量热法:测出反应焓

用两个泡沫塑料杯、一支温度探头和一根搅拌棒,先标定量热计,再测出中和热、冰袋和暖袋的溶解焓。

难度 ●●○ 约 25 分钟

实验目的 测定一台未知量热计的量热计常数 CcalC_\text{cal},并用它测出 HX++OHX−→HX2O\ce{H+} + \ce{OH-} \mathrel{\ce{->}} \ce{H2O} 的中和焓以及 NHX4NOX3\ce{NH4NO3}、CaClX2\ce{CaCl2} 的溶解焓。
虚拟实验 · 热平衡模型 + 数据记录仪

咖啡杯量热计

qhot=(mcoldc+Ccal) ΔTcoldq_{\text{hot}} = (m_{\text{cold}}c + C_{\text{cal}})\,\Delta T_{\text{cold}}

21.20°C00:00LOG室温 22.0 °C
时间 00:00
探头读数 21.20°C
漏热功率 +0.10 W 总热容 233 J/K
0246810时间 t / min2020.52121.522温度 / °C
  • 记录仪读数(每 5 s)
先记录 1–2 分钟基线,再混合。

实验记录

还没有记录。

计算的部分:一个均匀搅拌的热容 C = C_cal + m·c 与室温交换热量(C·dT/dt = P − h(T − T室)),反应或溶解热按指数规律在混合后释放;温度探头有约 4 s 的响应滞后,读数每 5 s 记录一次、保留 0.01 °C 并带有种子固定的微小噪声。反应焓是由生成焓表算出的无限稀释值(中和 −55.8、硝酸铵 +25.7、氯化钙 −81.3 kJ/mol);溶液按 c = 4.184 J/(g·K)、密度 1.00 g/mL 处理,忽略稀释热与固体本身的热容。示意的部分:杯子、搅拌器和热流箭头的外观。

操作步骤

  1. 选一个量热计编号。实验“标定”:杯中有 50 g 冷水,旁边是 50 g 热水。点“开始记录”,记录约 2 分钟基线后倒入热水,再记录至少 4 分钟。
  2. 勾选“外推到混合时刻”,读出量热计常数,点“写入实验记录”——之后的实验会自动使用这个 CcalC_\text{cal}。
  3. 换成“中和”:50.0 mL 1.00 M HCl 在杯中,50.0 mL 1.00 M NaOH 在量筒里。同样先记录基线,再倒入并继续记录,外推后得到 ΔH。
  4. 依次测“溶解硝酸铵”和“溶解氯化钙”(各 5.00 g 固体溶于 100 g 水)。
  5. 取消“加盖、双层杯”,再测一次氯化钙,比较不外推和外推得到的 ΔH。最后揭晓真实的 CcalC_\text{cal},估算它给结果带来的误差。

注意观察

  • 标定时,混合后的温度总低于两份水的平均温度——“丢掉”的热被杯子吸收了,这就是量热计常数的来源。
  • 中和热约为 −56 kJ/mol,与用哪种强酸、强碱无关:真正发生的反应只有 H⁺ + OH⁻ → H₂O。
  • 固体溶解要几十秒,温度曲线的最高(低)点来得晚;这段时间里漏热已经让读数偏离,外推把它找回来。
  • 不加盖时漏热快得多:直接读极值得到的 ΔH 误差可达 5–10 %,外推后仍在 1 % 左右。

真实实验室

  • 佩戴护目镜;1 M NaOH 有腐蚀性。无水氯化钙溶解会剧烈放热,要边加边搅拌。
  • 两种溶液混合前要分别测温,并让它们在同一个房间里放置到温度相近。
  • 真实溶液的比热容和密度与水略有不同,稀释热也不为零;这些会带来 1–3 % 的系统误差,本模拟按水处理。
  • 硝酸铵是强氧化剂,不要与可燃物混放;实验后的溶液按学校规定处理。

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