稀溶液与固体反应焓变的测量和校准
2022-06-08
摘要：用简易量热计测量稀溶液和固体的反应焓变。测量反应物混合前后温度随时间的变化，把两部分温度分布外推到固体与溶液混合时刻，图解得到反应产生的最高温差。外推法可以补偿反应过程产生的系统与环境的热交换。利用外推法测量和计算了硫酸铜与锌粉的反应焓变；利用盖斯定律间接测得了碳酸氢钠加热分解的反应焓变。用冷热水混合法测量了量热计的比热容，对反应实际产生的热量进一步校准。经校准后的反应焓变接近标准反应焓变。外推法可以推广到其他稀溶液和固体之间的反应。
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关键词：简易量热计；反应焓变；外推法；量热计的比热容
文章编号：1005?6629（2014）4?0048?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
以锌粉与硫酸铜溶液的反应为例来阐述稀溶液与固体反应的实验和数据处理的方法[10，11]。
1.1 试剂和仪器
锌粉（化学纯）；0.25 mol?L-1 CuSO4溶液（精确配制后放置与室温达到热平衡）；量热计（内层150 mL塑料保温杯，用隔热材料固定在一个大烧杯里。在泡沫塑料盖子上有两个小孔，上面用橡皮套固定一只温度计和环形搅拌棒。以下所有实验使用同一个量热计）；电子天平（精确到0.1 g）；25 mL或50 mL移液管（学生实验可以改用50 mL量筒）；普通温度计；秒表。
1.2 实验步骤
（1）用干燥的小烧杯称量3 g锌粉。
（2）准确量取50.0 mL CuSO4溶液，加入量热计，测量溶液的初始温度。
（3）启动秒表，搅拌溶液，在0.5，1，1.5，2分钟时测量并记录溶液的温度。
（4）在2.5分钟时把锌粉迅速倒入溶液，盖好盖子均匀并剧烈搅拌，直到实验完成。
（5）从第3分钟开始，每间隔半分钟记录一次温度；第6分钟开始，每分钟记录一次温度，记录数据见表1。
（1）用移液管量取50.0 mL盐酸到量热计中。
（2）用干燥的小烧杯称量约10 g碳酸氢钠固体。
（3）测量酸溶液的初始温度。启动秒表，在1，1.5，2，2.5分钟时测量并记录溶液的温度。
（4）在第3分钟将碳酸氢钠固体分三次加入溶液并迅速搅拌，直到实验完成。注意不可因太快加入固体使反应混合物溢出量热计，也不可因太慢加入导致热量损失。
（5）从第4分钟开始，继续搅拌并测量混合物的温度。每半分钟记录一次温度，第6分钟开始每分钟记录一次温度。记录数据见表2。
3 测量量热计的比热容
反应释放的热量，除了传递给溶液，还少量传递给量热计。为了提高实验准确度，我们测量量热计的热容并计算出量热计消耗的热量，用于校准上述两个反应的焓变。
3.1 方法和步骤
当热水和冷水在量热计中混合时，根据能量守恒定律，热水释放的热量等于冷水吸收的热量加上量热计吸收的热量。在测量热容时冷热水的总体积等于前面反应焓变实验中溶液的体积。具体操作如下：
（1）用移液管量取25.0 mL蒸馏水到量热计。
（2）用移液管量取25.0 mL蒸馏水到小烧杯。加热烧杯里的水直到水温升高至65～70℃。用普通温度计测水温。
（3）搅拌量热计中的冷水，用精密温度计测量和记录冷水的温度，并将该温度记为初始温度。
（4）启动秒表，每分钟记录一次温度，记录3分钟。
（5）停止加热，搅拌热水。在第4分钟时测量并记录热水的温度，T1= 67.0℃ 。
（6）迅速将热水倒入量热计的冷水中，搅拌但不记录此刻的温度。
（7）在第4.5分钟时记录水温，此后不断搅拌，每半分钟记录一次温度直到记录到9分钟。温度数据见表4。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2007：4～5.
[2][6]李聚源，谢娟，孟梅.“化学反应摩尔焓变的测定”实验的改进[J].化学世界，2003，（8）：444～446.
[3][7][英] R. Norris， L. Ryan and D. Acaster， Cambridge International AS and A Level Chemistry Coursebook， Cambridge University Press， 2011：98～99.
[4][8][10] http：//www.savitapall.com/thermochemistry/labs/enthalpy_of_zinc_and_copper.pdf .
[5][9][11] http：//www.creative-chemistry.org.uk/alevel/module2/ documents/N-ch2-11.pdf .
[12][13][14][15][美] J. A.迪安主编.魏俊发等译.兰氏化学手册（第二版）[M].北京：科学出版社，2003：102～106，144.
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关键词：简易量热计；反应焓变；外推法；量热计的比热容
文章编号：1005?6629（2014）4?0048?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
以锌粉与硫酸铜溶液的反应为例来阐述稀溶液与固体反应的实验和数据处理的方法[10，11]。
1.1 试剂和仪器
锌粉（化学纯）；0.25 mol?L-1 CuSO4溶液（精确配制后放置与室温达到热平衡）；量热计（内层150 mL塑料保温杯，用隔热材料固定在一个大烧杯里。在泡沫塑料盖子上有两个小孔，上面用橡皮套固定一只温度计和环形搅拌棒。以下所有实验使用同一个量热计）；电子天平（精确到0.1 g）；25 mL或50 mL移液管（学生实验可以改用50 mL量筒）；普通温度计；秒表。
1.2 实验步骤
（1）用干燥的小烧杯称量3 g锌粉。
（2）准确量取50.0 mL CuSO4溶液，加入量热计，测量溶液的初始温度。
（3）启动秒表，搅拌溶液，在0.5，1，1.5，2分钟时测量并记录溶液的温度。
（4）在2.5分钟时把锌粉迅速倒入溶液，盖好盖子均匀并剧烈搅拌，直到实验完成。
（5）从第3分钟开始，每间隔半分钟记录一次温度；第6分钟开始，每分钟记录一次温度，记录数据见表1。
（1）用移液管量取50.0 mL盐酸到量热计中。
（2）用干燥的小烧杯称量约10 g碳酸氢钠固体。
（3）测量酸溶液的初始温度。启动秒表，在1，1.5，2，2.5分钟时测量并记录溶液的温度。
（4）在第3分钟将碳酸氢钠固体分三次加入溶液并迅速搅拌，直到实验完成。注意不可因太快加入固体使反应混合物溢出量热计，也不可因太慢加入导致热量损失。
（5）从第4分钟开始，继续搅拌并测量混合物的温度。每半分钟记录一次温度，第6分钟开始每分钟记录一次温度。记录数据见表2。
3 测量量热计的比热容
反应释放的热量，除了传递给溶液，还少量传递给量热计。为了提高实验准确度，我们测量量热计的热容并计算出量热计消耗的热量，用于校准上述两个反应的焓变。
3.1 方法和步骤
当热水和冷水在量热计中混合时，根据能量守恒定律，热水释放的热量等于冷水吸收的热量加上量热计吸收的热量。在测量热容时冷热水的总体积等于前面反应焓变实验中溶液的体积。具体操作如下：
（1）用移液管量取25.0 mL蒸馏水到量热计。
（2）用移液管量取25.0 mL蒸馏水到小烧杯。加热烧杯里的水直到水温升高至65～70℃。用普通温度计测水温。
（3）搅拌量热计中的冷水，用精密温度计测量和记录冷水的温度，并将该温度记为初始温度。
（4）启动秒表，每分钟记录一次温度，记录3分钟。
（5）停止加热，搅拌热水。在第4分钟时测量并记录热水的温度，T1= 67.0℃ 。
（6）迅速将热水倒入量热计的冷水中，搅拌但不记录此刻的温度。
（7）在第4.5分钟时记录水温，此后不断搅拌，每半分钟记录一次温度直到记录到9分钟。温度数据见表4。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2007：4～5.
[2][6]李聚源，谢娟，孟梅.“化学反应摩尔焓变的测定”实验的改进[J].化学世界，2003，（8）：444～446.
[3][7][英] R. Norris， L. Ryan and D. Acaster， Cambridge International AS and A Level Chemistry Coursebook， Cambridge University Press， 2011：98～99.
[4][8][10] http：//www.savitapall.com/thermochemistry/labs/enthalpy_of_zinc_and_copper.pdf .
[5][9][11] http：//www.creative-chemistry.org.uk/alevel/module2/ documents/N-ch2-11.pdf .
[12][13][14][15][美] J. A.迪安主编.魏俊发等译.兰氏化学手册（第二版）[M].北京：科学出版社，2003：102～106，144.