22
Experiment 10 2 April 2020 Thermodynamic Values for Urea Photo credit: h,p://www.turchem.com/products/urea/ Yes, CO(NH 2 ) 2 for sure. I am so curious about urea’s thermodynamic values.

Experiment10 2*April*2020* ThermodynamicValuesforUrea

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Experiment  10  2  April  2020  

Thermodynamic  Values  for  Urea  

Photo  credit:  h,p://www.turchem.com/products/urea/  

Yes,  CO(NH2)2  for  sure.  

I  am  so  curious  about  urea’s  

thermodynamic  values.  

Objec8ve:  To  determine  these  thermodynamic  values  for  urea:  Kc,  ΔGo

sol’n,  ΔHosol’n,  and  ΔSosol’n  

Overview:  1.  What  is  urea,  anyway?    2.  Dissolving  urea  in  water  and  making  predic8ons.  3.  Determining  ΔGo

sol’n  and  Kc.  4.  Determine  ΔHo

sol’n.  5.  Calcula8ng  ΔSosol’n.  6.  What  we  are  doing  in  lab  today.  7.  Your  lab  report.      2      2      2  

Today  we  are  going  to  learn  more  about  urea  

than  you  thought  possible.  

We  will  apply  skills  we’ve  learned  this  year  to  predict  

properFes  and  thermodynamic  values.  

But,  first,  what  is  urea  anyway?  

1.  What  is  urea,  anyway?  

So  urea  is  CO(NH2)2  –  a  weak  base…  

 

...with  lots  of  hydrogen  bonding  

It’s  a  very  interesFng  and  important  molecule  

...Google  it  and  you  will  be  amazed.  

Urea  

H        

O        

N        C        H        H        N        H        

   3      3      3  

Here  is  the  ball  and  sFck  model  of  urea.    What  is  the  hybridizaFon  at  carbon?    At  nitrogen?    

And  here  is  the  Lewis  dot  

structure  of  urea.  Does  every  atom  have  an  octet?  

What  are  the  bond  angles  at  nitrogen?  At  carbon?  

What  sort  of  intermolecular  forces  are  we  talking  about  

here?  

1.  What  is  urea,  anyway?  

Pssst.  Urea’s  molar  mass  is  60.06  g/mol  

   4      4      4  

Urea  has  four  nitrogen-­‐hydrogen  bonds  that  can  parFcipate  in  

hydrogen  bonding,  so  it  is  very  soluble  

in  water.      

90%  of  the  urea  manufactured  is  used  in  

ferFlizers.  It  is  a  solid  pellet  ferFlizer  that  is  easy  to  use.  

Urea  is  also  the  main  nitrogen-­‐containing  

component  in  animal  urine.    So  I  think  we  can  say  this  tree  has  been  ferFlized  with  urea.  

Kc  is  stuff  on  the  right  divided  by  stuff  on  the  le\,  omi]ng  solids.  That  leaves  us  with    

Kc  =  [Urea]E.    

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  In  the  first  part  of  the  experiment,  we  will  dissolve  urea  in  

water.      This  is  the  equilibrium  we  will  study  today.    It  is  simply  the  dissolving  of  urea  in  water  –  or  the  “dissoluFon”  of  urea.      

   5      5      5  

2.  Dissolving  urea  in  water  and  making  predic8ons.  

With  all  its  hydrogen  bonding,  urea  

dissolves  readily  in  water.  

The  lifle  E  means  

equilibrium…  Info  for  

IntroducHon  

Over  1000  grams  per  liter!    

However,  we  will  be  making  smaller  

soluFons.  

We’ve  predicted  that  urea  dissolves  rather  

easily  so  Kc  must  have  a  reasonably  large  value.    If  1  mole  urea  dissolves  per  liter,  Kc  =  1.    We  will  see  that  it  is  bigger  

than  that.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  

   6      6      6  

2.  Dissolving  urea  in  water  and  making  predic8ons.  

What  do  you  predict  for  ΔG?    To  predict,  we  ask  ourselves,  “Does  it  happen?”  Yes  means  ΔG  <  0.  

The  lifle  E  means  

equilibrium…  

Info  for  IntroducHon  

What  about  ΔS?  Is  there  more  disorder  or  

less  disorder?  

What  about  ΔH?  Is  heat  given  off  or  does  it  take  heat?    The  answer  is:  We  can’t  predict  ΔH  from  what  we  know  so  far.  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.  

First  we  will  be  given  a  saturated  soluFon  of  urea  –  the  equilibrium  shown  in  the  equaFon.    If  we  know  urea’s  molar  solubility,  we  know  Kc.  

þ       Kc  =  [Urea]E  ☐ ΔGo

sol’n    ☐ ΔHo

sol’n    ☐ ΔSosol’n      

From  Kc  we  can  calculate  ΔGo  –  we’ll  talk  about  that  next.    Then  we  do  a  second  experiment  for  ΔHo...  

…and  finish  up  by  calculaFng  ΔSo.    

   7      7      7  

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  

We  use  the  ΔGo  and  K  formula*  we  talked  about  

in  class...  

ΔGsol’n  =  ΔGosol’n  +  RT  ln(Qc)*  

 0  =  ΔGo

sol’n  +  RT  ln(Kc)    ΔGo

sol’n  =  -­‐RT  ln(Kc)    

*The  ΔGo  and  K  formula  is  used  to  calculate  ΔG  under  non-­‐standard  condi8ons.    See  

Sec8on  18.10  in  the  book.      8      8      8  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  

At  equilibrium,  ΔG  =  0  and  we  get  the  ΔGo  and  Kc  equaFon.   Pssst,  yeah  you  -­‐  remember  R  =  8.314  J  mol-­‐1  K-­‐1    

   9      9      9  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.  

Dr.  Mafson  will  give  you  a  saturated  

soluFon  of  urea  and  all  you  have  to  do  is  

determine  its  density.    Saturated  soluFons  are  

at  equilibrium.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  We  will  determine  ΔGo  differently  from  the  procedure  given  in  the  lab  manual  on  

page  66.    What  we  will  do  is  experimentally  easier  to  do  and  gives  

befer  results.  The  calculaFons  are  given  on  the  next  four  slides.  

See  where  we  are  going  with  

this?    Me  neither.  

   10      10      10  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  The  density  of  pure  water  is  basically  1.00  g/mL  and  pure  water  is  zero  mass  %  urea.    Right?  Are  we  good?  Pure  urea  has  a  density  of  1.335  g/L  

and  is…  100  mass  %  urea.    If  we  knew  the  density  of  a  saturated  soluFon,  we  could  

interpolate  the  results  to  get  mass  percent  and  from  there  we  could  convert  to  molarity!  

0  %  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Mass  %  Urea(s)  .  .  .  .  .  .  .  100  %  

1.00  g/mL  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Density  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1.335  g/mL  

Pure  water  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Pure  urea  

Ah…Got  it.  We’ve  done  stuff  like  this  

before.  

   11      11      11  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.  

0  %  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Mass  %  Urea(s)  .  .  .  .  .  .  .  100  %  

1.00  g/mL  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Density  .  .  .  .  .  .  .  .  .  1.335  g/mL  

Pure  water  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  Pure  urea  

Suppose  you  determined  the  density  of  your  saturated  soluFon  to  be  1.143  g/mL.    

The  interpolaFon  formula  to  convert  density  into  mass  percent  is:  

Mass  %  =  100  %  X  Measured  density  –  1.00  g/mL  

1.335  g/mL  –  1.00  g/mL  

Mass  %  =  100  %  X                                                                                                      =  42.7  mass  %  1.143  g/mL  –  1.00  g/mL  1.335  g/mL  –  1.00  g/mL  

Repeat  this  calculaFon  with  your  density  of  

soluFon.  

3.  Determining  ΔGosol’n  and  Kc.   þ       Kc  =  [Urea]E  

þ  ΔGosol’n    

☐ ΔHosol’n    

☐ ΔSosol’n    

Urea(s)                                  Urea(aq)          Kc  =  [Urea]E  

Remember  how  we  converted  mass  percent  into  molality  back  in  

January?  We  made  a  concentraFon  grid.  42.7%  urea  means  42.7  g  urea  

for  every  100  g  of  soluFon.      

   mass    moles  Vol    Urea(s)  42.7  g    H2O  Sol’n                        100  g  

?  

?  

   12      12      12  

So  I  know  you  can  convert  mass  to  moles  and  mass  to  volume  using  the  density.  

You  got  this.  Go!  

Oh!  One  more  thing  –  knowing  moles  and  volume,  you  can  calculate  

molarity.  Then  you’ll  have  Kc!  

13      13  

3.  Procedure  for  [Urea]E,  Kc  and  ΔGo  

So,  we  are  not  doing  the  procedure  on  the  top  of  page  66  Ftled  DeterminaFon  of  ΔGo.    

Instead,  you  will  determine  the  density  of  a  saturated  urea  

soluFon  and  do  it  as  described  on  the  previous  slides.    Obtain  a  10.00  mL  volumetric  pipet  from  

your  TA.  

With  the  proper  balance,  we  can  get  four  significant  

figures!  

The  rest  of  this  alternate  procedure  

is  up  to  you.  

To  determine  ΔH,  we’ll  repeat  the  coffee  cup  calorimeter  experiment  from  last  

semester.  

But  urea  chills  the  soluFon  as  it  dissolves  –  last  semester  the  reacFons  were  exothermic.        14      14      14  

4.  Determining  ΔHosol’n.  

See  how  she  is  swirling  the  soluFon  

during  data  collecFon?  

Urea(s)                                      Urea(aq)          ΔHsol’n  =  ?  

Ti  

   15      15      15  

4.  Determining  ΔHosol’n.  

From  the  LoggerPro  data,  we  get  the  iniFal  temperature  and  the  final  

temperature.      

Where  the  horizontal  blue  trendline  and  the  Fme  of  addiFon  intersect,  we  have  Tf.  Pink  dot!  

Read  Ti  from  the  numerical  data  

collected.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          ΔHsol’n  =  ?  

þ       Kc  =  [Urea]E  þ  ΔGo

sol’n    ☐ ΔHo

sol’n    ☐ ΔSosol’n    

Be  sure  to  use  the  mass  of  the  soluFon  in  the  calorimeter  calculaFon  and  the  mass  of  the  urea  to  

get  moles  of  urea  in  the  ΔHo  calculaFon.  

qcal  =  Spec  Heat  x  MassSol’n  x  ΔT  

Then  ΔHosol’n  =  (-­‐qcal/molUrea)    

       =  (4.023  J  g-­‐1  deg-­‐1  )(massSol’n)(Tf  -­‐  Ti)  

!      16      16      16  

4.  Determining  ΔHosol’n.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          ΔHsol’n  =  ?  

The  literature  value  is  ΔHo  =  +14.0  kJ/mol  

urea.  

Heads-­‐up!  Read  this  again.  

þ       Kc  =  [Urea]E  þ  ΔGo

sol’n    þ  ΔHo

sol’n    ☐ ΔSosol’n    

   17      17      17  

5.  Determining  ΔSosol’n.  

Urea(s)                                      Urea(aq)          ΔSsol’n  =  ?  

zzzzzzz  

ΔGosol’n  =  ΔHo

sol’n  -­‐  TΔSosol’n  

The  change  in  entropy  is  obtained  by  calculaFon  

using  the  Gibbs-­‐Helmholtz  equaFon.  Watch  the  units  (kJ/mol  and  J/mol  K).      

The  literature  value  for    ΔSo  =  69.5  J/mol  K.    How  close  

did  you  get?    

þ       Kc  =  [Urea]E  þ  ΔGo

sol’n    þ  ΔHo

sol’n    þ  ΔSosol’n    

   18      18      18  

5.  Determining  ΔSosol’n.  

Urea(s)                                      Urea(aq)  

A  final  note.    The  values  we  determined  today  for  ΔGo  are  not  under  standard  condiFons,  298  K  and  1.0  atm  and  1.0  M.    How  we  determined  ΔHo

sol’n  comes  prefy  close  to  being  

standardish.      

We  keep  them  (the  naughts)    in  here  because  they  are  necessary  when  we  calculate  ΔGo

sol’n  by  relaFng  it  to  the  

equilibrium  constant  Kc  because  at  equilibrium,  

ΔG  =  0  and  then:    ΔGo

sol’n    =  -­‐RTlnKc  

Note:  the  lab  manual  leaves  off  the  lifle  naughts.    

6.  What  we  are  doing  in  lab  today.    

ΔHo  =  14.0  kJ/mol  urea  ΔGo  =  -­‐6.86  kJ/mol  urea  ΔSo  =  69.5  J/mol  K

   19      19      19  

①  Wear  your  safety  glasses.  Dress  for  a  mess.  

②  The  cover  sheet  summarizes  everything  that  you  need  to  include  with  your  report.      

③  Take  Fme  wriFng  an  IntroducFon  and  Conclusion  in  your  own  words.    Also,  sources  of  error  

④  Record  observaFons  and  details  as  carefully  as  possible.      

⑤  Use  the  analyFcal  balance  for  massing  out  the  urea  for  the  ΔHo  part.  Making  60  mL  of  1.0  M  urea  takes  about  3.6  g.    Do  not  try  to  get  exactly  3.600  g!    Get  close,  but  record  exactly  how  much  you  used.  Examples:  3.604  g  or  3.597  g.    

⑥  LoggerPro  gives  temperatures  to  nearest  0.1  degree.    This  sets  the  significant  figures  for  your  q  and  ΔH  calculaFons.    

⑦  In  your  conclusions,  calculate  percent  error  from  the  literature  values  shown  below.  

These  values  came  from  the  interweb  or  your  textbook…    The  value  for  ΔGo    will  be  different  because  these  are  for  

1.0  M  soluFons.  

   20  

①  First,  the  cover  page  with  TA  ini8als.  ②  Next,  the  trimmed  copy  pages  from  your  lab  

notebook  stapled  together.    ③  A,ach  your  calorimetry  chart,  including  the  data  

at  the  end  of  your  report.  Staple  all  together.  ④   On-­‐line  results  due  at  the  end  of  class  today.    

Late  submissions  are  not  graded  –  see  the  syllabus.  

⑤  Turn  in  lab  report  today  or  before  the  start  of  class  tomorrow.    Late  labs  may  not  be  graded  –  see  the  syllabus.  

7.  Your  lab  report.    

Ummm…  How  much  urea  did  we  use  anyway?!?!  

WOW!  

Are  these  things  safe?  

Chem  Lab  with  the  S1ck  People  and  Bird  was  created  and  produced  by  Dr.  Bruce  Mafson,  Creighton  Chemistry.  Enjoy  it  and  share  it  if  you  wish.  

S8ck  people  inspired  by  xkcd  cartoons  by  Randall  Munroe  

(www.xkcd.com)