Все формулы РФ

Химия / Тепловой эффект реакции, закон Гесса

Теплота реакции нейтрализации кислоты и основания

Теплоту нейтрализации находят по количеству образовавшейся воды и молярной теплоте нейтрализации для данной кислотно-основной реакции.

Опубликовано: Обновлено:

Тепловой эффект реакции, закон ГессаЕсть историческая справкаСтраницы с задачами и решениямиБазовые химические расчеты

Формула

$$Q=n_{H_2O}q_{neut}$$
схема Ионная схема нейтрализации

Схема показывает, что H+ и OH- образуют воду, а ионы соли остаются в растворе как наблюдатели.

Для сильной кислоты и сильного основания тепловой эффект близок к постоянному на 1 моль воды.

Обозначения

$Q$
теплота, выделившаяся при нейтрализации, кДж
$nH2O$
количество вещества воды, образовавшейся в реакции H+ и OH-, моль
$qneut$
молярная теплота нейтрализации, часто записывается как положительная выделенная теплота, кДж/моль H2O

Условия применения

  • Кислота и основание реагируют согласно уравнению нейтрализации.
  • Количество воды определяют по лимитирующему реагенту H+ или OH-.
  • Для слабых кислот и оснований qneut отличается из-за теплоты ионизации.
  • В калориметрии учитывают массу раствора, его теплоемкость и теплоемкость прибора.

Ограничения

  • Значение около 57 кДж/моль справедливо главным образом для сильных кислот и щелочей в разбавленных растворах.
  • Концентрированные растворы дают дополнительные тепловые эффекты разбавления.
  • Формула не заменяет полный тепловой баланс, если растворы имеют разные начальные температуры.

Подробное объяснение

Нейтрализация в простейшем виде сводится к ионному уравнению H+(водн.) + OH-(водн.) = H2O(ж). Для сильных кислот и сильных оснований исходные ионы уже практически полностью находятся в растворе, поэтому тепловой эффект близок для разных пар кислот и щелочей. Именно поэтому в учебных задачах часто используют одно характерное значение.

Количество образовавшейся воды определяется стехиометрией. Если кислота одноосновная и основание однокислотное, числа молей кислоты и основания сравнивают напрямую. Если кислота многоосновная или основание содержит несколько гидроксид-ионов, нужно учитывать число эквивалентов H+ и OH-.

Знак теплового эффекта зависит от записи. Как выделенная теплота Q может быть положительной: раствор нагревается. Как изменение энтальпии химической системы нейтрализация сильной кислоты сильным основанием имеет отрицательное значение. В ответе полезно явно написать, о какой величине идет речь.

Для слабых кислот и оснований картина сложнее. Часть энергии тратится на ионизацию молекул, поэтому наблюдаемая теплота нейтрализации отличается от значения для сильных электролитов. Например, уксусная кислота сначала должна диссоциировать, и этот вклад входит в итоговый тепловой эффект.

В реальном калориметре теплоту реакции находят через нагрев раствора: qраствора = mcΔT. Затем по количеству образовавшейся воды вычисляют молярную теплоту нейтрализации. Чем точнее известны масса, теплоемкость и теплопотери, тем надежнее результат.

Как пользоваться формулой

  1. Запишите уравнение нейтрализации и определите соотношение H+ и OH-.
  2. Найдите лимитирующий реагент и количество образующейся воды.
  3. Выберите qneut для данной пары кислоты и основания.
  4. Умножьте nH2O на qneut.
  5. Для энтальпии реакции укажите отрицательный знак при выделении теплоты.

Историческая справка

Тепловые эффекты нейтрализации начали изучать в период становления термохимии и теории электролитической диссоциации. Сначала калориметрические опыты показывали, что сильные кислоты и сильные основания дают близкие количества теплоты при образовании одинакового количества воды. Позднее это получило ясное объяснение через ионное уравнение H+ + OH- = H2O. Развитие теории растворов и работ по электролитам в конце XIX века помогло понять отличия слабых кислот, слабых оснований и концентрированных растворов. В учебной химии теплота нейтрализации стала удобным примером связи стехиометрии, ионных уравнений и калориметрии. В современной практике такие измерения используют для анализа кислотно-основных процессов, контроля реакторов и проверки теплообмена.

Историческая линия формулы

Формула Q = nH2Oqneut является расчетной записью молярного теплового эффекта. Ее не связывают с одним автором. Исторический смысл основан на калориметрии, законе Гесса и развитии теории электролитической диссоциации, объяснившей сходство сильных кислот и оснований.

Пример

Смешали 100 мл 1,00 М HCl и 100 мл 1,00 М NaOH. Реакция: HCl + NaOH = NaCl + H2O. Количество HCl равно 0,100 моль, количество NaOH тоже 0,100 моль, поэтому образуется 0,100 моль воды. Для сильной кислоты и сильного основания примем qneut = 57,3 кДж/моль H2O как выделенную теплоту. Тогда Q = nH2O · qneut = 0,100 · 57,3 = 5,73 кДж. Ответ: выделится 5,73 кДж теплоты, а энтальпия реакции на 0,100 моль воды равна -5,73 кДж. Если считать нагрев раствора, эта теплота перейдет в раствор и калориметр, повышая их температуру.

Частая ошибка

Часто берут количество вещества кислоты, не учитывая основность. Например, 0,10 моль H2SO4 может дать до 0,20 моль H+ при полной нейтрализации. Другая ошибка состоит в использовании 57 кДж/моль для слабой кислоты без учета ионизации. В калориметрических задачах путают теплоту реакции и теплоту, полученную раствором: они равны по модулю, но имеют противоположные знаки для системы реакции.

Практика

Задачи с решением

Нейтрализация азотной кислоты

Условие. Смешали 25,0 мл 1,00 М HNO3 и избыток KOH. Примите qneut = 57,3 кДж/моль H2O. Найдите выделившуюся теплоту.

Решение. n(HNO3) = 1,00 · 0,0250 = 0,0250 моль. Образуется 0,0250 моль воды. Q = 0,0250 · 57,3 = 1,43 кДж.

Ответ. 1,43 кДж теплоты.

Молярная теплота по нагреву

Условие. При смешении 50,0 мл 1,00 М HCl и 50,0 мл 1,00 М NaOH раствор массой 100 г нагрелся на 6,80 К. c = 4,18 Дж/(г·К). Найдите qneut.

Решение. Теплота раствора Q = 100 · 4,18 · 6,80 = 2842 Дж = 2,842 кДж. Образовалось 0,0500 моль H2O. qneut = 2,842 / 0,0500 = 56,8 кДж/моль.

Ответ. 56,8 кДж/моль воды.

Дополнительные источники

  • IUPAC Gold Book: terminology for chemistry and physical chemistry
  • OpenStax Chemistry 2e: thermochemistry, solutions, stoichiometry and gases
  • Atkins and de Paula: Physical Chemistry, selected chapters

Связанные формулы