化学反应焓变的测定

Measurement of Enthalpy Change

一、实验目的

(1)了解化学反应焓变的测定原理，学会焓变的测定方法。

(2)熟练掌握精密温度计的正确使用方法。

二、预习要点

(1)预习化学反应焓变测定的原理和方法及其计算; 预习保温杯式量热计的操作要领; 预习分析天平、容量瓶及移液管的使用方法。

(2)思考并回答下列问题:

①为什么本实验所用的Cu SO4溶液的浓度和体积必须准确，而实验中所用的Zn粉则可用台秤称量?

②在计算化学反应焓变时，温度变化ΔT的数值，为什么不采用反应前(Cu SO4溶液与Zn粉混合前)的平衡温度值与反应后(Cu SO4溶液与Zn粉混合)的最高温度值之差，而必须采用t－T曲线外推法得到的ΔT值?

③本实验中对所用的量热器、温度计有什么要求? 是否允许反应器内有残留的洗液或水? 为什么?

④影响实验成败的因素有哪些?

三、实验基本原理

化学反应通常是在等压条件下进行的，此时，化学反应的热效应叫做等压热效应Qp。在化学热力学中，Qp则是用反应体系焓H的变化量ΔH来表示，简称为焓变。为了有一个比较的统一标准，通常规定100k Pa为标准压力，记为p。把体系中各固体、液体物质处于p下的纯物质，气体则在p下表现出理想气体性质的纯气体状态称为热力学标准态。在标准状态下化学反应的焓变称为化学反应的标准焓变，用ΔrH表示，下标“r”表示一般的化学反应，上标“”表示标准状态。在实际工作中，许多重要的数据都是在298．15K下测定的，通常用298．15K下的化学反应的焓变，记为ΔrH(298．15K)。

本实验是测定固体物质锌粉和硫酸铜溶液中的铜离子发生置换反应的化学

反应焓变:

这个热化学方程式表示: 在标准状态， 298．15K时，发生了一个摩尔级(或反应进度为1mol)的反应，即1mol的Zn与1mol的Cu SO4发生置换反应生成1mol的Zn SO4和1 mol的Cu，此时的化学反应的焓变 (298.15K)称为298．15K时的标准摩尔焓变，其单位为k J·mol－1。

图3－5 保温杯式量热计示意图

测定化学反应热效应的仪器称为量热计。对于一般溶液反应的摩尔焓变，可用图3－5所示的“保温杯式”量热计来测定。

在实验中，若忽略量热计的热容，则可根据已知溶液的比热容、溶液的密度、浓度、实验中所取溶液的体积和反应过程中(反应前和反应后)溶液温度的变化，求得上述化学反应的摩尔焓变。其计算公式如下:

式中:ΔrHm——在实验温度(273．15+t)K时的化学反应摩尔焓变(k J·mol－1);

ΔT——反应前后溶液温度的变化，K;

C——Cu SO4溶液的比热容，J·g－1·K－1;

V——Cu SO4溶液的体积，m L;

ρ——Cu SO4溶液的密度，g·cm－3;

n——V体积溶液中Cu SO4的物质的量，mol。

四、仪器和试剂

仪器: 台秤，量热器，精密温度计( －5～+50℃，0．1℃刻度)，移液管(50 m L)，洗耳球，移液管架，磁力搅拌器，称量纸。

试剂:0．2000mol·L－1Cu SO4溶液，Zn粉(A．R)。

注:0．2000mol·L－1Cu SO4溶液的配制与标定如下。

(1)取所需量稍多的分析纯Cu SO4·5H2O晶体于一干净的研钵中研细后，倒入称量瓶或蒸发皿中，再放入电热恒温干燥箱中，在低于60℃的温度下烘1～2h，取出，冷至室温，放入干燥器中备用。

(2)在分析天平上准确称取研细、烘干的Cu SO4·5H2O晶体49．936g，并置于一只250m L的烧杯中，加入约150m L的去离子水，用玻棒搅拌使其完全溶解，再将该溶液倾入1000m L容量瓶中，用去离子水将玻棒及烧杯冲洗2～3次，洗涤液全部转入容量瓶中，最后用去离子水稀释到刻度，摇匀。

(3)取该Cu SO4溶液25．00m L于250m L锥形瓶中，将p H调到5．0，加入10m LNH3·H2O－NH4Cl缓冲溶液，加入8～10滴PAR指示剂，4～5滴次甲基蓝指示剂，摇匀，立即用EDTA标准溶液滴定到溶液恰好由紫红色转为黄绿色时为止。

(4)*PAR指示剂，化学名称为4－(2－吡啶偶氮)间苯二酚，结构式为:

五、实验内容

用50m L移液管准确移取200．00m L的0．2000mol·L－1Cu SO4溶液注入已经洗净、擦干的量热计中，盖紧盖子，在盖子中央插入一支最小刻度为0．1℃的精密温度计。

双手扶正，握稳量热计的外壳，不断摇动或旋转搅拌子(转速一般为200～300r·min－1)，每隔0．5min记录一次温度数值，直至量热计内Cu SO4溶液与量热计温度达到平衡且温度计指示的数值保持不变为止(一般约需3min)。

用台秤称取Zn粉3．5g。开启量热计的盖子，迅速向Cu SO4溶液中加入称量好的Zn粉3．5g，立即盖紧量热计盖子，不断摇动量热计或旋转搅拌子，同时每隔0．5min记录一次温度数值，一直记录到温度上升至最高值，仍继续进行测定直到温度下降或不变后，再测定记录3min，测定方可终止。

倾出量热计中反应后的溶液，若使用磁力搅拌器，注意不要将所用的搅拌子丢失。

六、数据记录与结果

(1)反应时间与温度的变化(每0．5min记录一次)

室温t=__________℃

Cu SO4溶液的浓度c(Cu SO4)=__________mol·L－1

Cu SO4溶液的密度ρ(Cu SO4)=__________g·cm－3

设:①Cu SO4溶液的比热容近似等于水的比热容c=4．18J·g－1·K－1。

②ΔrHm(理论值)=－216．8k J·mol－1。

(2)作图求ΔT。

由于量热计并非严格绝热，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。用作图推算的方法(图3－6)，可适当消除这一影响。

图3－6 反应时间、温度变化的关系

(3)实验误差的计算及误差产生原因分析。

(编者: 王一凡)