Două substanțe, un acid, un calorimeter și o întrebare căreia un singur experiment nu îi poate da răspunsul: câtă energie este eliberată atunci când magneziul arde în oxigen? Magneziul arde mult prea violent și mult prea strălucitor pentru a fi măsurat direct într-un calorimeter școlar, iar reacția nu poate fi determinată să se producă lent într-un pahar de laborator cu apă. Soluția la această problemă este trucul standard al termochimiei — se măsoară două reacții care cutie să fie efectuate în siguranță, apoi să fie combinate aritmetic pentru a o găsi pe cea care nu poate fi realizată astfel. Aceasta este legea lui Hess: deoarece entalpia este o funcție de stare, variația de energie între două stări nu depinde de calea urmată între ele, astfel încât o reacție a cărei măsurare este imposibilă poate fi alcătuită din reacții ușor de măsurat.
Cele două reacții ușoare sunt cele efectuate aici. Metalul de magneziu se dizolvă în acid clorhidric, dând hidrogen și o soluție de clorură de magneziu; oxidul de magneziu se dizolvă în același acid, dând aceeași soluție și apă în loc de hidrogen. Ambele sunt exoterme, ambele se finalizează în câteva minute și ambele sunt sigure într-un vas închis cu acid diluat. Scăzând una din cealaltă și adăugând entalpia cunoscută de formare a apei lichide, se obține exact combustia magneziului. În acest laborator veți rula ambele reacții pe rând în același calorimetru cu 100 mL de acid clorhidric 1 mol/L, veți înregistra temperatura înainte și după fiecare și veți urmări ambele pe același grafic temperatură-în-funcție-de-timp — ceea ce face vizibil și al doilea punct al laboratorului, acela că două reacții între aceleași elemente pot elibera cantități foarte diferite de energie la rate foarte diferite.
Obiective educaționale
Familiarizarea cu standul de calorimetrie
- Identificați calorimetrul, capacul acestuia cu orificii pentruagitator și termometru, balanța, cilindrul gradat și tableta și precizați ce contribuție aduce fiecare la o determinare.
- Se recunoaște că același aparat este folosit de două ori, astfel încât orice imperfecțiune a vasului afectează ambele experimente în mod egal și se anulează în mare măsură atunci când cele două sunt scăzute.
Executarea curată a unei măsurători repetate
- Goliți, clătiți și răciți calorimetrul între teste și explicați de ce fiecare dintre these trei pași este necesar înainte ca a doua reacție să poată fi începută.
- Confirmați că a doua rulare începe de la aceeași temperatură de pornire ca și prima, în loc să o presupuneți.
Două reacții ale aceluiași metal
- Scrieți și egalizați ambele ecuații, Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) și MgO(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2O(l), și să se identifice ce este asemănător și ce este diferit la produse.
- Explicați de ce numai prima reacție produce un gaz și ce înseamnă acest lucru pentru manipularea unui calorimetru închis.
Măsurătoare calorimetrică
- Aplică q = salutΔT pentru fiecare probă și se împarte la cantitatea de reactiv limitativ pentru a obține două entalpii molare.
- Arătați prin calcul că acidul este în exces în ambele experimente, astfel încât metalul și oxidul sunt cele care limitează fiecare reacție.
Legea lui Hess
- Enunțați legea lui Hess și descrieți ciclul care leagă cele două reacții măsurate și formarea apei de formarea oxidului de magneziu.
- Combinați cele trei entalpii cu semnele corecte pentru a obține o valoare pentru o reacție care nu a fost niciodată efectuată.
Compararea ratelor, precum și a energiilor
- Citește două curbe pe un singur set de axe și compară atât înălțimea atinsă, cât și panta urcării.
- Explicați de ce reacția mai exotermă este și cea mai rapidă aici și identificați factorii – dimensiunea particulelor, solubilitatea, mecanismul – care determină acest lucru.
Evaluare critică a rezultatului
- Comparați valoarea obținută cu entalpia de formare publicată a oxidului de magneziu și exprimați diferența ca procent.
- Identificați care dintre cele două rulări contribuie cel mai mult la eroare și spuneți ce ar trebui modificat pentru a o reduce.
Protocol
- Măsurați 100 ml de acid clorhidric (HCl) 1 M folosind cilindrul gradat.
- Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
- Pune capacul calorimetrului.
- Introduceți termometrul în gaura capacului.
- Cântăriți o bucată mică de magneziu (Mg) sub formă de panglică (aproximativ 0,5 g) folosind balanța.
- Deschide capacul și așează bucata de magneziu în calorimetru și închide-l din nou cât mai repede posibil.
- Activează cronometrul.
- Activați agitatorul calorimetrului apăsând butonul verde de pe capac.
- Observați cu atenție evoluția temperaturii în tabelul de rezultate.
- Așteaptă aproximativ 3 minute sau până când temperatura nu mai crește.
- Oprește cronometrul.
- Resetează cronometrul apăsând butonul Reset.
- Opriți agitatorul apăsând butonul roșu. Scoateți termometrul apoi scoateți capacul calorimetrului.
- Vărsați conținutul lichid al calorimetrului în recipientul negru de deșeuri. Scoateți bucata de bandă de magneziu cu ajutorul pensetei.
- Clătiți calorimetrul, termometrul și agitatorul cu apă distilată.
- Lasă calorimetrul să se răcească timp de aproximativ 30 de secunde.
- Repetați pașii de la 1 la 11 cu aproximativ 1 g de oxid de magneziu sub formă de bucăți.
Reacția este accelerată de 10 ori, pentru a observa mai ușor reacția completă.
Rezultate anticipate
Ambele experimente încălzesc acidul și ambele se stabilizează în aproximativ trei minute, dar nu sunt la fel: bandă de magneziu efervesce puternic pe măsură ce se degajă hidrogen și duce la creșterea bruscă a temperaturii, în timp ce oxidul de magneziu se dizolvă liniștit, fără niciun gaz, și produce o creștere mai mică și mai blândă. Pe graficul tabletei, cele două apar împreună, metalul fiind curba superioară, iar oxidul cea inferioară. Acestea sunt citirile luate de la propriul termometru al simulării în timpul rulării de referință:
| Aleragă | Solid adăugat | Inițial T | Final T | ΔT | Gaz degajat |
|---|---|---|---|---|---|
| Partea 1 | Bandă de magneziu, aproximativ 0,5 g | 22 °C | 37 °C | 15 °C | Hidrogen, viguros |
| Partea 2 | Oxid de magneziu, aproximativ 1 g | 22 °C | 27 °C | 5 °C | Niciunul |
Ambele reacții au acidul în exces, astfel încât solidul este cel care le limitează. 100 mL de acid de 1 mol/L reprezintă 0,100 mol de HCl. Partea 1 folosește 0,5 / 24,305 = 2,06 × 10−2 moli de magneziu, care consumă 4,1 × 10−2 moli de acid; Partea 2 folosește 1,00 / 40,30 = 2,48 × 10−2 moli de oxid de magneziu, care consumă 5,0 × 10−2 Amândouă lăsând mai mult de jumătate din acid nereacționat, ceea ce reprezintă modul corect de proiectare a experimentului: garantează că fiecare particulă de solid se dizolvă și că căldura măsurată corespunde unei cantități cunoscute de substanță.
Transformarea fiecărei creșteri de temperatură într-o entalpie molară. Luând 100 mL de acid diluat ca fiind 100 g de lichid cu capacitatea termică specifică a apei, 4,18 J g−1 °C−1:
| Pas | Partea 1 — magneziu | Partea a 2-a — oxid de magneziu |
|---|---|---|
| Cantitatea de substanță solidă, n = m/M | 0,5 / 24,305 = 2,06 × 10−2 mol | 1,00 / 40,30 = 2,48 × 10−2 mol |
| Căldură eliberată, q = salutΔT | 100 × 4,18 × 15 = 6,27 kJ | 100 × 4,18 × 5 = 2,09 kJ |
| Entalpie molară, ΔH = −q/n | −305 kJ/mol | −84 kJ/mol |
| Valoarea în jurul căreia a fost scrisă pagina | −440 kJ/mol | −150 kJ/mol |
| Valoare publicată | −466,9 kJ/mol | −151,1 kJ/mol |
Legea lui Hess, pentru care sunt cele două experimente. Scrieți cele două reacții măsurate și formarea apei: (1) Mg(s) + 2 H+(aq) → Mg2+(aq) + H2(g), ΔH1; (2) MgO(s) + 2 H+(aq) → Mg2+(aq) + H2O(l), ΔH2; (3) H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l), ΔH3 = −285,8 kJ/mol. Inversarea ecuației (2) și adunarea ei la (1) și (3) anulează ionul de magneziu, protonii, apa și hidrogenul, lăsând Mg(s) + ½ O2(g) → MgO(s). Prin urmare, ΔHf(MgO) = ΔH1 − ΔH2 + ΔH3. Cu entalpiile publicate, care sunt −466,9 − (−151,1) + (−285,8) = −601,6 kJ/mol, adică exact entalpia tabulată a formării oxidului de magneziu — ciclul se închide exact, și acesta este rezultatul pe care laboratorul există pentru a-l reproduce.
De ce metalul îl bate pe oxid cu atât de mult. Ambele reacții se încheie cu același ion de magneziu apos, așa că diferența dintre ele este în întregime o diferență între reactanții inițiali. În oxidul de magneziu, magneziul a fost deja oxidat: electronii săi sunt deja cedați, energia rețelei cristalline a MgO (de aproximativ −3795 kJ/mol) a fost deja eliberată, iar dizolvarea sa în acid nu face altceva decât să înlocuiască ionul de oxid cu două molecule de apă. În magneziul metalic, cei doi electroni de valență sunt încă acolo pentru a fi pierduți, iar pierderea lor în fața protonilor din acid este sursa energiei. Reacția oxidului este o neutralizare acid-bază; reacția metalului este o reacție redox. Aceasta este singura propoziție pe care un elev ar trebui să o rețină și este motivul pentru care diferența este de un factor de trei, și nu de câteva procente.
Tarifele difă și ele, din motive diferite. Curba metalului urcă mai abrupți și își atinge platoul mai devreme. Trei lucruri contribuie la aceasta: reacția metalului este mai exotermă pe mol, așa că își încălzește propriul mediu mai repede și factorul Arrhenius îi este favorabil; bulele de hidrogen se formează pe bandă și agită lichidul la suprafață acolo unde contează, expunând în mod continuu metal proaspăt; iar oxidul este adăugat “în bucăți”, așa că prezintă mai puțină suprafață per gram decât o bandă subțire. Rețineți că ultimul dintre acestea este o alegere experimentală, nu o proprietate a substanțelor — oxidul de magneziu măcinat ar reacționa mai repede decât bucățile, exact cum demonstrează laboratoarele 061 și 062 pentru alte solide — așa că un elev nu ar trebui să tragă concluzia că oxidul este în mod intrinsec reactivul mai lent.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Concentrare: Compararea a două reacții exoterme ale aceluiași element.
Activități: Înregistrați temperatura inițială și finală pentru fiecare măsurătoare și precizați cele două creșteri. Descrieți cele două reacții în cuvinte, menționând că una produce un gaz, iar cealaltă nu, și spuneți cum le-ați putea deosebi cu ochii închiși. Scrieți ambele ecuații echilibrate. Citiți cele două curbe de pe graful tabletei și spuneți care reacție a eliberat mai multă energie și care s-a terminat mai devreme. Explicați de ce calorimetrul trebuie golit, clătit și răcit înainte de a doua măsurătoare și ce nu ar fi în regulă dacă nu s-ar face acest lucru.
Clasa a XI-a
Concentrare: Calorimetria cantitativă a două reacții și motivul pentru care acestea diferă.
Activități: Calculează cantitatea de magneziu și de oxid de magneziu și arată, prin comparație cu cei 0,100 mol de acid disponibili, că substanța solidă este reactivul limitativ în ambele probe. Aplică q = salutΔT la fiecare etapă cu substituția scrisă, apoi obțineți ambele entalpii molare. Explicați în funcție de stările de oxidare de ce metalul elibera aproximativ de trei ori mai multă energie pe mol decât oxidul și identificați o reacție ca fiind redox, iar cealaltă ca fiind de neutralizare. Calculați volumul de hidrogen produs în Partea 1 și comentați cu privire la efectuarea acestui lucru în interiorul unui calorimeter închis.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Concentrare: Legea lui Hess, propagarea erorilor și credibilitatea unui rezultat derivat.
Activități: Prezentați în mod explicit ciclul în trei pași, cu fiecare ecuație inversată sau păstrată după cum este necesar, și arătați care specii se anulează. Combinați entalpiile pentru a obține entalpia de formare a oxidului de magneziu, mai întâi din valorile măsurate și apoi din cele publicate, și comparați-le pe ambele cu valoarea tabelată de −601,6 kJ/mol. Proiectați etalonarea care ar oferi capacitatea calorică a calorimetrului. În cele din urmă, explicați de ce acest ciclu reprezintă calea standard de obținere a unei entalpii de combustie care nu poate fi măsurată direct și numiți o altă mărime obținută în același mod.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Calorimetru cu capac izolant, orificiu pentru termometru și agitator încorporat (buton verde pentru pornire, roșu pentru oprire)
- Termometru, introdus prin capac (afișează grade Celsius întregi)
- Cântar electronic
- Cilindru gradat, 100 mL, pentru măsurarea acidului
- Cronometru, cu un buton de resetare, folosit o dată pentru fiecare cursă
- Clește, pentru ridicarea panglicii nereacționate din calorimetru
- Spatulă
- Pahar Berzelius (1000 mL) și recipient negru de recuperare, pentru acidul uzat și apele de clătire
- Sticlă de spălare cu apă distilată, pentru clătirea calorimeterului, termometrului și a agitatorului între teste
- Tabletă, pentru protocol, tabelul cu rezultate și graful temperatură-în-funcție-de-timp
Produse
- HCl 1 mol/L (soluție), 100 mL pentru fiecare dintre cele două probe
- Magneziu (bandă), aproximativ 0,5 g
- Oxid de magneziu (în bucăți), aproximativ 1 g
- Apă distilată, pentru clătire