HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energia
Termokemian avulla määritetään vaihdettu lämpö vakiopaineessa,
q = m c ∆T.
Laskemalla rajoittava reaktantti voidaan määrittää reaktion entalpian muutos, ∆Hrxn, koska reaktio suoritettiin vakiopaineolosuhteissa
∆Hrxn = qrxn / # moolia rajoittavaa reaktanttia
Tämä reaktio luokitellaan eksotermiseksi reaktioksi.
Tämä osoitus suoritetaan yleensä, kun käsitellään termokemian tai termodynamiikan aiheita. Vahvan hapon HCl(aq) ja vahvan emäksen NaOH(aq) reaktio on eksoterminen reaktio. Useimmissa kalorimetria-aiheisissa demonstraatioissa keskeisenä ajatuksena on, että energia säilyy. Energiaa ei voida luoda tai tuhota, mutta sitä voidaan vaihtaa.
qlost+ qgain = 0 tai qreleased + qgain = 0
Tämä demonstraatio havainnollistaa myös sitä, miten veden muodostuminen (yksi liikkeellepanevista voimista) voi toimia niin, että reaktio ajautuu spontaaniin. Kyseessä on neutralointireaktio, jossa hydroksidi-ioni toimii emäksenä ja hydroniumioni happona.
Tämän demonstraation tekeminen interaktiiviseksi – aktiivinen oppiminen
Kouluttajan tulisi ”kehystää” demonstraatio ja ohjata keskustelua. Kun opiskelijat ovat havainneet liuosten alkutiloja ja havainneet demonstraation tuloksia, on tärkeää, että opiskelijat saavat keskustella siitä, mikä tässä kemiallisessa prosessissa saa lämpöä ja mikä menettää lämpöä, ennen kuin ohjaaja kertoo opiskelijoille vastaukset. Oppilaita olisi pyydettävä tunnistamaan, mikä lisää lämpöä ja mikä menettää lämpöä – käytä Clicker-kysymyksiä. Kysy: ”Mikä saa lämpöä?” ”Kuinka paljon energiaa liuos luovuttaa tai saa lämpönä?”. ”Kuinka paljon energiaa vapautuu tai saadaan lämpönä reaktiossa?” ”Kuinka paljon energiaa vapautuu tai saadaan lämpönä reaktiossa?” ”Mitkä ovat kussakin liuoksessa ennen reaktiota esiintyvät ensisijaiset lajit?” ”Mitä lajeja liuoksessa esiintyy reaktion jälkeen?” ”Miten lämpö ilmenee – mitä vesimolekyylit tekevät eri tavalla reaktion aikana?”
Opiskelijoiden vaikeudet termokemian käsitteiden kanssa
Opiskelijoilla on vaikeuksia erottaa termit lämpötila ja lämpö toisistaan. Oppilailla on vaikeuksia sen ajatuksen kanssa, että irtomateriaali, jonka he näkevät, EI ole kemiallinen reaktio. Kemiallisella reaktiolla ei ole massaa, sillä ei ole ominaislämpöä eikä se muuta lämpötilaa. Kemiallinen reaktio koostuu sidosten katkeamisesta ja muodostumisesta, ja tämä on potentiaalisen energian muoto. Tässä demonstraatiossa kemiallinen reaktio vapauttaa lämpöä välittömästi ympäristöön. Vesi ja liuenneet kemikaalit saavat lämpöä – lämpö siirtyy liuokseen, joka on enimmäkseen vettä. saanut lämpöä. Kun lämpöä siirtyy ympäristöön, liuokseen, kemiallisesta reaktiosta, liuoksen lämpötila nousee. Reaktiossa muodostuvilla vesimolekyyleillä on suurempi liike-energia kuin liuoksen alkuperäisillä vesimolekyyleillä. Äskettäin muodostuneet vesimolekyylit törmäävät alkuperäisiin vesimolekyyleihin, jolloin osa alkuperäisistä vesimolekyyleistä liikkuu nopeammin, jolloin vesimolekyylien liike-energia kasvaa.
Kineettinen energia = (1/2 mv2)keskiarvo = (3/2) kT T on lämpötila ja k on Boltzmannin vakio
Opiskelijoiden on vaikea ymmärtää, että atomien ja/tai molekyylien värähtelyn ja liikkeen kautta vaihdetaan lämpöä ja tämä on liike-energian muoto.
Tämän demonstraation yhteydessä on saatavilla tietokoneanimaatio, joka kuvaa hiljattain muodostuneiden vesimolekyylien nopeaa liikettä happo-emäsreaktion seurauksena.
Tämän demonstraation yhteydessä on saatavilla kalorimetrian tietokonesimulaatio.
Tämän demonstraation yhteydessä on saatavilla luokan sisäinen POGIL:in kaltainen aktiviteetti.
Tämän demonstraation yhteydessä on saatavilla interaktiivisia ohjattuja Power Point -dioja.
Hapon ja emäksen neutralointikalorimetrian demonstraation, hiukkastason tietokoneanimaation ja kemiallisten yhtälöiden näyttäminen auttaa oppilaita yhdistämään makroskooppisen, mikroskooppisen (hiukkanen) ja symbolisen esitystason – Alex Johnstonen kolmio – mikä johtaa termokemiaan liittyvien käsitteiden syvällisempään ymmärtämiseen.
Kalorimetrian tietokonesimulaatio
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
Oppimistavoitteet
Katsottuaan demonstraation ja tehtyään luokkatehtävät opiskelijoiden tulisi pystyä
1. Tunnistamaan systeemin ja ympäristön tietyn kalorimetriakokeen osalta.
2. Tunnistamaan, mikä luovuttaa lämpöä ja mikä saa lämpöä tietyn kalorimetriakokeen osalta.
3. Tunnistamaan, mikä luovuttaa lämpöä ja mikä saa lämpöä. Laske tiettyyn kalorimetrikokeeseen osallistuvan liuoksen, qliuos, tuottama tai luovuttama lämpö: liuoksen kokonaismassa, liuoksen ominaislämpö, liuoksen lämpötilan muutos: q = m c ∆T
4. Sovella energian säilymislakia kalorimetrikokeisiin, qreaktio + qliuos= 0
5. Käytä energian säilymislakia kalorimetrikokeisiin, qreaktio + qliuos= 0
5. Jos kalorimetrikoe tehdään vakiopaineolosuhteissa, laske ∆H reaktiolle.
6. Kun otetaan huomioon joko liuoksen alku- ja loppulämpötilamittaukset tai ∆Hrxn merkki, tunnista, onko reaktio endoterminen vai eksoterminen.
7. Kun otetaan huomioon reaktiossa tapahtuva entalpiamuutos, reagoivien aineiden määrät ja tasapainotettu kemiallinen yhtälö, laske reaktiossa vaihdettu lämpö.