HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energi
Thermokemi bestemmer den varme, der udveksles ved konstant tryk,
q = m c ∆T.
Med beregning af den begrænsende reaktant kan reaktionsens enthalpiforandring, ∆Hrxn, bestemmes, da reaktionen blev gennemført under forhold med konstant tryk
∆Hrxn = qrxn / # mol af den begrænsende reaktant
Denne reaktion klassificeres som en exoterm reaktion.
Denne demonstration udføres normalt, når emner inden for termokemi eller termodynamik drøftes. Reaktionen af HCl(aq), en stærk syre, med NaOH(aq), en stærk base, er en exoterm reaktion. Den store idé for de fleste kalorimetriske temademonstrationer er, at energi bevares. Energi kan ikke skabes eller ødelægges, men den kan udveksles.
qlost+ qgain = 0 eller qreleased + qgain = 0
Denne demonstration illustrerer også, hvordan dannelsen af vand (en af de drivende kræfter) kan virke til at drive en reaktion til spontanitet. Der er tale om en neutraliseringsreaktion, hvor hydroxidionen fungerer som base og hydroniumionen fungerer som syre.
Gør denne demonstration interaktiv – aktiv læring
Instruktøren bør “indramme” demonstrationen og styre diskussionen. Efter at eleverne har observeret opløsningernes begyndelsesbetingelser og observeret resultaterne af demonstrationen, er det vigtigt, at eleverne får lov til at diskutere, hvad der vinder varme, og hvad der taber varme i denne kemiske proces, før instruktøren fortæller eleverne svarene. Eleverne bør blive bedt om at finde ud af, hvad der tilfører varme, og hvad der mister varme – brug en række klikker-spørgsmål. Spørg: “Hvad får varme?” “Hvor meget energi, i form af varme, frigives eller tilvindes af opløsningen?” “Hvor meget energi, i form af varme, frigives eller vindes ved reaktionen?” “Hvilke primære arter er der i hver opløsning før reaktionen?” “Hvilke arter er der i opløsningen efter reaktionen?” “Hvordan manifesteres varmen – hvad gør vandmolekylerne forskelligt, mens reaktionen finder sted?”
Studenters vanskeligheder med termokemiske begreber
Studenterne har svært ved at skelne mellem begreberne temperatur og varme. Eleverne har svært ved at forstå, at det bulkmateriale, de kan se, IKKE er den kemiske reaktion. En kemisk reaktion har ingen masse, har ingen specifik varme og ændrer ikke temperaturen. En kemisk reaktion består af bindinger, der brydes, og bindinger, der dannes, og dette er en form for potentiel energi. I denne demonstration afgiver den kemiske reaktion varme til de umiddelbare omgivelser. Vandet og de opløste kemikalier får varme – varmen overføres til opløsningen, som for det meste består af vand. Når der overføres varme til omgivelserne, opløsningen, fra den kemiske reaktion, stiger opløsningen i temperatur. De vandmolekyler, der dannes ved reaktionen, har højere kinetisk energi sammenlignet med de oprindelige vandmolekyler i opløsningen. De nyligt dannede vandmolekyler støder sammen med de oprindelige vandmolekyler, hvilket får nogle af de oprindelige vandmolekyler til at bevæge sig hurtigere, og der sker en nettostigning i vandmolekylernes kinetiske energi.
Kinetisk energi = (1/2 mv2)gennemsnit = (3/2) kT T er temperaturen, og k er Boltzmann-konstanten
De studerende har svært ved at forstå, at der gennem vibrationer og bevægelse af atomer og/eller molekyler udveksles varme, og at dette er en form for kinetisk energi.
Der findes en computeranimation, der viser den hurtige bevægelse af nyligt dannede vandmolekyler som følge af en syre-base-reaktion, som ledsager denne demonstration.
Der findes en computersimulering af kalorimetri, som ledsager denne demonstration.
Der findes en POGIL-lignende aktivitet i klassen, som ledsager denne demonstration.
Der findes et sæt interaktive Power Point-dias med guidet undersøgelse, som ledsager denne demonstration.
Den demonstration af syre-base-neutraliseringskalorimetri, computeranimationen på partikelniveau og de kemiske ligninger hjælper eleverne med at forbinde de makroskopiske, mikroskopiske (partikel) og symbolske repræsentationsniveauer – Alex Johnstone’s Triangle – hvilket fører til en mere dybtgående forståelse af de begreber, der er forbundet med termokemi.
Kalorimetri-computersimulering
https://media.pearsoncmg.com/bc/bc_0media_chem/chem_sim/calorimetry/Calor.php
©2016 Greenbowe, Abraham, Gelder Chemistry Education Instructional Resources. University of Oregon, Oklahoma State University, University of Oklahoma, Pearson
Læringsmål
Efter at have observeret demonstrationen og udført aktiviteterne i klassen skal eleverne være i stand til
1. Identificere systemet og omgivelserne for et givet kalorimetrisk eksperiment.
2. Identificere, hvad der afgiver varme, og hvad der tilfører varme for et givet kalorimetrisk eksperiment.
3. Beregn den varme, der er opnået eller frigivet af en opløsning, qløsning, der indgår i et givet kalorimetrisk forsøg: opløsningens samlede masse, opløsningens specifikke varme, ændring i opløsningens temperatur: q = m c ∆T
4. Anvend loven om bevarelse af energi på kalorimetreforsøg: qreaktion + qløsning= 0
5. Hvis kalorimetriforsøget udføres under konstante trykforhold, beregnes ∆H for reaktionen.
6. På baggrund af enten målingerne af en opløsnings begyndelses- og sluttemperatur eller ∆Hrxn’s fortegn identificeres det, om en reaktion er endotermisk eller exotermisk.
7. På baggrund af ændringen i enthalpi for en reaktion, mængden af reaktanter og en balanceret kemisk ligning beregnes den varme, der udveksles for en reaktion.