HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Énergie
Thermochimie déterminer la chaleur échangée à pression constante,
q = m c ∆T.
Calculer le réactif limitant, la variation d’enthalpie de la réaction, ∆Hrxn, peut être déterminée puisque la réaction a été conduite dans des conditions de pression constante
∆Hrxn = qrxn / # moles de réactif limitant
Cette réaction est classée comme une réaction exothermique.
Cette démonstration est généralement effectuée lorsque des sujets de thermochimie ou de thermodynamique sont abordés. La réaction de HCl(aq), un acide fort, avec NaOH(aq), une base forte, est une réaction exothermique. L’idée principale de la plupart des démonstrations calorimétriques est que l’énergie est conservée. L’énergie ne peut pas être créée ou détruite, mais elle peut être échangée.
qlost+ qgain = 0 ou qreleased + qgain = 0
Cette démonstration illustre également comment la formation d’eau (une des forces motrices) peut agir pour conduire une réaction à la spontanéité. Il s’agit d’une réaction de neutralisation où l’ion hydroxyde joue le rôle de la base et l’ion hydronium celui de l’acide.
Rendre cette démonstration interactive – apprentissage actif
L’instructeur doit « encadrer » la démonstration et guider la discussion. Après que les élèves aient observé les conditions initiales des solutions et observé les résultats de la démonstration, il est important que les élèves soient autorisés à discuter de ce qui gagne de la chaleur et de ce qui en perd dans ce processus chimique avant que les instructeurs ne donnent les réponses aux élèves. Les élèves doivent être invités à identifier ce qui gagne de la chaleur et ce qui en perd – utilisez une série de questions à cliquer. Demandez : « Qu’est-ce qui gagne de la chaleur ? » « Quelle quantité d’énergie, sous forme de chaleur, est libérée ou gagnée par la solution ? » « Quelle quantité d’énergie, sous forme de chaleur, est libérée ou gagnée par la réaction ? « Quelles sont les principales espèces présentes dans chaque solution avant la réaction ? « Quelles sont les espèces présentes dans la solution après la réaction ? » « Comment la chaleur se manifeste-t-elle – qu’est-ce que les molécules d’eau font différemment pendant que la réaction se produit ? »
Les difficultés des élèves avec les concepts de thermochimie
Les élèves ont des difficultés à distinguer les termes température et chaleur. Les élèves ont des difficultés avec l’idée que la matière en vrac qu’ils peuvent voir n’est PAS la réaction chimique. Une réaction chimique n’a pas de masse, n’a pas de chaleur spécifique et ne change pas de température. Une réaction chimique consiste en la rupture et la formation de liaisons, ce qui constitue une forme d’énergie potentielle. Dans cette démonstration, la réaction chimique libère de la chaleur dans l’environnement immédiat. L’eau et les produits chimiques dissous gagnent de la chaleur – la chaleur est transférée dans la solution, qui est principalement de l’eau. gagné de la chaleur. Lorsque la chaleur est transférée dans l’environnement, la solution, à partir de la réaction chimique, la température de la solution augmente. Les molécules d’eau formées par la réaction ont une énergie cinétique plus élevée que les molécules d’eau originales dans la solution. Les molécules d’eau nouvellement formées entrent en collision avec les molécules d’eau originales, ce qui fait que certaines des molécules d’eau originales se déplacent plus rapidement, il y a une augmentation nette de l’énergie cinétique des molécules d’eau.
Énergie cinétique = (1/2 mv2)moyenne = (3/2) kT T est la température et k est la constante de Boltzmann
Les élèves ont du mal à comprendre que par la vibration et le mouvement des atomes et ou des molécules, de la chaleur est échangée et que c’est une forme d’énergie cinétique.
Il y a une animation informatique disponible décrivant le mouvement rapide des molécules d’eau nouvellement formées à la suite d’une réaction acide-base pour accompagner cette démonstration.
Il y a une simulation informatique de calorimétrie disponible pour accompagner cette démonstration.
Il y a une activité en classe de type POGIL pour accompagner cette démonstration.
Il y a un ensemble de diapositives Power Point interactives d’enquête guidée pour accompagner cette démonstration.
La démonstration de la calorimétrie de neutralisation acide-base, l’animation informatique au niveau des particules et les équations chimiques aident les élèves à relier les niveaux de représentation macroscopique, microscopique (particule) et symbolique – le triangle d’Alex Johnstone – ce qui conduit à une compréhension plus approfondie des concepts associés à la thermochimie.
Simulation informatique de calorimétrie
https://media.pearsoncmg.com/bc/bc_0media_chem/chem_sim/calorimetry/Calor.php
©2016 Greenbowe, Abraham, Gelder Chemistry Education Instructional Resources. Université de l’Oregon, Université d’État de l’Oklahoma, Université de l’Oklahoma, Pearson
Objectifs d’apprentissage
Après avoir observé la démonstration et fait les activités en classe, les étudiants devraient être capables de
1. Identifier le système et l’environnement pour une expérience de calorimétrie donnée.
2. Identifier ce qui libère de la chaleur et ce qui gagne de la chaleur pour une expérience de calorimétrie donnée.
3. Calculer la chaleur gagnée ou libérée par une solution, qsolution, impliquée dans une expérience de calorimétrie donnée : masse totale de la solution, chaleur spécifique de la solution, changement de température de la solution : q = m c ∆T
4. Appliquer la loi de conservation de l’énergie aux expériences de calorimétrie, qréaction + qsolution= 0
5. Si l’expérience calorimétrique est réalisée dans des conditions de pression constante, calculer le ∆H pour la réaction.
6. Étant donné soit les mesures de température initiale et finale d’une solution, soit le signe du ∆Hrxn, identifier si une réaction est endothermique ou exothermique.
7. Étant donné le changement d’enthalpie pour une réaction, les quantités de réactifs et une équation chimique équilibrée, calculer la chaleur échangée pour une réaction.