温度计实际测量的是甚么?
将等体积的盐酸和氢氧化钠溶液混合,温度就会上升。没有任何物质在燃烧,也没有火焰,但化学能显然已经转移到某个地方。 继续阅读之前,先预测一下:如果溶液变热,中和反应的焓变应该是正值还是负值? 答案是负值。反应系统以热的形式失去能量,而溶液和量热器则吸收这些能量。温度计记录的是周围环境的温度上升;我们再根据这个变化,反向推算反应释放了多少能量。 听起来很简单。真正困难的地方,是要清楚区分三个概念:溶液
将等体积的盐酸和氢氧化钠溶液混合,温度就会上升。没有任何物质在燃烧,也没有火焰,但化学能显然已经转移到某个地方。
继续阅读之前,先预测一下:如果溶液变热,中和反应的焓变应该是正值还是负值?
答案是负值。反应系统以热的形式失去能量,而溶液和量热器则吸收这些能量。温度计记录的是周围环境的温度上升;我们再根据这个变化,反向推算反应释放了多少能量。
听起来很简单。真正困难的地方,是要清楚区分三个概念:溶液吸收了多少热量、实际有多少莫耳的物质参与反应,以及反应焓变应该使用甚么正负号。
01温度计实际测量的是甚么?
想像在一个隔热杯中混合酸和碱。从粒子层面来看,氢离子与氢氧根离子反应生成水:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
生成物的焓低于反应物。两者之间的能量差会转移到周围环境,主要是溶液。
温度计并不直接测量焓,而是测量温度变化。
如果溶液由 \(T_i\) 升温至 \(T_f\),
\[ \Delta T = T_f-T_i \]
其中:
- \(T_i\) 是初始温度,单位为 °C,
- \(T_f\) 是最终温度,单位为 °C,以及
- \(\Delta T\) 是温度变化,单位为 °C。
1 °C 的温度差与 1 K 的温度差大小相同,因此 \(\Delta T\) 可以使用其中任何一种单位。
接著,我们利用以下公式估算溶液吸收的热量:
\[ q_{\text{溶液}}=mc\Delta T \]
其中:
- \(q_{\text{溶液}}\) 是溶液吸收的热量,单位为 J,
- \(m\) 是溶液的质量,单位为 g,
- \(c\) 是溶液的比热容,单位为 \(\mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\),以及
- \(\Delta T\) 是温度变化。
对于稀水溶液,HSC 题目通常允许使用以下近似值:
\[ c=4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}} \]
以及密度:
\[ 1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}} \]
除非题目提供其他数值。
因此,100 mL 的稀溶液可以视为质量约为 100 g。
02正负号很容易弄反
假设温度上升。由于溶液吸收了热量,\(q_{\text{溶液}}\) 就是正值。
但这些热量从哪里来?
答案是化学反应。
因此,如果我们假设反应释放的热量全部被溶液吸收,
\[ q_{\text{反应}}=-q_{\text{溶液}} \]
这个负号非常重要。
如果中和反应使周围环境变暖,它就是放热反应,因此其焓变为负值。
一个有用的理解方式,是把能量转移想像成银行转帐。如果溶液的能量帐户增加了 2.5 kJ,那么反应的能量帐户就必须减少约 2.5 kJ。当然,这个比喻有其局限,因为能量并不是真的储存在银行帐户中,而且真实的量热器可能会让能量传递到杯子、空气和温度计。不过,这个比喻能帮助我们正确理解正负号的惯例。
03从释放的热量计算中和焓
只知道热量还不够。
假设实验 A 释放 3 kJ,而实验 B 释放 6 kJ。这是否代表实验 B 的中和焓更偏向放热?
不一定。实验 B 可能只是有两倍的莫耳数参与反应。
中和焓以每莫耳反应的焓变表示,通常是指酸碱反应每生成一莫耳水的焓变。
对于一元强酸与强碱的反应:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
一莫耳 \(\mathrm{H}^{+}\) 与一莫耳 \(\ce{OH-}\) 反应,会生成一莫耳水。
实验测得的莫耳焓变为:
\[ \Delta H_{\text{neut}}=\frac{q_{\text{反应}}}{n} \]
其中:
- \(\Delta H_{\text{neut}}\) 是中和焓,单位为 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),
- \(q_{\text{反应}}\) 是反应的热量变化,单位为 kJ,以及
- \(n\) 是与中和反应相对应的物质的量,单位为 mol。
对于一般的强酸与强碱反应,\(n\) 就是生成水的莫耳数。
因此,计算应按照明确的顺序进行:
| 步骤 | 要求出的量 | 关键概念 |
|---|---|---|
| 1 | \(\Delta T\) | 测量温度上升幅度 |
| 2 | \(q_{\text{溶液}}\) | 使用 \(mc\Delta T\) |
| 3 | \(q_{\text{反应}}\) | 将正负号反转 |
| 4 | 参与反应的莫耳数 | 使用化学计量关系及限制反应物 |
| 5 | \(\Delta H_{\text{neut}}\) | 将反应热量除以参与反应的莫耳数 |
不要直接由温度上升推算 \(\Delta H\)。较大的温度上升可能是因为参与反应的物质较多、被加热的溶液质量较小,或两者同时发生。
计算范例:根据温度上升计算焓变
将 50.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸,与 50.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钠溶液混合。两种溶液的初始温度均为 \(21.5^\circ\mathrm{C}\)。混合后达到的最高温度为 \(28.0^\circ\mathrm{C}\)。
假设密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\),比热容为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\)。计算实验测得的中和焓。
步骤 1:求出温度变化。
\[ \Delta T=28.0-21.5=6.5^\circ\mathrm{C} \]
步骤 2:求出溶液质量。
总体积为:
\[ 50.0+50.0=100.0\ \mathrm{mL} \]
使用密度 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\):
\[ m=100.0\ \mathrm{g} \]
步骤 3:计算溶液吸收的热量。
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}}&=mc\Delta T\\ &=(100.0)(4.18)(6.5)\\ &=2717\ \mathrm{J}\\ &=2.717\ \mathrm{kJ} \end{aligned} \]
溶液吸收了 2.717 kJ 的热量。
步骤 4:求出反应的热量变化。
\[ q_{\text{反应}}=-2.717\ \mathrm{kJ} \]
负号表示中和反应释放了热量。
步骤 5:求出参与反应的物质的量。
对于盐酸:
\[ n(\ce{HCl})=cV=(1.00)(0.0500)=0.0500\ \mathrm{mol} \]
对于氢氧化钠:
\[ n(\ce{NaOH})=(1.00)(0.0500)=0.0500\ \mathrm{mol} \]
两者以 1:1 的莫耳比反应,因此生成 \(0.0500\) mol 的水。
步骤 6:计算莫耳焓变。
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} &=\frac{-2.717}{0.0500}\\ &=-54.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
测得的中和反应每生成一莫耳水,约释放 \(54.3\ \mathrm{kJ}\) 的热量。
这个结果的放热程度略低于稀强酸与强碱中和反应通常预期的约 \(-57\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。这个差异是合理的,因为简单的学校实验量热器无法完整测量反应释放的每一焦耳能量。
04为甚么强酸与强碱的中和焓相近?
盐酸与氢氧化钠的反应可以写成:
\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]
硝酸与氢氧化钾的反应则是:
\[ \ce{HNO3(aq) + KOH(aq) -> KNO3(aq) + H2O(l)} \]
这看起来是两个不同的反应。但在稀水溶液中,强酸和强碱基本上都会完全电离。
对于第一个反应,重要的离子包括:
\[ \ce{H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq)} \]
\(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 离子仍留在溶液中。它们是旁观离子。
\(\mathrm{K}^{+}\) 和 \(\ce{NO3-}\) 也会以相同方式在净离子方程式中相互抵消。在这两种情况下,实际的核心反应都近似为:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
这就是为甚么不同的稀强酸与强碱组合,通常具有相近的中和焓。
如果你对酸碱反应的粒子层面概念还不太熟悉,值得先复习布朗斯特-劳里酸碱理论指南。
你可以把旁观离子想像成陪朋友去约会的两个人,但他们并没有真正参与约会。\(\mathrm{H}^{+}\) 和 \(\ce{OH-}\) 才是关系发生变化的主角;旁观离子原本以溶解状态存在于溶液中,反应后仍然保持溶解。当然,这个比喻只能用到这里,因为离子实际上是持续与水分子相互作用的水合粒子,而不是礼貌地坐在另一张桌子旁的小人。
05如果量热器也吸收热量,会有甚么改变?
我们最初的模型假设:
\[ -q_{\text{反应}}=q_{\text{溶液}} \]
这个假设很有用,但并不完整。
杯子、温度计和量热器的其他部分也可能升温。如果量热器的热容量为 \(C_{\text{cal}}\),那么:
\[ q_{\text{cal}}=C_{\text{cal}}\Delta T \]
其中 \(C_{\text{cal}}\) 的单位为 \(\mathrm{J\,^{\circ}C^{-1}}\) 或 \(\mathrm{J\,K^{-1}}\)。
更完整的能量平衡关系为:
\[ -q_{\text{反应}}=q_{\text{溶液}}+q_{\text{cal}} \]
因此:
\[ q_{\text{反应}} =-\left(mc\Delta T+C_{\text{cal}}\Delta T\right) \]
这解释了一种常见的实验结果。如果忽略量热器吸收的能量,计算所得的 \(q_{\text{反应}}\) 绝对值就会偏小,而计算所得的 \(\Delta H\) 也会比应有的数值较不负。
计算范例:限制反应物与量热器热容量
将 40.0 mL、浓度为 \(1.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的硝酸,与 60.0 mL、浓度为 \(0.800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钾溶液混合。两者的初始温度均为 \(23.0^\circ\mathrm{C}\),最终温度为 \(29.0^\circ\mathrm{C}\)。
量热器的热容量为 \(35.0\ \mathrm{J\,^{\circ}C^{-1}}\)。假设混合溶液的密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\),比热容为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\)。
计算中和焓。
步骤 1:判断哪一种反应物是限制反应物。
对于硝酸:
\[ n(\ce{HNO3})=(1.50)(0.0400)=0.0600\ \mathrm{mol} \]
对于氢氧化钾:
\[ n(\ce{KOH})=(0.800)(0.0600)=0.0480\ \mathrm{mol} \]
反应的莫耳比为 1:1:
\[ \ce{HNO3(aq) + KOH(aq) -> KNO3(aq) + H2O(l)} \]
因此,\(\ce{KOH}\) 是限制反应物,并会生成 \(0.0480\) mol 的水。
如果因为酸的莫耳数较多,就使用 \(0.0600\) mol 进行计算,便会犯下化学计量上的错误。
步骤 2:求出温度变化。
\[ \Delta T=29.0-23.0=6.0^\circ\mathrm{C} \]
步骤 3:计算溶液吸收的热量。
总质量约为:
\[ m=40.0+60.0=100.0\ \mathrm{g} \]
因此:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=(100.0)(4.18)(6.0)\\ &=2508\ \mathrm{J} \end{aligned} \]
步骤 4:计算量热器吸收的热量。
\[ \begin{aligned} q_{\text{cal}} &=C_{\text{cal}}\Delta T\\ &=(35.0)(6.0)\\ &=210\ \mathrm{J} \end{aligned} \]
因此,测得的总吸收热量为:
\[ 2508+210=2718\ \mathrm{J}=2.718\ \mathrm{kJ} \]
步骤 5:套用反应热量的正负号。
\[ q_{\text{反应}}=-2.718\ \mathrm{kJ} \]
步骤 6:计算莫耳焓变。
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} &=\frac{-2.718}{0.0480}\\ &=-56.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
这个数值接近强酸与强碱中和反应的预期范围。
留意量热器修正的重要性。如果我们只使用 \(q_{\text{溶液}}\),便会得到约 \(-52.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),令反应看起来明显没有那么放热。
06弱酸会改变反应的能量关系
现在预测一下:如果把盐酸换成相同浓度的乙酸,会发生甚么事?
你会预期中和焓完全相同吗?
不会。
乙酸是弱酸,意思是在任何特定时刻,只有部分乙酸分子处于电离状态:
\[ \ce{CH3COOH(aq) <=> H+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
当氢氧根离子消耗 \(\mathrm{H}^{+}\) 时:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
平衡便会移动,使更多乙酸电离。
这个电离过程涉及能量变化。因此,测得的焓变不仅反映强酸与强碱中和的基本步骤。
整体反应方程式为:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
对许多弱酸而言,这个整体中和反应的放热程度低于相应的强酸反应,因为形成水时释放的部分能量,实际上被弱酸进一步电离所需的能量抵消。
一个很容易想到的解释是:「弱酸的反应比较弱。」
但这种说法太含糊。
只要有足够的强碱,弱酸仍然可以基本上完全反应。「弱」描述的是酸在水中的电离程度,而不是指中和反应会在进行到一半时就停止。
07评估中和反应量热实验
计算结果即使数字整齐,也不代表实验品质良好。
真正有用的问题不只是「哪里出错了?」,而是「这个误差会如何影响测得的温度,进而影响计算所得的 \(\Delta H\)?」
| 实验问题 | 可能造成的结果 |
|---|---|
| 热量散失到周围空气 | 测得的 \(\Delta T\) 偏小,因此 \(\Delta H\) 通常不够负 |
| 杯子吸收热量,但计算时忽略其热容量 | 低估反应释放的热量,因此 \(\Delta H\) 不够负 |
| 在真正的最高温度已经过去后才记录温度 | \(\Delta T\) 偏小 |
| 两种溶液的初始温度不同 | 直接使用其中一个初始温度,可能得到错误的 \(\Delta T\) |
| 假设密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\) | 计算所得的 \(q\) 可能略为偏高或偏低 |
| 假设比热容等于水的比热容 | 计算所得的 \(q\) 可能略为偏高或偏低 |
| 实际浓度与标示浓度不同 | 计算所得的反应莫耳数可能有误 |
| 酸或碱在转移过程中未完全倒入 | 实际参与反应的莫耳数少于预期 |
| 使用较高浓度的溶液 | 稀释热及非理想行为可能使简化模型的准确度下降 |
这里有一个重要的规律:热量散失到外部环境,以及忽略量热器本身的热容量,通常都会令测得的焓变较不负。
但并非所有误差都有固定的影响方向。例如,如果假设的浓度不正确,结果可能向任何一个方向偏移。
更好的实验设计
为了改善测量结果,你可以:
- 使用有盖且隔热良好的量热器,
- 测量量热器的热容量,
- 让两种反应物溶液达到相同的初始温度,
- 快速且完整地转移溶液,
- 保持一致的搅拌方式,
- 在接近最高温度的时段频繁记录温度,
- 使用浓度及体积准确已知的溶液,以及
- 重复实验并分析结果的离散程度。
更进阶的处理方法,是绘制温度对时间的图表,再将趋势线外推至接近混合时刻,以估算在大量热量散失之前的温度上升幅度。
这才是真正的实验评估,而不只是列出一堆「人为误差」。每项改进都针对能量测量中的某个实际物理问题。
08另一个常见陷阱:温度上升较多,不一定代表焓变较大
假设两个反应都恰好释放 2.0 kJ 的能量。
在其中一个实验中,这些能量加热了 100 g 的溶液;在另一个实验中,则只加热了 50 g。
哪一份溶液的温度上升幅度较大?
答案是 50 g 的样本。
根据:
\[ \Delta T=\frac{q}{mc} \]
假设 \(q\) 和 \(c\) 保持不变,当 \(m\) 减半时,\(\Delta T\) 就会加倍。
因此,只比较原始的温度上升幅度并不足够。你必须同时考虑被加热的质量,以及参与反应的莫耳数。
这个区别在分析实际情境中的中和反应时同样有用。化学反应决定能量变化,而周围环境的物质数量和热学性质,则决定观察到的温度变化有多明显。日常生活与工业制程中的中和反应指南会进一步探讨这个区别。
09题目与解答
题目 1
将 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸,与 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钠溶液混合。两种溶液的初始温度均为 \(20.0^\circ\mathrm{C}\),最高温度为 \(26.4^\circ\mathrm{C}\)。
假设密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\),比热容为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\)。忽略量热器的热容量。
计算实验测得的中和焓。
解答 1
实验测得的中和焓为 \(-53.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
溶液的温度上升幅度为:
\[ \Delta T=26.4-20.0=6.4^\circ\mathrm{C} \]
溶液的总质量约为:
\[ m=25.0+25.0=50.0\ \mathrm{g} \]
因此,溶液吸收的热量为:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=mc\Delta T\\ &=(50.0)(4.18)(6.4)\\ &=1337.6\ \mathrm{J}\\ &=1.3376\ \mathrm{kJ} \end{aligned} \]
所以:
\[ q_{\text{反应}}=-1.3376\ \mathrm{kJ} \]
盐酸的物质的量为:
\[ n=(1.00)(0.0250)=0.0250\ \mathrm{mol} \]
氢氧化钠的物质的量也相同。两者以 1:1 的莫耳比反应,因此生成 \(0.0250\) mol 的水。
所以:
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} &=\frac{-1.3376}{0.0250}\\ &=-53.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
一个很容易犯的错误,是因为 \(mc\Delta T\) 为正值,就把答案写成 \(+53.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。但这个正值代表的是溶液吸收的热量。反应失去了这些能量,因此其焓变为负值。
题目 2
将 30.0 mL、浓度为 \(1.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸,与 50.0 mL、浓度为 \(0.600\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钠溶液混合。两种溶液的初始温度相同。温度上升了 \(5.00^\circ\mathrm{C}\)。
假设密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\)、比热容为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\),而量热器的热容量可忽略不计。
计算实验测得的中和焓。
解答 2
根据生成 \(0.0300\) mol 水的数量计算,实验测得的中和焓为 \(-55.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
首先找出限制反应物。
对于盐酸:
\[ n(\ce{HCl})=(1.20)(0.0300)=0.0360\ \mathrm{mol} \]
对于氢氧化钠:
\[ n(\ce{NaOH})=(0.600)(0.0500)=0.0300\ \mathrm{mol} \]
由于反应的莫耳比为 1:1,氢氧化钠是限制反应物。因此,只有 \(0.0300\) mol 能参与中和反应。
溶液的总质量约为:
\[ m=30.0+50.0=80.0\ \mathrm{g} \]
所以:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=(80.0)(4.18)(5.00)\\ &=1672\ \mathrm{J}\\ &=1.672\ \mathrm{kJ} \end{aligned} \]
因此:
\[ q_{\text{反应}}=-1.672\ \mathrm{kJ} \]
而:
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} &=\frac{-1.672}{0.0300}\\ &=-55.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
一个看似合理的做法,是除以原本存在的 \(0.0360\) mol 盐酸。但这样做是错的,因为并非所有盐酸都参与反应。当氢氧根离子完全消耗后,仍有过量的盐酸留在溶液中。
题目 3
一名学生使用两个相同的量热器,进行两项中和反应实验。
实验 A 将等量、浓度均为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸与氢氧化钠溶液混合。
实验 B 使用相同的体积和浓度,但以乙酸取代盐酸。
两种酸都被氢氧化钠完全中和。实验 B 的温度上升幅度较小。
解释为甚么这个观察结果并不代表参与反应的乙酸较少。指出一项同样可能导致温度上升幅度较小的实验问题,并解释你会如何区分这种实验问题与真正的化学差异。
解答 3
即使被中和的莫耳数相同,温度上升幅度仍可能较小,因为乙酸在反应前只有部分电离,所以其整体中和反应的能量变化与强酸反应不同。
盐酸是强酸,基本上完全电离:
\[ \ce{HCl(aq) -> H+(aq) + Cl-(aq)} \]
因此,其中和反应主要由以下反应决定:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
乙酸则是弱酸:
\[ \ce{CH3COOH(aq) <=> H+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
当 \(\mathrm{H}^{+}\) 被消耗时,更多乙酸必须电离。与这个过程相关的能量会改变整体焓变:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
一个容易得出的错误结论,是弱酸「不会完全反应」。但在这项实验中,问题并不在此。只要有足够的强碱,即使乙酸最初并未完全电离,基本上所有乙酸仍然可以被中和。
热量散失也可能使实验 B 测得的温度上升幅度较小。例如,如果混合过程较慢,或容器没有盖上的时间较长,就可能有更多能量散失。
为了区分真正的化学差异与实验因素,学生应控制实验装置、体积、浓度、初始温度、混合程序和测量时间,然后重复两项实验。如果在相同条件下持续出现差异,就支持两种反应确实存在焓变差异;如果差异不一致,则较可能是实验变异造成的。
题目 4
首先使用强酸与强碱反应对量热器进行校准。
将 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸,与 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钠溶液混合。温度上升了 \(6.20^\circ\mathrm{C}\)。
假设在这些条件下,真正的中和焓为 \(-57.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),溶液密度为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\),比热容为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\)。
接著,使用同一个量热器,将 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的乙酸,与 25.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氢氧化钠溶液混合。温度上升了 \(5.80^\circ\mathrm{C}\)。
假设向外部环境散失的热量可忽略不计:
- 求出量热器的热容量,
- 求出乙酸中和反应的焓变,以及
- 利用两个焓变数值,推算在这些条件下,一莫耳乙酸电离所涉及的近似焓变。
解答 4
量热器的热容量约为 \(22.0\ \mathrm{J\,^{\circ}C^{-1}}\),乙酸的中和焓约为 \(-53.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),而推算所得的电离焓约为 \(+3.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
对于校准反应,被中和的物质的量为:
\[ n=(1.00)(0.0250)=0.0250\ \mathrm{mol} \]
因此,真正释放的反应热量为:
\[ \begin{aligned} q_{\text{反应}} &=n\Delta H\\ &=(0.0250)(-57.3)\\ &=-1.4325\ \mathrm{kJ} \end{aligned} \]
所以溶液与量热器合共必须吸收:
\[ 1432.5\ \mathrm{J} \]
单是溶液吸收的热量为:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=(50.0)(4.18)(6.20)\\ &=1295.8\ \mathrm{J} \end{aligned} \]
因此,量热器吸收的热量为:
\[ q_{\text{cal}}=1432.5-1295.8=136.7\ \mathrm{J} \]
使用:
\[ q_{\text{cal}}=C_{\text{cal}}\Delta T \]
可得:
\[ C_{\text{cal}}=\frac{136.7}{6.20}=22.0\ \mathrm{J\,^{\circ}C^{-1}} \]
现在将这个校准结果应用于乙酸实验。
溶液吸收的热量为:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=(50.0)(4.18)(5.80)\\ &=1212.2\ \mathrm{J} \end{aligned} \]
量热器吸收的热量为:
\[ q_{\text{cal}}=(22.0)(5.80)=127.6\ \mathrm{J} \]
因此:
\[ q_{\text{反应}} =-(1212.2+127.6) =-1339.8\ \mathrm{J} \]
即:
\[ -1.3398\ \mathrm{kJ} \]
同样地,有 \(0.0250\) mol 的酸被中和,因此:
\[ \begin{aligned} \Delta H &=\frac{-1.3398}{0.0250}\\ &=-53.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
现在比较两个整体反应过程。
对于强酸:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
其焓变为:
\[ \Delta H=-57.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
对于乙酸:
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
其焓变为:
\[ \Delta H=-53.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
我们可以将弱酸反应视为两个相互关联的过程:
\[ \ce{CH3COOH(aq) -> H+(aq) + CH3COO-(aq)} \]
接著是:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
根据赫斯定律:
\[ \Delta H_{\text{电离}}+(-57.3)=-53.6 \]
所以:
\[ \Delta H_{\text{电离}}=+3.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
这题的重要陷阱,是直接比较 \(6.20^\circ\mathrm{C}\) 和 \(5.80^\circ\mathrm{C}\),并把两者的比值当作焓变的比值。量热器本身也会吸收能量,因此在比较化学反应的焓变之前,必须先计入量热器的热容量。
题目 5
40.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的盐酸,初始温度为 \(18.0^\circ\mathrm{C}\)。将它与 60.0 mL、浓度为 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)、初始温度为 \(24.0^\circ\mathrm{C}\) 的氢氧化钠溶液迅速混合。
混合后的最高温度为 \(26.0^\circ\mathrm{C}\)。
假设:
- 没有热量与外部环境交换,
- 量热器的热容量可忽略不计,
- 两种溶液的密度均为 \(1.00\ \mathrm{g\,mL^{-1}}\),
- 两种溶液的比热容均为 \(4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^{\circ}C^{-1}}\),以及
- 混合后的体积具有加成性。
一名学生计算出 \(\Delta T=26.0-18.0=8.0^\circ\mathrm{C}\),并得出中和焓约为 \(-84\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 的结论。
求出正确的中和焓,并准确解释为甚么学生选用的 \(\Delta T\) 不正确。
解答 5
正确的中和焓约为 \(-46.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。学生使用的 \(8.0^\circ\mathrm{C}\) 温度变化,错误地把所有高于盐酸初始温度的升温都视为反应释放的热量。事实上,即使没有发生反应,温度较高的氢氧化钠溶液仍然会使盐酸升温。
关键是提出一个假设性的问题:如果两种溶液混合,但中和反应完全没有释放能量,混合物最终会达到甚么温度?
由于两种溶液具有相同的比热容和密度,单纯热混合过程中的能量守恒关系为:
\[ m_1c(T_{\text{mix}}-T_1) + m_2c(T_{\text{mix}}-T_2)=0 \]
两边共同的 \(c\) 可以消去:
\[ 40.0(T_{\text{mix}}-18.0) + 60.0(T_{\text{mix}}-24.0)=0 \]
展开后:
\[ 40.0T_{\text{mix}}-720 + 60.0T_{\text{mix}}-1440=0 \]
因此:
\[ 100T_{\text{mix}}=2160 \]
所以:
\[ T_{\text{mix}}=21.6^\circ\mathrm{C} \]
因此,中和反应本身使混合物由没有反应时的基准温度 \(21.6^\circ\mathrm{C}\),上升至 \(26.0^\circ\mathrm{C}\):
\[ \Delta T_{\text{reaction}}=26.0-21.6=4.4^\circ\mathrm{C} \]
溶液的总质量为:
\[ m=40.0+60.0=100.0\ \mathrm{g} \]
因此,溶液因反应而吸收的热量为:
\[ \begin{aligned} q_{\text{溶液}} &=(100.0)(4.18)(4.4)\\ &=1839.2\ \mathrm{J}\\ &=1.8392\ \mathrm{kJ} \end{aligned} \]
所以:
\[ q_{\text{反应}}=-1.8392\ \mathrm{kJ} \]
现在求出被中和的物质的量。
盐酸含有:
\[ n(\ce{HCl})=(1.00)(0.0400)=0.0400\ \mathrm{mol} \]
氢氧化钠含有:
\[ n(\ce{NaOH})=(1.00)(0.0600)=0.0600\ \mathrm{mol} \]
盐酸是限制反应物,因此生成 \(0.0400\) mol 的水。
所以:
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} &=\frac{-1.8392}{0.0400}\\ &=-46.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \end{aligned} \]
学生的计算看起来合理,因为 \(18.0^\circ\mathrm{C}\) 的确是其中一个实际测得的初始温度。但它并不是整个反应混合物正确的热学参考状态。
盐酸由 \(18.0^\circ\mathrm{C}\) 升温,部分原因只是它与体积较大、温度为 \(24.0^\circ\mathrm{C}\) 的溶液混合。同时,温度较高的氢氧化钠溶液也会冷却。在题目给定的假设下,只有高于能量平衡混合温度 \(21.6^\circ\mathrm{C}\) 的升温,才能归因于化学反应。
这就是中和反应量热法更广泛的核心概念:只有在你明确判断哪个系统正在吸收热量、哪一部分温度变化是由反应造成,以及有多少莫耳的物质导致这个变化之后,\(mc\Delta T\) 才能正确发挥作用。一旦掌握这套能量计算方法,同样的推理便可以自然地延伸至赫斯定律、量热器校准,以及强酸与弱酸的酸碱反应比较。