4. Determinarea entalpiei de dizolvare

Principiul lucrării:

Calorimetria permite – pe langa determinarea efectelor termice ale reactiilor chimice – si determinarea efectelor termice ale proceselor fizice la presiune constanta, ca de exemplu: dizolvarea, topirea, etc.

Procesul de dizolvare a substanţelor este însoţit de un efect termic, denumit căldură de dizolvare, care depinde de interacţiile moleculelor sau ionilor substanţei (ex. NaCl), care se dizolvă cu moleculele dizolvantului (H2O). De exemplu, în cazul cristalelor Na+Cl− ionice în apă, căldura de dizolvare la presiune constantă, DHdiz , poate fi explicată în felul

următor: într-o primă etapă, sub acţiunea apei, ionii imobili de Na+ şi Cl− care ocupă nodurile reţelei cristaline sunt îndepărtaţi unii de alţii până la distanţe atât de mari, încât forţa coulombiană de interacţiune dintre ei devine nulă; ionii devin independenţi şi mobili în apă. Acest proces absoarbe energie din exterior, astfel că dizolvarea sărurilor ionice are loc cu scădere de temperatură.

Caldura de dizolvare este data de suma:ΔHdiz = ΔHretea + ΔHhidratare , unde

ΔHretea este caldura consumata pentru ruperea legaturilor dintre ionii din reteaua cristalina a substantelor (energia de retea ~ 100 kcal / mol), iar

ΔHhidratare este caldura degajata in procesul de solvatare (hidratare – in cazul apei) a ionilor, prin aranjarea dipolilor solventului in jurul fiecarui ion (~ - 100 kcal/mol).

Procesul de dizolvare este endoterm daca ΔHretea > ΔHhidratare si este exoterm daca ΔHretea < ΔHhidratare.

Scopul lucrării este determinarea entalpiei de dizolvare pentru trei săruri, de exemplu: NH4Cl, KNO3, K2SO4.

Aparatură şi substanţe:

Aparatură: calorimetru, cilindru gradat de 100 cm3, termometruSubstanţe: săruri NH4Cl, KNO3, K2SO4

Modul de lucru:Căldura de dizolvare se determină cu ajutorul unui sistem adiabat.

se introduc în paharul Berzelius fixat în cilindrul de polistiren expandat 50 cm3 de apă distilată, măsurată cu un cilindru gradat şi se urmăreşte stabilizarea temperaturii la termometru; se notează această valoare ti;

se cântăresc la balanţa tehnică, pe o hârtie lucioasă de cântărire, 2 g dintr-o sare de mai sus şi se introduce în apa sistemului calorimetric. Se observă variaţia de temperatură în timpul procesului de dizolvare. Când toată sarea s-a dizolvat, temperatura rămâne constantă se notează ca temperatura finală tf.

Calcule şi rezultate: - Entalpia de dizolvare, ca şi cea de neutralizare, se calculează după relaţia:

DHQ

ncal mol ( / ) (1)

în care:Q - cantitatea de căldură din calorimetru (cal); n - numărul de moli de substanţă dizolvată (mol);

- Se calculeaza numarul de moli, n, de sare dizolvata:n = m / M,

unde m este masa de sare cantarita (g), iar M este masa molara a sarii (g/mol) care se calculeaza de exemplu,

pentru KNO3, MKNO3 = 39 + 14 + 48= 101 (g/mol)

ANa=23 g/mol; AK=39 g/mol; AH=1 g/mol; AN=14 g/mol; AO=16 g/mol; ACl= 35,5 g/mol; AS= 32 g/mol

- se calculeaza caldura mediului in care a avut loc dizolvarea cu ecuatia calorimetrica:Q=(mcalorimetru ∙ ccalorimetru + msol. sare ∙ csol. sare) ∙ (tf-ti)

unde: mcalorimetru ∙ ccalorimetru = 20 cal/Kmsol. sare = Vapa ∙ sare; -densitatea (g/cm3); c – caldura specifica (cal/g∙K)

Introducând Q şi n în relaţia (1) se obţine entalpia de dizolvare DH.

Sare dizolvata

NaCl KClNaNO3

KNO3

K2SO4

Na2SO4NH4Cl NH4NO3

(g/cm3) 1,0053 1,0046 1,005 1,0063 1,0013 1,0083c (cal/g∙K)

0,982 0,968 0,963 0,932 0,980 0,981

Se alcătuieşte tabelul:

Sarea diz.

m (g)

M (g/mol)

n(mol)

ti

(oC)

tf

(oC)

Dt

(oC)

DT (K)

Q(cal)

DH

(cal/mol sare)

(kJ/mol sare)

1 cal = 4,18 J

Interpretarea rezultatelor: În funcţie de semnul convenţional al lui DH se apreciază natura endotermă sau exotermă a procesului, iar în funcţie de valoarea entalpiei de dizolvare se ordonează sărurile studiate în sensul creşterii DH.

Exercitii:1. La dizolvarea în 30 cm3 apă a 3 g Mg(NO3)2 se observă o diferenţă de temperatură de 20C. Să se determine entalpia de dizolvare, dacă Cvas = 50 cal/grad.2. Ştiind că entalpia de dizolvare a Mg(NO3)2 2H2O este 10,32 Kcal/mol să se stabilească ce diferenţă de temperatură se va obţine la dizolvarea a 2,5 g în 30 mL apă (C vas = 50 cal/grad).3. Să se determine căldura de dizolvare pentru uree, ştiind că după dizolvarea a 5 g uree în 100 g apă cu temperature iniţială de 20o C, temperature scade la 18o C. Constanta calorimetrului utilizat este de 0,14 KJ/grad, iar căldura specifică a apei este 4,18 KJ/grad.

4. Într-un calorimetru ce conţine 700 g apă la temperatura de 19,2 oC se adaugă 200 g apă cu temperatura de 50 o C. Temperatura de echilibru este 24,3 oC. Să se calculeze constanta calorimetrului. Se cunoaşte căldura specifică a apei este 4,18 KJ/grad.