HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energie
Die Thermochemie bestimmt die bei konstantem Druck ausgetauschte Wärme,
q = m c ∆T.
Bei der Berechnung des limitierenden Reaktanten kann die Enthalpieänderung der Reaktion, ∆Hrxn, bestimmt werden, da die Reaktion unter Bedingungen konstanten Drucks durchgeführt wurde
∆Hrxn = qrxn / # Mol des limitierenden Reaktanten
Diese Reaktion wird als exotherme Reaktion eingestuft.
Diese Demonstration wird in der Regel durchgeführt, wenn Themen der Thermochemie oder Thermodynamik besprochen werden. Die Reaktion von HCl(aq), einer starken Säure, mit NaOH(aq), einer starken Base, ist eine exotherme Reaktion. Der Grundgedanke bei den meisten Demonstrationen zur Kalorimetrie ist, dass Energie erhalten bleibt. Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, aber sie kann ausgetauscht werden.
qVerlust+ qGewinn = 0 oder qFreigabe + qGewinn = 0
Diese Demonstration zeigt auch, wie die Bildung von Wasser (eine der treibenden Kräfte) eine Reaktion zur Spontaneität treiben kann. Es handelt sich um eine Neutralisationsreaktion, bei der das Hydroxid-Ion als Base und das Hydronium-Ion als Säure fungiert.
Diese Demonstration interaktiv gestalten – aktives Lernen
Die Lehrkraft sollte die Demonstration „einrahmen“ und die Diskussion leiten. Nachdem die Schüler die Ausgangsbedingungen der Lösungen und die Ergebnisse der Demonstration beobachtet haben, ist es wichtig, dass die Schüler darüber diskutieren können, was bei diesem chemischen Prozess Wärme gewinnt und was Wärme verliert, bevor die Lehrkraft den Schülern die Antworten gibt. Die Schüler sollten aufgefordert werden, herauszufinden, was Wärme gewinnt und was Wärme verliert – verwenden Sie eine Reihe von Clicker-Fragen. Fragen Sie „Was gewinnt Wärme?“ „Wie viel Energie in Form von Wärme wird durch die Lösung freigesetzt oder gewonnen? „Wie viel Energie in Form von Wärme wird durch die Reaktion freigesetzt oder gewonnen?“ „Welches sind die primären Spezies, die in jeder Lösung vor der Reaktion vorhanden sind? „Welche Spezies sind nach der Reaktion in der Lösung vorhanden?“ „Wie äußert sich die Wärme – was machen die Wassermoleküle anders, während die Reaktion abläuft?“
Schüler haben Schwierigkeiten mit thermochemischen Konzepten
Schüler haben Schwierigkeiten, die Begriffe Temperatur und Wärme zu unterscheiden. Die Schüler haben Schwierigkeiten mit der Vorstellung, dass die Masse, die sie sehen können, NICHT die chemische Reaktion ist. Eine chemische Reaktion hat keine Masse, keine spezifische Wärme und ändert die Temperatur nicht. Bei einer chemischen Reaktion brechen Bindungen auf und es bilden sich Bindungen, was eine Form von potenzieller Energie ist. In dieser Demonstration gibt die chemische Reaktion Wärme an die unmittelbare Umgebung ab. Das Wasser und die gelösten Chemikalien gewinnen Wärme – die Wärme wird in die Lösung übertragen, die hauptsächlich aus Wasser besteht. gewonnene Wärme. Wenn durch die chemische Reaktion Wärme an die Umgebung, die Lösung, abgegeben wird, erhöht sich die Temperatur der Lösung. Die durch die Reaktion entstehenden Wassermoleküle haben eine höhere kinetische Energie als die ursprünglichen Wassermoleküle in der Lösung. Die neu gebildeten Wassermoleküle stoßen mit den ursprünglichen Wassermolekülen zusammen, was dazu führt, dass sich einige der ursprünglichen Wassermoleküle schneller bewegen, wodurch sich die kinetische Energie der Wassermoleküle erhöht.
Kinetische Energie = (1/2 mv2)Durchschnitt = (3/2) kT T ist die Temperatur und k ist die Boltzmann-Konstante
Schüler haben Schwierigkeiten zu verstehen, dass durch die Vibration und Bewegung von Atomen und/oder Molekülen Wärme ausgetauscht wird und dies eine Form von kinetischer Energie ist.
Zu dieser Demonstration ist eine Computeranimation verfügbar, die die schnelle Bewegung neu gebildeter Wassermoleküle als Ergebnis einer Säure-Base-Reaktion darstellt.
Zu dieser Demonstration ist eine Computersimulation zur Kalorimetrie verfügbar.
Zu dieser Demonstration ist eine POGIL-ähnliche Aktivität in der Klasse verfügbar.
Zu dieser Demonstration ist ein Satz interaktiver Power-Point-Folien für geführte Untersuchungen verfügbar.
Die Demonstration der Säure-Base-Neutralisationskalorimetrie, die Computeranimation auf Teilchenebene und die chemischen Gleichungen helfen den Schülern, die makroskopische, die mikroskopische (Teilchen) und die symbolische Darstellungsebene – Alex Johnstone’s Triangle – zu verbinden, was zu einem tieferen Verständnis der mit der Thermochemie verbundenen Konzepte führt.
Calorimetry Computer Simulation
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
Lernziele
Nach der Beobachtung der Demonstration und der Durchführung der Aktivitäten im Unterricht sollten die Schüler in der Lage sein
1. Das System und die Umgebung für ein gegebenes Kalorimetrieexperiment zu identifizieren.
2. Zu identifizieren, was bei einem gegebenen Kalorimetrieexperiment Wärme abgibt und was Wärme aufnimmt.
3. Berechne die Wärme, die von einer Lösung, qLösung, in einem gegebenen Kalorimeterexperiment gewonnen oder abgegeben wird: Gesamtmasse der Lösung, spezifische Wärme der Lösung, Temperaturänderung der Lösung: q = m c ∆T
4. Wende den Energieerhaltungssatz auf Kalorimeterexperimente an, qReaktion + qLösung= 0
5. Wenn das Kalorimeterexperiment unter konstanten Druckbedingungen durchgeführt wird, berechnen Sie ∆H für die Reaktion.
6. Bestimmen Sie anhand der Anfangs- und Endtemperatur einer Lösung oder des Vorzeichens der ∆Hrxn, ob eine Reaktion endotherm oder exotherm ist.
7. Berechnen Sie anhand der Enthalpieänderung einer Reaktion, der Mengen der Reaktanden und einer ausgeglichenen chemischen Gleichung die für eine Reaktion ausgetauschte Wärme.