Из опыта подготовки исследовательского проекта по химии на тему «Изучение теплового эффекта химических реакций»



В настоящее время ведется интенсивный поиск альтернативных источников энергии. Водород является одним из перспективных видов топлива с точки зрения экономики и экологии. Газообразный водород взрывоопасен и не подвергается хранению [1, с.42; 2, с.117], поэтому целесообразно использовать вещества, которые могут выделять его по мере необходимости [3, с.86]. Такие процессы часто протекают с выделением тепла, для которого можно найти применение. Необходимо подобрать такие условия получения водорода из связанного состояния, при которых выделяется максимальное количество теплоты. Решению данной проблемы посвящено исследование.

В качестве гипотезы выдвинуто предположение, что увеличение содержания хлорида натрия в реакционной среде приводит к возрастанию теплового эффекта в процессе растворения алюминия в водных растворах сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.

Цель работы — изучить влияние мольного соотношения реагентов на параметры тепловыделения процесса растворения алюминия в водном растворе сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.

Задачи:

1. Определить зависимость изменения температуры от мольного соотношения реагентов в процессе растворения алюминия в водных растворах сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.
2. Изучить влияние содержания хлорида натрия (мольного соотношения NaCl/CuSO₄) на тепловой эффект процесса при постоянном содержании сульфата меди (II) в реакционной среде.

В качестве объекта для исследования использовали электротехнический алюминий марки АД-1, содержащий ~99 % Al. Образцы извлекали из кабеля марки АВВГ 2×4, снимая изоляцию и разделяя на отрезки длиной 15 см и массой 1.55–1.60 г. Перед проведением взаимодействия проволоку скручивали в плоскую спираль для придания компактной формы, умещающейся в химический стакан. Для эксперимента готовили реакционные системы массой 28 г каждая, содержащие разное количество сульфата меди (II), хлорида натрия и воды. После окончания взаимодействия образцы промывали водой, высушивали и взвешивали. В ходе эксперимента фиксировали температуру раствора.

При взаимодействии алюминия с реакционной средой происходит активация поверхности металла хлорид-ионами, при этом растворяется защитная пленка оксида алюминия и становится возможной реакция вытеснения меди из раствора сульфата меди (II):

2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu↓, (реакция 1).

В результате активации поверхности алюминий взаимодействует с водой с выделением газообразного водорода:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑, (реакция 2).

Для приблизительной количественной оценки тепловыделения при протекании процесса растворения алюминия введем понятие удельный прирост температуры Tʹ — отношение изменения температуры реакционной среды к исходной массе образца алюминия:

, где

Δt — изменение температуры реакционной смеси в процессе реакции, ⁰С,

t₁ — температура реакционной смеси перед началом реакции, ⁰С,

t₂ — температура реакционной смеси в конечный момент реакции, ⁰С,

m — исходная масса образца алюминия, г.

При повышении содержания хлорида натрия в реакционной среде увеличивается прирост температуры в процессе растворения образца алюминия. Если количество хлорида натрия в 1,5 раза превышает количество сульфата меди (II), наблюдается отклонение от прямолинейной зависимости и снижение тепловыделения при дальнейшем увеличении содержания хлорид-ионов в растворе. Уменьшение влияния NaCl на тепловыделение означает, что для данной площади поверхности образца алюминия достигнута предельная концентрация хлорид-ионов, участвующих в активации поверхности.

Процесс взаимодействия алюминия с водным раствором сульфата меди (II) и хлорида натрия состоит из реакции (1) и реакции (2), которые идут с выделением тепла:

2Al_(тв.) + 3Cu²⁺_(р-р) → 2Al³⁺_(р-р) + 3Cu_(тв.), ΔH⁰_обр. = — 1258 кДж/моль, (1),

2Al_(тв.) + 6H₂O_(ж) → 2Al(OH)_3(тв.) + 3H_2(г.), ΔH⁰_обр. = — 914 кДж/моль, (2).

Общее изменение энтальпии в процессе растворения алюминия в растворе CuSO₄ в присутствии NaCl составляет ΣΔH⁰ = — 1258–914 = — 2172 кДж/моль. Реакция (1) вносит больший вклад в общее изменение энтальпии двух процессов в стандартных условиях: при взаимодействии воды с алюминием должно выделяться в 1.4 раза меньше теплоты, чем при восстановлении меди из раствора.

Учитывая количественное выделение меди из раствора CuSO₄ и зная долю алюминия, израсходованного на реакцию (1) и реакцию (2) в нашем эксперименте, можем рассчитать общий тепловой эффект процесса Q как отношение суммы изменений энтальпии в реакциях (1) и (2) к исходной массе образца алюминия до реакции:

, где

ΣΔH — общее изменение энтальпии в реакции (1) и реакции (2), кДж,

m — исходная масса образца алюминия, г,

ΔH⁰₁ — стандартное изменение энтальпии реакции (1), кДж/моль,

ΔH⁰₂ — стандартное изменение энтальпии реакции (2), кДж/моль,

ν₁ — количество вещества алюминия, прореагировавшего в реакции (1), моль,

ν₂ — количество вещества алюминия, прореагировавшего в реакции (2), моль.

Согласно графику зависимости теплового эффекта от мольного соотношения реагентов, при m(CuSO₄)=const и постоянной площади поверхности образцов алюминия общий тепловой эффект процесса растворения алюминия прямо пропорционален содержанию хлорида натрия в растворе. При мольном соотношении NaCl/CuSO₄ N=1.4 на каждый грамм растворившегося алюминия в нашем эксперименте может выделиться 7.36 кДж теплоты, что на 4 % меньше, чем для N=0.3.

Тепловой эффект процесса выделения меди (реакция 1) не зависит от содержания хлорида натрия в системе. Суммарный тепловой эффект процесса растворения алюминия возрастает с увеличением мольного соотношения NaCl/CuSO₄ в реакционной среде только за счет возрастания теплового эффекта реакции выделения водорода (реакция 2). При N=1.4 тепловой эффект реакции выделения водорода составляет 13.5 % от общего теплового эффекта.

В ходе выполнения данного исследования были получены следующие результаты:

1. При повышении содержания хлорида натрия в реакционной среде в пределах N=0.3–1.2 прямо пропорционально увеличивается удельный прирост температуры в процессе растворения образцов алюминия. Дальнейшее увеличение мольного соотношения N при постоянном содержании CuSO₄ повышает температуру процесса незначительно.
2. При m(CuSO₄)=const и постоянной площади поверхности образцов алюминия общий тепловой эффект процесса растворения алюминия прямо пропорционален содержанию хлорида натрия в растворе.
3. Суммарный тепловой эффект процесса растворения алюминия возрастает с увеличением мольного соотношения NaCl/CuSO₄ в реакционной среде только за счет возрастания теплового эффекта реакции выделения водорода (реакция 2).

Таким образом, для получения максимального количества тепла при получении водорода путем растворения алюминия в водных растворах сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия предпочтительно использовать мольное соотношение реагентов N=1.4 и выше. Лимитирующим фактором будет служить растворимость в воде CuSO₄ и NaCl при данной температуре.

Результаты, полученные при выполнении данного проекта, можно использовать: в альтернативной энергетике — для разработки генератора водорода и топливных элементов; в гидрометаллургии — для получения мелкодисперсного порошка меди; при переработке техногенных отходов, содержащих соли меди (II) и других тяжелых металлов; для получения коагулянта сульфата алюминия, используемого в процессах очистки воды.

Результаты исследовательского проекта учащихся, представленные в статье, можно использовать при проведении уроков химии в школе при изучении тем «Водород», «Вода», «Металлы», «Алюминий», «Тепловой эффект химических реакций», а также в работе объединений дополнительного образования по химии и при выполнении исследовательских проектов на сходную тематику.

Литература:

1. Чудотворова Е. О., Пугачук А. С. Оценка возможности применения алюминия для получения водородного топлива // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2017. — № 11. — С. 42–48.
2. Чуриков А. В. и др. Топливные элементы, использующие борогидридное топливо // Электрохимическая энергетика. — 2009. — Т.9, № 3. — С. 117–127.
3. Школьников Е. И. и др. Исследование работы алюмоводного микрогенератора водорода для компактных источников питания // Электрохимическая энергетика. — 2008. — Т.8, № 2. — С. 86–91.