化学反应摩尔焓变的测定” 实验的改进 李聚源谢娟孟梅 西安石油学院石油化工系
“化学反应摩尔焓变的测定” 实验的改进 李聚源 谢 娟 孟 梅 西安石油学院石油化工系
摘要 本实验提出了一套改进的“化学反应摩尔焓变测 定”实验的方法与仪器。改进的实验仪器选用热传导 系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为原料制成量热计,并 在盖上设计了小型加料器;采用磁力搅拌器混合溶液, 以数字式温度计测温,可在两小时内完成锌粉与硫酸 铜溶液反应的摩尔焓变和量热计热容的测定。获得的 实验数据重现性好,温度随时间变化有较好的线性关 系。十次测定结果的相对标准偏差为0.58%,所测定 的摩尔焓变与理论值的相对误差为2.0%
摘 要 本实验提出了一套改进的“化学反应摩尔焓变测 定”实验的方法与仪器。改进的实验仪器选用热传导 系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为原料制成量热计，并 在盖上设计了小型加料器；采用磁力搅拌器混合溶液， 以数字式温度计测温，可在两小时内完成锌粉与硫酸 铜溶液反应的摩尔焓变和量热计热容的测定。获得的 实验数据重现性好，温度随时间变化有较好的线性关 系。十次测定结果的相对标准偏差为0.58%，所测定 的摩尔焓变与理论值的相对误差为2.0%
1引言 N化学反应热的测定”是普通化学和无机化学课程实 验教学基本要求中规定的实验内容。一般用“化学反 应摩尔焓变的测定”作为实验项目[1,2,3],即采用定量 的硫酸铜溶液与过量的锌粉在保温杯中反应,以外推 作图法求得反应的ΔT来计算反应的摩尔焓变。该实验 的原理和方法已为大家公认,在多年来的教学实践中, 大多数院校[3,456]采用一只保温杯和一支精密温度计 (具有0.1C分度)、放大镜、秒表等来完成该实验 但是大部分学生的实验结果表明,这种操作难以
1 引言 “化学反应热的测定”是普通化学和无机化学课程实 验教学基本要求中规定的实验内容。一般用“化学反 应摩尔焓变的测定”作为实验项目[1,2,3]，即采用定量 的硫酸铜溶液与过量的锌粉在保温杯中反应，以外推 作图法求得反应的ΔT来计算反应的摩尔焓变。该实验 的原理和方法已为大家公认，在多年来的教学实践中， 大多数院校[3,4,5,6]采用一只保温杯和一支精密温度计 （具有0.1℃分度）、放大镜、秒表等来完成该实验。 但是大部分学生的实验结果表明，这种操作难以
获得满意的实验结果,所测定的实验数据点几乎无法外推, 反应温度随反应时间变化的关系线性较差,实验结果与理 论值的相对误差超过10%,甚至更大。作为测定实验已无 法使学生获得实验的科学性、可靠性和准确性的训练。因 此,有必要改进实验仪器及方法。针对这一问题,我们自 行设计制作了一套实验装置,通过多次试验,获得了较为 理想的实验结果
获得满意的实验结果，所测定的实验数据点几乎无法外推， 反应温度随反应时间变化的关系线性较差，实验结果与理 论值的相对误差超过10%，甚至更大。作为测定实验已无 法使学生获得实验的科学性、可靠性和准确性的训练。因 此，有必要改进实验仪器及方法。针对这一问题，我们自 行设计制作了一套实验装置，通过多次试验，获得了较为 理想的实验结果
2实验装置的改进及实验条件方法的确定 2.1量热计的改进 玻璃保温杯是理想的绝热系统,为了使反应充分 进行,可配以磁力搅拌器。但由于玻璃保温杯底部是 凹球底结构,一旦加入锌粉,迅速沉到底部的锌粉会 使搅拌子无法转动,容易导致实验失败。因此,我们 以热传导系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为材料制成平 底的量热计反应杯(图1所示)。为尽量减少热损失, 采用镀银及泡沫塑料包覆,使其接近绝热系统
2 实验装置的改进及实验条件方法的确定 2.1 量热计的改进 玻璃保温杯是理想的绝热系统，为了使反应充分 进行，可配以磁力搅拌器。但由于玻璃保温杯底部是 凹球底结构，一旦加入锌粉，迅速沉到底部的锌粉会 使搅拌子无法转动，容易导致实验失败。因此，我们 以热传导系数较小的聚甲基丙烯酸甲酯为材料制成平 底的量热计反应杯（图1所示）。为尽量减少热损失， 采用镀银及泡沫塑料包覆，使其接近绝热系统
图1改进的量热计 加料器 加水口 温度传感器 数显温度计 搅拌子
搅拌子 加水口 温度传感器 数显温度计 加料器 图1 改进的量热计
改进后的量热计采用磁力搅拌器后,两相反应能 够充分进行,锌粉与硫酸铜溶液反应后溶液温度迅速 升高,我们选用数字式温度计(可准确读至01 0~100%C),获得了可靠的实验数据,避免了以前用 放大镜读取玻璃温度计的数值时造成很大的误差 以往锌粉是在测定了起始反应温度后,打开瓶盖 迅速加入的。为了尽量保证系统不与环境发生热交换。 我们在量热计盖子上设计了小型加料器,可以在不间 断测温条件下,一次性加入锌粉,减少了系统热量的 损失
改进后的量热计采用磁力搅拌器后，两相反应能 够充分进行，锌粉与硫酸铜溶液反应后溶液温度迅速 升高，我们选用数字式温度计（可准确读至0.1℃， 0～100℃），获得了可靠的实验数据，避免了以前用 放大镜读取玻璃温度计的数值时造成很大的误差. 以往锌粉是在测定了起始反应温度后，打开瓶盖 迅速加入的。为了尽量保证系统不与环境发生热交换。 我们在量热计盖子上设计了小型加料器，可以在不间 断测温条件下，一次性加入锌粉，减少了系统热量的 损失
2.2锌粉加入量的确定 锌粉的最佳加入量可以由实验 △T 结果得出,如图2所示。由反应式 Zn+cuso =znso,+cu 9.8 可以计算出锌粉的理论反应量为 13g。但锌粉加入量从1.3~2.8g, 反应的ΔT一直升高,当锌粉加入94 量为28g(为理论量的2.15倍)时, 在本实验条件下,反应温度在1分 钟内迅速升高9.6°C(最高值)。 9.0 这是因为多相反应中,反应物的浓 度越大,分子间碰撞频率越高,反 应速率也越大。到达最高值后,由 0.5 3.0 ZI 于溶液中硫酸铜的物质的量固定不 变,随着锌粉加入量的增加,ΔT 值保持不变,因此实验选择锌粉加图2锌粉加入量与反应AT的关系 入量为29g3.1g
2.2 锌粉加入量的确定 n 锌粉的最佳加入量可以由实验 结果得出，如图2所示。由反应式 n Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu n 可以计算出锌粉的理论反应量为 1.3g。但锌粉加入量从1.3～2.8g， 反应的ΔT一直升高，当锌粉加入 量为2.8g（为理论量的2.15倍）时， 在本实验条件下，反应温度在1分 钟内迅速升高9.6℃（最高值）。 这是因为多相反应中，反应物的浓 度越大，分子间碰撞频率越高，反 应速率也越大。到达最高值后，由 于溶液中硫酸铜的物质的量固定不 变，随着锌粉加入量的增加，ΔT 值保持不变，因此实验选择锌粉加 入量为2.9g～3.1g。 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 △ △ △ △ △ △ △ △△ △ g/Zn 9.8 9.4 9.0 ΔT 图2 锌粉加入量与反应ΔT的关系
23温度记录时间的确定 为了获取比较理想的反 应温度随时间变化的曲线 实验表明,测定起始温度以 每隔10-15s读取一次温度, 较为合适;加入锌粉后至溶 液升至最高温度期间,以每 隔3~4s记录一次反应温度。 时间间隔过大,反应温度到 达最高值时的实验点太少; 时间间隔过小,又难以测准 此后按每隔20s一次继续读m 取反应温度,即可获得比较 理想的反应曲线,如图3所图3反应温度随时间的关系 小
2.3 温度记录时间的确定 n 为了获取比较理想的反 应温度随时间变化的曲线， 实验表明，测定起始温度以 每隔10-15s读取一次温度， 较为合适；加入锌粉后至溶 液升至最高温度期间，以每 隔3~4 s记录一次反应温度。 时间间隔过大，反应温度到 达最高值时的实验点太少； 时间间隔过小，又难以测准。 此后按每隔20 s 一次继续读 取反应温度，即可获得比较 理想的反应曲线，如图3所 示。 图3 反应温度随时间的关系
24量热计热容的测定 量热计的热容可利用一定量的冷水和热水在量热计中混合,根据能 量守恒定律,热水放出的热量等于冷水吸收的热量和量热计吸收的热量 之和。即 CTh-TmVhp(H2O)C(H2O)=(Tm-TC VC P(H2O) C(H2O)+Cb)(1) 式中:Th、Tm、T分别表示热水、混合后的水和冷水的温度(K) Vn、V——分别表示热水、泠水的体积(mL) p(H2O)-水的密度,可取100gmL; c(H2O)—水的比热容,可取418Jg1K1 量热计的热容(JK1)。 利用外推作图法得到T、Tm、T代入(1)式可求出Cb
2.4 量热计热容的测定 量热计的热容可利用一定量的冷水和热水在量热计中混合，根据能 量守恒定律，热水放出的热量等于冷水吸收的热量和量热计吸收的热量 之和。即 (Th-Tm) Vh ·ρ(H2O)·c(H2O)=(Tm-Tc)·{Vc·ρ(H2O)·c(H2O)+Cb} （1） 式中：T h、Tm、Tc——分别表示热水、混合后的水和冷水的温度( K)； Vh、Vc ——分别表示热水、冷水的体积 ( mL ); ρ(H2O) ——水的密度，可取1.00g/mL; c(H2O)——水的比热容，可取4.18·J·g-1·K-1; Cb—— 量热计的热容(J·K-1)。 利用外推作图法得到Th、Tm、Tc代入（1）式可求出Cb