HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energía
La termoquímica determina el calor intercambiado a presión constante,
q = m c ∆T.
Calculando el reactante limitante, se puede determinar el cambio de entalpía de la reacción, ∆Hrxn, ya que la reacción se realizó en condiciones de presión constante
∆Hrxn = qrxn / # moles de reactante limitante
Esta reacción se clasifica como una reacción exotérmica.
Esta demostración suele realizarse cuando se discuten temas de termoquímica o termodinámica. La reacción de HCl(aq), un ácido fuerte, con NaOH(aq), una base fuerte, es una reacción exotérmica. La gran idea de la mayoría de las demostraciones temáticas de calorimetría es que la energía se conserva. La energía no puede crearse ni destruirse, pero puede intercambiarse.
qlost+ qgain = 0 o qreleased + qgain = 0
Esta demostración también ilustra cómo la formación de agua (una de las fuerzas impulsoras) puede actuar para llevar una reacción a la espontaneidad. Esta es una reacción de neutralización con el ion hidróxido actuando como la base y el ion hidronio actuando como el ácido.
Hacer esta demostración interactiva – aprendizaje activo
El instructor debe «enmarcar» la demostración y guiar la discusión. Después de que los estudiantes observen las condiciones iniciales de las soluciones y observen los resultados de la demostración, es importante que se permita a los estudiantes discutir qué gana calor y qué pierde calor en este proceso químico antes de que el instructor diga las respuestas a los estudiantes. Se debe pedir a los alumnos que identifiquen lo que gana calor y lo que lo pierde: utilice una serie de preguntas de tipo clicker. Pregunte «¿Qué gana calor?» «¿Cuánta energía, en forma de calor, libera o gana la solución?» «¿Cuánta energía, en forma de calor, libera o gana la reacción? «¿Cuáles son las especies primarias presentes en cada solución antes de la reacción? «¿Cuáles son las especies presentes en la solución después de la reacción? «¿Cómo se manifiesta el calor: qué hacen las moléculas de agua de forma diferente mientras se produce la reacción?»
Dificultades de los alumnos con los conceptos de termoquímica
Los alumnos tienen dificultades para distinguir los términos temperatura y calor. Los estudiantes tienen dificultades con la idea de que el material en masa que pueden ver NO es la reacción química. Una reacción química no tiene masa, no tiene calor específico y no cambia la temperatura. Una reacción química consiste en la ruptura de enlaces y la formación de enlaces y esto es una forma de energía potencial. En esta demostración, la reacción química libera calor al entorno inmediato. El agua y los productos químicos disueltos ganan calor: el calor se transfiere a la solución, que es mayoritariamente agua. calor ganado. Cuando el calor se transfiere a los alrededores, la solución, a partir de la reacción química, la solución aumenta su temperatura. Las moléculas de agua formadas por la reacción tienen mayor energía cinética que las moléculas de agua originales de la solución. Las moléculas de agua recién formadas chocan con las moléculas de agua originales haciendo que algunas de las moléculas de agua originales se muevan más rápido, hay un aumento neto de la energía cinética de las moléculas de agua.
Energía cinética = (1/2 mv2)media = (3/2) kT T es la temperatura y k es la constante de Boltzmann
A los alumnos les cuesta entender que a través de la vibración y el movimiento de los átomos y/o moléculas se intercambia calor y que éste es una forma de energía cinética.
Hay una animación por ordenador disponible que representa el rápido movimiento de las moléculas de agua recién formadas como resultado de una reacción ácido-base para acompañar esta demostración.
Hay una simulación informática de calorimetría disponible para acompañar esta demostración.
Hay una actividad tipo POGIL en clase para acompañar esta demostración.
Hay un conjunto de diapositivas interactivas de Power Point de investigación guiada para acompañar esta demostración.
Mostrar la demostración de calorimetría de neutralización ácido-base, la animación por ordenador a nivel de partícula y las ecuaciones químicas ayuda a los estudiantes a conectar los niveles de representación macroscópico, microscópico (partícula) y simbólico -el triángulo de Alex Johnstone- lo que conduce a una comprensión más profunda de los conceptos asociados a la termoquímica.
Simulación informática de calorimetría
https://media.pearsoncmg.com/bc/bc_0media_chem/chem_sim/calorimetry/Calor.php
©2016 Greenbowe, Abraham, Gelder Chemistry Education Instructional Resources. Universidad de Oregón, Universidad Estatal de Oklahoma, Universidad de Oklahoma, Pearson
Objetivos de aprendizaje
Después de observar la demostración y realizar las actividades en clase, los estudiantes deben ser capaces de
1. Identificar el sistema y el entorno para un experimento de calorimetría dado.
2. Identificar qué está liberando calor y qué está ganando calor para un experimento de calorimetría dado.
3. Calcular el calor ganado o liberado por una solución, qsolución, involucrada en un experimento calorimétrico dado: masa total de la solución, calor específico de la solución, cambio de temperatura de la solución: q = m c ∆T
4. Aplicar la ley de conservación de la energía a los experimentos calorimétricos, qreacción + qsolución= 0
5. Si el experimento calorimétrico se realiza en condiciones de presión constante, calcule ∆H para la reacción.
6. Dadas las medidas de temperatura inicial y final de una disolución o el signo de la ∆Hrxn, identifique si una reacción es endotérmica o exotérmica.
7. Dado el cambio de entalpía para una reacción, las cantidades de reactivos y una ecuación química balanceada, calcule el calor intercambiado para una reacción.