ВИЗНАЧАЄМО НЕБЕЗПЕКИ ТА ОЦІНЮЄМО РИЗИКИ
Які небезпечні та проблемні ситуації можуть виникнути під час роботи з названими речовинами та обладнанням?
Під час роботи з натрій гідроксидом існує високий ризик отримання хімічних опіків шкіри та слизових оболонок очей через агресивність цієї луги. Використання солей важких металів, зокрема купрум(II) сульфату, може спричинити подразнення шкіри або отруєння при випадковому потраплянні всередину. Робота зі скляним лабораторним посудом та термометрами створює ризик порізів у разі їхнього пошкодження. Також можливе значне розігрівання розчину (наприклад, при розчиненні натрій гідроксиду чи кальцій хлориду), що може призвести до термічних опіків при необережному поводженні.
Якими мають бути ваші дії в разі небезпеки?
У разі потрапляння будь-якої хімічної речовини на шкіру або в очі необхідно негайно промити уражене місце великою кількістю проточної холодної води протягом 10–15 хвилин. Про будь-яку небезпечну ситуацію, розлиття реактивів або пошкодження обладнання слід невідкладно повідомити вчителя. Якщо на шкіру потрапив розчин лугу, після промивання водою місце опіку можна обробити слабким розчином ботної або оцтової кислоти за вказівкою вчителя. При порізах склом необхідно видалити залишки скла (якщо це безпечно) та обробити рану згідно з правилами надання першої допомоги.
ЕТАПИ РОБОТИ
1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.
Метою дослідження є експериментальне визначення зміни температури під час розчинення певної речовини у воді та обчислення молярного теплового ефекту ($\Delta H$) цього процесу для встановлення його екзотермічного або ендотермічного характеру.
3. Уточніть необхідне обладнання, зважаючи на завдання експерименту.
Для виконання експерименту необхідні: калориметр (або два пластикові стакани з термоізоляційним шаром пінопласту), термометр із ціною поділки 0,1 °C або 0,5 °C, електронні терези з точністю до 0,01 г, мірний циліндр об’ємом 100 мл, скляна паличка або магнітна мішалка для перемішування розчину, шпатель для набирання твердих речовин, годинник із секундною стрілкою або секундомір.
4. Складіть план експерименту для визначення кількості виділеної або поглинутої теплоти під час розчинення, зважаючи на мету дослідження та коментар щодо обчислення кількості теплоти (п. 2).
План експерименту:
- За допомогою мірного циліндра відміряти певний об’єм дистильованої води (наприклад, 100 мл, що відповідає масі 100 г) і перелити її в калориметр.
- Помістити термометр у воду, зачекати стабілізації показів і зафіксувати початкову температуру системи ($t_1$).
- Зважити на електронних терезах точну порцію досліджуваної твердої речовини ($m_{\text{речовини}}$).
- Висипати наважку речовини в калориметр, швидко закрити його кришкою та почати безперервне перемішування розчину паличкою.
- Спостерігати за зміною показів термометра та зафіксувати максимальне (для екзотермічних процесів) або мінімальне (для ендотермічних процесів) значення температури ($t_2$).
- Визначити зміну температури за формулою $\Delta t = t_2 – t_1$.
- Розрахувати загальну масу отриманого розчину ($m = m_{\text{води}} + m_{\text{речовини}}$).
- Обчислити кількість виділеної або поглинутої теплоти за формулою $Q = C \cdot m \cdot \Delta t$.
ЕТАПИ РОБОТИ
5. Виконайте експеримент відповідно до складеного плану. Результати оформте у вигляді таблиці.
Для проведення дослідження було обрано амоній нітрат ($NH_4NO_3$). У калориметр налили 100 мл дистильованої води та розчинили в ній 8 г солі. Результати вимірювань занесено до таблиці.
| Параметр дослідження | Значення |
|---|---|
| Назва розчиненої речовини | Амоній нітрат ($NH_4NO_3$) |
| Маса води, $m_{\text{води}}$ (г) | 100 |
| Маса наважки солі, $m_{\text{солі}}$ (г) | 8 |
| Маса отриманого розчину, $m$ (г) | 108 |
| Початкова температура води, $t_1$ ($^\circ\text{C}$) | 20,0 |
| Кінцева температура розчину, $t_2$ ($^\circ\text{C}$) | 14,5 |
| Зміна температури, $\Delta t$ ($^\circ\text{C}$) | -5,5 |
6. Обчисліть кількість виділеної / поглинутої теплоти.
Відомо:
- $m = 108\text{ г}$
- $C = 4{,}18\text{ Дж/}(\text{г} \cdot \text{К})$
- $\Delta t = -5{,}5\text{ К}$ (зміна температури в градусах Цельсія дорівнює зміні в Кельвінах)
Знайти:
- $Q – ?$
Розв’язання:
$Q = C \cdot m \cdot \Delta t$
$Q = 4{,}18 \cdot 108 \cdot (-5{,}5) = -2482{,}92\text{ Дж}$
Відповідь: під час розчинення поглинулося 2482,92 Дж теплоти (знак «мінус» вказує на охолодження розчину).
7. Обчисліть молярний тепловий ефект за формулою: $\Delta H = -Q / n(\text{розчиненої речовини})$
Відомо:
- $Q = -2482{,}92\text{ Дж}$
- $m_{\text{солі}} = 8\text{ г}$
- $M(NH_4NO_3) = 80\text{ г/моль}$
Знайти:
- $\Delta H – ?$
Розв’язання:
$n = \dfrac{m}{M}$
$n(NH_4NO_3) = \dfrac{8}{80} = 0{,}1\text{ моль}$
$\Delta H = \dfrac{-Q}{n}$
$\Delta H = \dfrac{-(-2482{,}92)}{0{,}1} = 24829{,}2\text{ Дж/моль} \approx 24{,}83\text{ кДж/моль}$
Відповідь: молярний тепловий ефект розчинення амоній нітрату становить 24,83 кДж/моль.
8. Запропонуйте тип діаграми та використайте її для ілюстрації результатів дослідження вашої групи й інших груп вашого класу.
Для ілюстрації результатів найкраще підходить стовпчаста діаграма, оскільки вона дозволяє наочно порівняти величину та знак (виділення чи поглинання енергії) теплових ефектів для різних речовин.
graph TD
subgraph "Молярний тепловий ефект розчинення (кДж/моль)"
A[NH4NO3: +24.8] --- B[KNO3: +34.9]
B --- C[NaOH: -44.5]
C --- D[CaCl2: -82.7]
end
style A fill:#3498db,stroke:#333,stroke-width:2px
style B fill:#3498db,stroke:#333,stroke-width:2px
style C fill:#e74c3c,stroke:#333,stroke-width:2px
style D fill:#e74c3c,stroke:#333,stroke-width:2px
9. За результатами дослідження зробіть висновки.
Розчинення речовин є фізико-хімічним процесом, який супроводжується тепловим ефектом — виділенням або поглинанням теплоти. Експериментально встановлено, що при розчиненні амоній нітрату температура розчину знижується, що свідчить про ендотермічний характер процесу ($\Delta H > 0$). Отримане значення молярної ентальпії розчинення підтверджує, що енергія, витрачена на руйнування кристалічної ґратки солі, перевищує енергію, яка виділяється під час гідратації йонів. На основі порівняння результатів різних груп можна зробити висновок, що солі амонію та нітрати зазвичай розчиняються з поглинанням тепла, тоді як розчинення лугів та безводних хлоридів (наприклад, кальцій хлориду) є екзотермічним процесом.
ДЛЯ ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ РОБОТИ ОБГОВОРІТЬ ПИТАННЯ
1. Чи можна сформулювати принцип: під час розчинення яких солей теплота виділяється, а яких — поглинається?
Принцип визначається співвідношенням енергії, що витрачається на руйнування кристалічних ґраток солі, та енергії, що виділяється під час гідратації її йонів. Теплота виділяється (екзотермічний процес), якщо енергія гідратації перевищує енергію руйнування ґраток, що характерно для багатьох безводних солей, як-от кальцій хлорид. Теплота поглинається (ендотермічний процес), коли енергія руйнування кристалічних ґраток більша за енергію гідратації, що часто спостерігається при розчиненні нітратів або солей амонію.
2. Чому у формулі для обчислення теплоти використовують масу всього розчину, а не лише води чи розчиненої речовини? Як це впливає на точність розрахунків?
Масу всього розчину використовують тому, що в процесі теплообміну бере участь уся система, і зміна температури фіксується для всього об’єму утвореної суміші. Врахування маси обох компонентів підвищує точність розрахунків, оскільки ігнорування маси розчиненої речовини призведе до похибки у визначенні загальної теплоємності системи.
3. Як ви вважаєте, чи зміниться температура розчину, якщо змінити масу розчиненої речовини, але залишити таку саму масу води?
Зміна маси розчиненої речовини призведе до зміни кінцевої температури розчину. Оскільки кількість виділеної або поглинутої теплоти прямо пропорційна кількості речовини, збільшення маси солі спричинить суттєвішу зміну температури (за умови, що речовина розчиниться повністю).
4. Які похибки можуть виникнути під час виконання цього експерименту? Як їх можна уникнути або зменшити?
Основними похибками є втрата теплоти через стінки стакана в навколишнє середовище, похибка вимірювальних приладів (термометра, терезів) та неповне розчинення речовини. Для їх зменшення слід використовувати калориметр або ретельну термоізоляцію (пінопласт), застосовувати точні електронні прилади та інтенсивно перемішувати розчин до повного зникнення кристалів.
5. Чи використовують у побуті розчинення солей із виділенням теплоти?
Розчинення солей із виділенням теплоти використовують у виробництві хімічних грілок, самопідігрівних пакетів для їжі та напоїв, а також у деяких промислових процесах, де необхідне швидке підвищення температури без використання зовнішніх джерел енергії.
6. Чи впливатиме температура початкової води на кількість теплоти, яка виділяється або поглинається? Обґрунтуйте свою думку.
Температура початкової води практично не впливає на загальну кількість теплоти, що виділяється або поглинається під час розчинення фіксованої кількості речовини, оскільки тепловий ефект реакції визначається насамперед внутрішньою енергією речовин та міцністю їхніх кристалічних ґраток. Проте температура впливає на швидкість розчинення та розчинність речовини, що може опосередковано змінити кінцевий результат, якщо речовина розчиниться не повністю.
7. Сформулюйте гіпотезу для пояснення чинників, від яких залежить тепловий ефект розчинення.
Тепловий ефект розчинення залежить від співвідношення між енергією, що витрачається на руйнування кристалічних ґраток речовини (ендотермічний процес), та енергією, що виділяється внаслідок взаємодії частинок речовини з молекулами розчинника — гідратації (екзотермічний процес).
8. Чому саме воду використовують як розчинник для таких експериментів? Чи можна було б використати інший розчинник? Чи змінився би результат експерименту?
Воду використовують через її високу полярність, здатність розчиняти широке коло речовин та велику питому теплоємність, яка дозволяє стабільно фіксувати зміну температури. Інший розчинник використати можна, якщо досліджувана речовина в ньому розчинна, проте результат експерименту зміниться, оскільки енергія взаємодії частинок речовини з молекулами іншого розчинника (сольватація) буде відрізнятися від енергії гідратації.