化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

2020-06-19  阅读 444 次

连结:过氧化氢分解焓的测定〔III〕

教师手册之二(Teacher’s Guide II)

实验纪录样本

一、 化学示範

1. 写出此示範实验的变化现象。

老师轻轻地打开水壶的壶盖并且立即盖上,随即在壶嘴快速地冒出大量的白色烟雾,并且发出鸣叫声。用手触摸一下水壶感觉很烫。

2. 说明变化现象的化学原理。

这些变化现象是因为双氧水分解放出大量的热量,造成溶液内的水沸腾而冒出大量的白色烟雾,并且温度高达100 ℃,用手触摸一下水壶感觉很烫。

二、 过氧化氢的分解焓

A. 测定热卡计的热容量

● 热水的体积: 25.0 mL,质量: 25.0 g
● 室温水的体积: 25.0 mL,质量: 25.0 g

表一-A  热水的时间与温度之数据
化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati表一-B  室温水的时间与温度之数据
化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

● 转化表一-A和表一-B的实验数据成为图六,并且写出横轴和纵轴的变因和单位,标示刻度,以及画出趋势线,读出Ti和Tf。可用MS-Excel製作图表,列印后贴在图六上。

化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

图六 热水、室温水和混合过程的时间与温度之趋势线

在混合时(tm)热水的温度(Tih): 49.9 ℃(由趋势线的正推而得知)
在混合时(tm)室温水的温度(Tir): 19.3 ℃(由趋势线的正推而得知)
在混合时(tm)温水的温度(Tf): 35.2 ℃(由趋势线的倒推而得知)
在混合时(tm)热水与温水的温度差(Tih – Tf): 14.7 ℃
在混合时(tm)室温水与温水的温度差(Tf – Tir): 15.9 ℃

热水所放出的热量:比热 × 质量 × 温度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 25.0 g × 14.7℃ = 1.54 kJ
室温水所吸收的热量:比热 × 质量 × 温度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 25.0 g × 15.9℃ = 1.66 kJ
卡热计放出的热量:室温水所吸收的热 – 热水所放出的热 = 1.66 kJ – 1.54 kJ = 0.12 kJ
卡热计的热容:卡热计放出的热量 / 卡热计下降的温度 = 0.12 kJ / 14.7℃ = 0.0082 kJ/℃

B. 测定二固体的溶解热

● 碘化钾的质量: 2.0198 g,碳酸钠的质量: 2.0370 g
● 室温水的体积: 50.0 mL,质量: 50.0 g

表二  室温水和溶液混合过程的时间与温度之数据
化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

● 转化表二的实验数据成为图七,并且写出横轴和纵轴的变因和单位,标示刻度,以及画出趋势线,读出Ti和Tf。可用MS-Excel製作图表,列印后贴在图七上。

化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

图七 室温水和溶液混合过程的时间与温度之趋势线

在混合时(tm)室温水的温度(Ti): 18.2 ℃(由趋势线的正推而得知)
在混合时(tm)溶液的温度(Tf): 18.9 ℃(由趋势线的倒推而得知)
在混合时(tm)室温水与溶液的温度差(Tf – Ti): 0.7 ℃

溶液总质量:水的质量 + 二固体的质量 = 50.0 g + 2.0198 g + 2.0370 g = 54.1 g
溶液所吸收的热量:比热 × 质量 × 温度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 54.1 g × 0.7℃ = 0.2 kJ
卡热计所吸收的热量:卡热计的热容 × 温度差 = 0.0082 kJ/℃ × 0.7℃ = 0.006 kJ
二固体的溶解热:-(溶液吸收的热量 + 热计吸收的热量) = -(0.2 kJ + 0.006 kJ) = -0.2 kJ

C. 测定过氧化氢的分解热和二固体的溶解热

● 双氧水的厂牌: 天乾牌 ,用途: 伤口消毒用 ,双氧水的含量: 30 mg H2O2/mL
● 双氧水的体积: 50.0 mL ,质量: 50.8383 g
● 过氧化氢的莫耳质量: 34.0147 g/mol(请到网路搜寻或向老师询问)
● 过氧化氢的分解焓(文献值): -98.1 kJ/mol(请到网路搜寻或向老师询问)
● 碘化钾的质量: 2.0948 g,碳酸钠的质量: 2.0263 g

表三  双氧水和溶液混合过程的时间与温度之数据
化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

● 转化表三的实验数据成为图八,并且写出横轴和纵轴的变因和单位,标示刻度,以及画出趋势线,读出Ti和Tf。可用MS-Excel製作图表,列印后贴在图八上。

化学实验室实验:过氧化氢分解焓的测定(Determinati

图八 双氧水和溶液混合过程的时间与温度之趋势线

在混合时(tm)双氧水的温度(Ti): 18.9 ℃(由趋势线的正推而得知)
在混合时(tm)溶液的温度(Tf): 38.6 ℃(由趋势线的倒推而得知)
在混合时(tm)双氧水与溶液的温度差(Tf – Ti): 19.7 ℃

溶液总质量:双氧水的质量 + 二固体的质量 = 50.8383 g + 2.0948 g + 2.0263 g = 54.9594 g
溶液所吸收的热量:比热 × 质量 × 温度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 54.9594 g × 19.7℃ = 4.53 kJ
卡热计所吸收的热量:卡热计的热容 × 温度差 = 0.0082 kJ/℃ × 19.7℃ = 0.16 kJ
双氧水的分解热与二固体的溶解热之和:
-(溶液所吸收的热量 + 卡热计所吸收的热) = -(4.53 kJ + 0.16 kJ) = -4.69 kJ
双氧水的分解热:
双氧水的分解热与二固体的溶解热之和 – 二固体的溶解热 = -4.69 kJ – (-0.2 kJ) = -4.5 kJ
过氧化氢的莫耳数:
(体积 × 含量) / 莫耳质量 = [50.0 mL × (30. mg/mL) × (1 g/1000 mg)] / 34.0147 g/mol = 0.044 mol
过氧化氢的分解焓(测量值):
双氧水的分解热 / 过氧化氢的莫耳数 = -4.5 kJ / 0.044 mol = -100 kJ/ mol
过氧化氢的分解焓(文献值): -98.1 kJ/mol(请到网路搜寻或向老师询问)
实验误差:
(测量值 – 文献值) / 文献值 × 100% = [-100 kJ/ mol – (-98.1 kJ/mol) / -98.1 kJ/mol] × 100% = -2%

参考答案

1. 从热化学式告诉我们,1 mole的过氧化氢分解焓是-98.1 kJ,而且1 mol H2O2 = 34.0 g H2O2。因此,1.00 g的过氧化氢的分解热 = 1.00 g H2O2 × (1 mol H2O2 / 34.0 g H2O2) × -98.2 kJ / 1 mol H2O2 = -2.89 kJ

2. 根据我的实验结果,一次实验使用过氧化氢的体积为50.0 mL,其分解热为-4.5 kJ。因此,一瓶400 mL的3.0%外用双氧水分解后可放出热量为4.5 kJ × (400 mL / 50.0 mL) = 36 kJ

3. 根据我的实验结果,一次实验使用50.0 mL的3.0%外用双氧水,其分解热为-4.5 kJ。因此,65 mL的30%过氧化氢可放出热量为4.5 kJ × (65 mL / 50.0 mL) × (30% / 3.0%) = 59 kJ。

65 mL的水从20℃到100℃需要的能量为65 mL × (1.00 g/mL) × 0.00418 kJ/g℃ × (100℃ – 20℃) = 27.0 kJ。

100℃水可以沸腾的体积为(59 kJ – 27.0 kJ) / [(1.00 g/mL) × 2,26 J/g] = 32 kJ / (2.26 kJ/mL) = 12 mL。

4. 根据题意,液体水和过氧化氢的标準形成焓之两反应式如下所示:

H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l)    △H0f = -285.8 kJ  [反应式1]H2(g) + O2(g) → H2O2(l)    △H0f = -187.8 kJ  [反应式2]

先翻转[反应式2],然后两反应式相加,即得过氧化氢的分解焓。

H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l)    △H0f = -285.8 kJ  [反应式1]H2O2(l) → H2(g) + O2(g)    △H0f = -187.8 kJ  [反应式2](翻转)
———————————————————————
H2O2(l) → H2O(l) + 1/2O2(g)    △H = -98.0 kJ

因此,过氧化氢分解成为液体水和氧气的分解焓为-98.0 kJ/mol。

5. 根据我的测量值,氧化氢的分解焓为-100 kJ/ mol,文献值为-98.1 kJ/mol,测量值比文献值为低,实验误差为-2%。误差的可能主要来源为假设3.0%外用双氧水以及固体混合物溶液的比热与纯水相同,皆用 0.00418 kJ/g℃。实际上,3.0%外用双氧水以及固体混合物溶液的比热应该比纯水为低。

参考资料和延伸阅读

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