Из опыта подготовки исследовательского проекта по химии на тему «Изучение теплового эффекта химических реакций» | Статья в сборнике международной научной конференции

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 17 августа, печатный экземпляр отправим 21 августа.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: 5. Педагогика общеобразовательной школы

Опубликовано в

VI международная научная конференция «Образование: прошлое, настоящее и будущее» (Краснодар, май 2019)

Дата публикации: 25.04.2019

Статья просмотрена: 8 раз

Библиографическое описание:

Гостищев И. А. Из опыта подготовки исследовательского проекта по химии на тему «Изучение теплового эффекта химических реакций» [Текст] // Образование: прошлое, настоящее и будущее: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Краснодар, май 2019 г.). — Краснодар: Новация, 2019. — С. 33-35. — URL https://moluch.ru/conf/ped/archive/330/15029/ (дата обращения: 21.10.2019).



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.), ΔH0обр. = — 1258 кДж/моль, (1),

2Al(тв.) + 6H2O(ж) → 2Al(OH)3(тв.) + 3H2(г.), ΔH0обр. = — 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.
Основные термины (генерируются автоматически): реакционная среда, процесс растворения алюминия, реакция, водный раствор сульфата меди, мольное соотношение, присутствие хлорида натрия, общий тепловой эффект, мольное соотношение реагентов, исходная масса образца алюминия, Тепловой эффект.

Похожие статьи

Из опыта подготовки исследовательского проекта школьников по...

В диапазоне мольных соотношений N=0.3–1.4 за один цикл взаимодействия растворяется от 14.4 до 16.6 % массы образца алюминия. Следовательно, данные образцы можно применять до полного растворения в 6 полных циклах получения меди и водорода из раствора.

Конкурсные задачи по химии на закон электролиза Фарадея

1. Электролиз 100 г водного раствора серной кислоты с мольной долей последней 2.5 % проводили в течении 15 минут.

3. Вычислите массу ртути, выделившейся на катоде при пропускании тока силой 6 А через раствор хлорида ртути в течение 35 минут.

К вопросу о тепловых эффектах в реакциях окисления...

Автором статьи доказывается необходимость расчета тепловых эффектов реакции между вольфраматом железа, нитратом натрия и карбонатом натрия, для выявления возможности проведения высокотемпературного синтеза (СВС) и определение оптимальных соотношений...

Совершенствование процесса получения метионина

Соотношение газов. Исходный раствор разбавляется водой и далее используется на стадии

Изучение процесса получения цианистого натрия как... Одним из исходных веществ при

Процесс ведут при обычном давлении, строго выдерживая мольное соотношение...

Установление состава комплекса по методу изомолярных серий...

Определение мольных соотношений комплекса золота методом Асмуса (метод прямой линии). В мерную колбу на 25 мл приливали неизменное количество золота и переменное количество реагента добавляя при этом по 10 мл буферных растворов, доводя объём до метки водой.

Изучение процесса получения гидантоина как промежуточного...

Реакцию получения гидантоина проводят: − при мольном соотношении углекислого газа и

Технологическая основа получения сульфата натрия конверсией хлорида натрия

Найденная кажущаяся энергия активации процесса конверсии хлорида натрия сульфатом аммония в...

Использование электролизованных растворов поваренной соли...

Обычно при электролитическом разложении поваренной соли среда растворов находится в пределах

Анализ электрохимических процессов дает основание утверждать, что снижение

Соотношения между этими формами изменяются в соответствии со значениями рН, например...

Усовершенствование производства бутилового ксантогената калия

Мольное соотношение реагентов: В реактор 3 при включенной мешалке подается

Водно-спиртовый конденсат отделяют от циркулирующего газа в сепараторах и направляют

Раствор едкого натра смешивается с охлажденным раствором цианистого натрия, который.

Значение и получение терефталевой кислоты | Статья в сборнике...

Тепловой эффект реакции Qp = (-∆Hр) = 326 ккал/г-моль. Процесс проводят при температуре 185÷195°С под давлением 0,9÷1,1 МПа. Теплосъем — за счет испарения реакционного растворителя (уксусной кислоты) и реакционной воды, то есть процесс осуществляется «на...

Похожие статьи

Из опыта подготовки исследовательского проекта школьников по...

В диапазоне мольных соотношений N=0.3–1.4 за один цикл взаимодействия растворяется от 14.4 до 16.6 % массы образца алюминия. Следовательно, данные образцы можно применять до полного растворения в 6 полных циклах получения меди и водорода из раствора.

Конкурсные задачи по химии на закон электролиза Фарадея

1. Электролиз 100 г водного раствора серной кислоты с мольной долей последней 2.5 % проводили в течении 15 минут.

3. Вычислите массу ртути, выделившейся на катоде при пропускании тока силой 6 А через раствор хлорида ртути в течение 35 минут.

К вопросу о тепловых эффектах в реакциях окисления...

Автором статьи доказывается необходимость расчета тепловых эффектов реакции между вольфраматом железа, нитратом натрия и карбонатом натрия, для выявления возможности проведения высокотемпературного синтеза (СВС) и определение оптимальных соотношений...

Совершенствование процесса получения метионина

Соотношение газов. Исходный раствор разбавляется водой и далее используется на стадии

Изучение процесса получения цианистого натрия как... Одним из исходных веществ при

Процесс ведут при обычном давлении, строго выдерживая мольное соотношение...

Установление состава комплекса по методу изомолярных серий...

Определение мольных соотношений комплекса золота методом Асмуса (метод прямой линии). В мерную колбу на 25 мл приливали неизменное количество золота и переменное количество реагента добавляя при этом по 10 мл буферных растворов, доводя объём до метки водой.

Изучение процесса получения гидантоина как промежуточного...

Реакцию получения гидантоина проводят: − при мольном соотношении углекислого газа и

Технологическая основа получения сульфата натрия конверсией хлорида натрия

Найденная кажущаяся энергия активации процесса конверсии хлорида натрия сульфатом аммония в...

Использование электролизованных растворов поваренной соли...

Обычно при электролитическом разложении поваренной соли среда растворов находится в пределах

Анализ электрохимических процессов дает основание утверждать, что снижение

Соотношения между этими формами изменяются в соответствии со значениями рН, например...

Усовершенствование производства бутилового ксантогената калия

Мольное соотношение реагентов: В реактор 3 при включенной мешалке подается

Водно-спиртовый конденсат отделяют от циркулирующего газа в сепараторах и направляют

Раствор едкого натра смешивается с охлажденным раствором цианистого натрия, который.

Значение и получение терефталевой кислоты | Статья в сборнике...

Тепловой эффект реакции Qp = (-∆Hр) = 326 ккал/г-моль. Процесс проводят при температуре 185÷195°С под давлением 0,9÷1,1 МПа. Теплосъем — за счет испарения реакционного растворителя (уксусной кислоты) и реакционной воды, то есть процесс осуществляется «на...