化学反应摩尔焓变的测定演示教学

实验1 化学反应摩尔焓变的测定
一. 实验目的
1. 了解测定化学反应摩尔焓变的原理和方法；
2. 学习物质称量、溶液配制和溶液移取等基本操作；
3. 学习外推法处理实验数据的原理和方法。

二. 背景知识及实验原理
化学反应过程中，除物质发生变化外，还伴有能量变化。

这种能量变化通常表现为化学反应的热效应（简称为化学反应热）。

化学反应通常是在等温、等压、不做非体积功的条件下进行的，此时反应热效应亦称作等压热效应，用Q p表示。

化学反应的等压热效应（Q p）在数值上等于化学反应的摩尔反应焓变（△r H m）（热力学规定放热反应为负值，吸热反应为正值）。

在标准状态下，化学反应的摩尔反应焓变称为化学反应的标准摩尔焓变，用△r H mθ表示。

化学反应焓变或化学反应热效应的测定原理是：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），使反应物仅在量热计中发生反应，并使量热计及其内物质的温度发生改变。

通过反应系统在反应前后的温度变化，以及有关物质的质量和比热，可以计算出反应的热效应值。

实验中溶液反应的焓变值测定采用如图1所示的简易量热计进行测定，通过测定CuSO4溶液与Zn粉的反应进行焓变值的获取。

图1保温杯式量热计
CuSO4溶液与Zn粉的反应式为：
Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+(aq)
由于该反应速率较快，且能进行得相当完全。

实验中若使用过量Zn粉，则CuSO4溶液中Cu2+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。

在简易量热计中，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 •m L -1）
设反应前溶液中CuSO 4的物质的量为n mol ，则反应的焓变为：
1110001--•
•∆•••-=•∆••-=∆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)
由于此系统非严格绝热体系，因而在反应液温度升高的同时，量热计的温度也相应提高，而计算时忽略此项内容，故会造成温差的偏差。

故在处理数据时可采用外推法，按图2中虚线外推至反应开始的时间，图解求得反应系统的最大温升值T ，这样则可较客观地反映出由反应热效应引起的真实温度变化值。

在图2中，线段bc 表明量热计热量散失的程度。

考虑到散热从反应一开始就发生，因此应将该线段延长，使与反应开始时的纵坐标相交于d 点。

图中ddˊ所示的纵坐标值，即为外推法补偿的由热量散失造成的温度差。

为获得准确的外推值，温度下降后的实验点应足够多。

T 2与T 1的差值即为所求的∆T 。

图2 温度校准曲线
三. 实验仪器和药品
1. 仪器
电子天平、烧杯（100mL）、试管、滴管、移液管(50mL)、容量瓶(250mL)、洗瓶、玻璃棒、滤纸、精密温度计（0～50℃，具有0.1℃分度）、放大镜、秒表、量热计（杯口橡皮塞中开一个插温度计的孔，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，固体、分析纯）、锌粉（化学纯）、硫化钠（Na2S，0.1mol ·L-1）。

四. 实验内容与操作
1.配制硫酸铜溶液
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），并在电子天平上称取所需的CuSO4·5H2O晶体。

然后将其倒入烧杯中，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) 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，使其水银球能浸入溶液中，又不触及容器底部。

将洁净干燥的搅拌子放入量热计中，然后盖上量热计盖子。

(3) 采用磁力搅拌器进行搅拌。

用秒表每隔30s记录一次读数。

直至溶液与量热计达到热平衡，而温度保持恒定（约需2min）。

(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。

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，注意动作不宜过猛，要边旋转边慢慢打开，以免将温度计折断。

(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-1Na2S溶液，看是否有黑色沉淀物产生，以此检验Zn与CuSO4溶液反应进行的程度。

五. 数据处理
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 ；
V mL 溶液中CuSO 4的物质的量（或生成铜的物质的量）n ：_________ mol ； 温度随实验时间的变化：
2.数据处理：
用作图纸作图或电脑绘图，横坐标表示时间，每隔20s 用1cm ；纵坐标表示温度，每度用1cm 。

求出T ∆。

计算结果：从曲线上测得的∆T________K 。

3.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。

计算结果：生成1mol 铜所放出的热量∆H 实验值 _________ kJ•mol -1
(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 ∆ ＝ -217.23kJ •mol -1
计算结果：百分误差 ________ %。

六. 注意事项
1. 硫酸铜称量要精确；
2. 锌粉加入要迅速，立即塞紧塞子；
3. 计时、计温要准确；
4. 采用外推法求T ∆，以减少误差。

七. 思考题
1. 配制250mL 的0.100mol·L -1CuSO 4溶液的方法和操作时的注意事项有哪些？计算所需CuSO 4·5H 2O 晶体的质量。

2. 根据298.15K 时单质和水合离子的标准摩尔生成焓的数值，计算本实验反应的标准摩尔焓变，并用∆r H Θ (298.15)估算本实验的∆T (K)。

3. 所用的量热计是否允许有残留的水滴？为什么？
4. 为什么不取反应物混合后溶液的最高温度与刚混合时的温度之差，作为实验中测定的∆T 数值，而要采用作图外推的方法求得？作图与外推中有哪些应注意之处？。