据式(1)或式(2)计算反应的焓变，反应后溶液的比热容c ，可近似地用水的比热容代替，为4.18 J •g -1•K -1
反应后溶液的密度ρ可取为1.03g •m l -1，量热计自身所吸收的热量可忽略不计。

(2)计算实验的百分误差，并分析产生误差的原因。

误差计算公式如下： 百分误差＝％－理论值
理论值
实验值100⨯∆∆∆H H H 式中，理论指H ∆可近似地以∆r H m θ(298.15)＝-217.23kJ •mol -1代替
3.数据处理:
用作图纸作图，横坐标表示的时间，每隔20s 用1cm ，纵坐标表示的温度，每度用1cm 。

按图所示求出真实温度T ∆。

思考题:
1. 为什么实验中锌粉用台秤称量，而CuSO 4·5H 2O 要在分析天平（或电子天平）上称取？
2. 如何配制250mL0.2000mol ·l -1
CuSO 4溶液？
3. 所用的量热计是否允许残留的水滴？为什么？
4. 如何分析实验中造成误差的原因。

5. 量热计是否事先要用硫酸铜溶液洗涤几次？为什么？移液管又如何处理？。