ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ

1. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫПРИ РАСТВОРЕНИИВЕЩЕСТВ В ВОДЕ 13х741 MgOLiKI

2. План работы • Изучение теоретического материала о термодинамике процессов растворения веществ в воде. • Подготовка материалов и оборудования для эксперимента. • Исследование теплового эффекта процессов: а) растворения предложенных веществ в воде, б) смешивания снега с поваренной солью. • Конструирование бытовых устройств, работающих с использованием теплового эффекта процесса растворения веществ в воде. • Подготовка презентации и тестового задания для учащихся. • Знакомство учащихся с результатами исследования, тестирование, проверка и оценка выполнения теста. Методика эксперимента: Взвешивается необходимая масса (отмеряется объем) вещества и воды. Измеряется температура воды. Вещество растворяется, раствор перемешивается, измеряется его температура (в момент стабилизации).

3. Оборудование: • Стаканы стеклянные на 50 мл – 4 • Стаканы из полистирола на 150 мл − 3 • Стаканчик алюминиевый на 50-100 мл • Стакан стеклянный на 250 мл • Весы электронные (точность 0,01 г) • Измерительный цилиндр на 25 и 10 мл • Шпатели – 2 • Стеклянные палочки - 2 • Электронный медицинский термометр • Цифровой термометр • Картонная коробка ~ 15 х 15 х 15 см • Фольгированныйпенофол Реактивы: • Ацетон • Сахароза • Хлорид натрия • Карбонат натрия (безв) • Гидрокарбонат натрия • Лимонная кислота • Глицерин • Вода, снег • Молоко • Нитрат аммония

4. Теплота растворения вещества складывается из: • теплоты, затраченной на разрушение кристаллической решетки (Qреш< 0) • теплоты гидратации (Qгидр> 0), выделяющейся при взаимодействии молекул воды с молекулами или ионами растворяемого вещества. В зависимости от соотношения значений Qреши Qгидр теплота растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. • Если на разрушение решетки энергии затрачивается меньше, чем выделяется при гидратации, растворение такого вещества будет экзотермическим процессом, идущим с выделением теплоты (и наоборот). • Эта энергия передается раствору и вызывает изменение его температуры.

5. ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ Первоначально для исследования ∆t° был взят электронный медицинский термометр. Но значения измерений при этом находились в пределах +32 ÷+42°С.Поэтому растворение всех веществ проводили в предварительно нагретой до °С воде в стеклянных стаканчиках.

6. V (H2O) в этом опыте составлял 20 мл, массы растворенных веществ соответственно: раствор 1 –1 г, раствор 2 – 2 г Результаты исследования: Такие результаты вряд ли можно считать достоверными, потому что происходит потеря тепла в результате остывания раствора, и это дает значительную погрешность.

7. Для повышения точности эксперимента использовали цифровой термометр (предел измерений −50 ÷+70°С) при комнатной температуре ~ 20°С. Измерения проводились в стаканах из полистирола, характеризующегося очень малой теплоемкостью, что позволило обойтись без калориметра.

8. Концентрация подбиралась так, чтобы раствор был близким к насыщенному (табл. 1).

9. Результаты исследования: V(Н2О) = 20 мл. m = 2 г

10. 2. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ПРИ СМЕШИВАНИИ СНЕГА С ПОВАРЕННОЙ СОЛЬЮ Результаты:

11. РАСЧЕТЫ: • Сравним результаты нашего эксперимента со справочными данными. • Энтальпия при образовании водного раствора Nа2CO3 из 1 моль вещества в твердом состоянии и 20 моль воды составляет -33,2кДж/моль. • Это же соотношение дают 5,3 г Nа2CO3 и 18 г воды. При их смешивании температура раствора увеличивается на 3,5С. • Рассчитаем количество теплоты q, выделившейся при растворении: • q=cm(t2 – t1), где с– удельная теплоёмкость раствора, t1 -начальная температура , t2 - конечная температура раствора, m – масса раствора • При расчете пренебрегали удельной теплоемкостью сосуда, а удельную теплоемкость раствора приняли за удельную теплоемкость воды 4,2кДж/г·К. • q= 4,2·23,3(19,4 – 15,9) = 342,51 кДж • Вычислим энтальпию растворения: ∆H=-q·ν. • ∆H = -342,51·0,05 = -17,13 кДж/моль • Погрешность эксперимента: • Абсолютная: -33,2 –(-17,13) = -16,07 кДж/моль • Относительная: 16,07 33,2 = 0,484 или 48,4%

12. Тепловые эффекты при растворении используют на практике для создания портативных охлаждающих / нагревающих систем. Обычно это пакеты из водонепроницаемого и химически стойкого материала с веществом или смесью, с заметным тепловым эффектом растворения. К их содержимому добавляют воду и перемешивают. Такой пакет служит в качестве медицинской грелки или пузыря со льдом при оказании первой медицинской помощи в экстренных условиях. • Мы изготовили работающий на этом принципе «химический холодильник»: • картонная коробка термоизолируетсяфольгированнымпенофолом, внутрь один в один помещаются стаканы на 250 и 50 мл, в зазор между ними – кристаллический нитрат аммония, в маленький стакан – около 20 мл. молока. • в зазор между стаканами добавляется вода, коробка закрывается –холодильник начинает работать. Температура молока опустилась с 16,1 до 4,9 °С и продержалась ниже начальной в течение 3 часов. Подобрать безопасное для пищевых продуктов вещество в качестве эффективной «химической духовки» пока не получилось.

13. Тестовые задания Задания составлены на основе материалов ЦТ 2005 – 2006 г (белорусский аналог российского ЕГЭ)

15. Ответы учащихся Тестирование проводилось на факультативном занятии в 10 «Д» классе, т.к. там по программе изучается этот материал. Однако мы проведем этот тест и в своем классе при повторении. В подготовке к ЦТ он будет очень полезен. Учащимся вопросы понравились, они определили их как средней сложности. Учитель отметил хороший подбор заданий, но счел завышенной цену №4.