HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energia
Thermokémia határozza meg a hőcserét állandó nyomáson,
q = m c ∆T.
A határreaktáns kiszámításával meghatározható a reakció entalpiaváltozása, ∆Hrxn, mivel a reakciót állandó nyomás mellett folytattuk le
∆Hrxn = qrxn / # mol határreaktáns
Ez a reakció exoterm reakciónak minősül.
Ezt a szemléltetést általában termokémiai vagy termodinamikai témák tárgyalásakor szokták elvégezni. A HCl(aq), egy erős sav és a NaOH(aq), egy erős bázis reakciója exoterm reakció. A legtöbb kalorimetria témájú bemutató nagy gondolata, hogy az energia megmarad. Energiát nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni, de cserélni lehet.
qlost+ qgain = 0 vagy qreleased + qgain = 0
Ez a demonstráció azt is szemlélteti, hogy a víz képződése (az egyik hajtóerő) hogyan képes egy reakciót spontaneitássá tenni. Ez egy semlegesítési reakció, amelyben a hidroxidion bázisként, a hidróniumion pedig savként viselkedik.
A demonstráció interaktívvá tétele – aktív tanulás
Az oktatónak “keretbe kell foglalnia” a demonstrációt, és irányítania kell a vitát. Miután a tanulók megfigyelték az oldatok kezdeti állapotát és megfigyelték a demonstráció eredményét, fontos, hogy a tanulók megvitathassák, mi nyer hőt és mi veszít hőt ebben a kémiai folyamatban, mielőtt az oktató megmondja a tanulóknak a válaszokat. A tanulókat meg kell kérni, hogy azonosítsák, mi nyer hőt, és mi veszít hőt – használjanak egy sor Clicker-kérdést. Kérdezzük meg: “Mi nyer hőt?” “Mennyi energiát szabadít fel vagy nyer az oldat hő formájában?” “Mennyi energiát szabadít fel vagy nyer a reakció hő formájában?” “Melyek a reakció előtt az egyes oldatokban jelen lévő elsődleges fajok?” “Milyen fajok vannak jelen az oldatban a reakció után?” “Hogyan nyilvánul meg a hő – mit csinálnak másképp a vízmolekulák, miközben a reakció zajlik?”
Tanulói nehézségek a termokémia fogalmaival
A tanulóknak nehézséget okoz a hőmérséklet és a hő fogalmak megkülönböztetése. A tanulóknak nehézségeik vannak azzal a gondolattal, hogy az általuk látható ömlesztett anyag NEM a kémiai reakció. A kémiai reakciónak nincs tömege, nincs fajhője, és nem változtatja meg a hőmérsékletet. A kémiai reakció kötések felbomlásából és kötések kialakulásából áll, és ez a potenciális energia egyik formája. Ebben a demonstrációban a kémiai reakció hőt szabadít fel a közvetlen környezetnek. A víz és az oldott vegyszerek hőt nyernek – a hő átkerül az oldatba, amely nagyrészt víz. nyert hőt. Amikor a kémiai reakcióból hő kerül a környezetbe, az oldatba, az oldat hőmérséklete megnő. A reakció során keletkező vízmolekulák nagyobb mozgási energiával rendelkeznek, mint az oldatban lévő eredeti vízmolekulák. Az újonnan képződött vízmolekulák ütköznek az eredeti vízmolekulákkal, aminek következtében az eredeti vízmolekulák egy része gyorsabban mozog, így a vízmolekulák kinetikus energiája nettó növekedést mutat.
Kinetikus energia = (1/2 mv2)átlag = (3/2) kT T a hőmérséklet, k pedig a Boltzmann-állandó
A tanulók nehezen értik meg, hogy az atomok és/vagy molekulák rezgése és mozgása révén hő cserélődik, és ez a kinetikus energia egyik formája.
Egy számítógépes animáció áll rendelkezésre, amely az újonnan keletkező vízmolekulák gyors mozgását mutatja be egy sav-bázis reakció eredményeként.
Egy kalorimetriás számítógépes szimuláció áll rendelkezésre, amely ezt a bemutatót kíséri.
Egy osztályon belüli POGIL-szerű tevékenység áll rendelkezésre, amely ezt a bemutatót kíséri.
Egy sor interaktív, irányított kérdőíves Power Point fólia áll rendelkezésre, amely ezt a bemutatót kíséri.
A sav-bázis semlegesítő kalorimetriás demonstráció, a részecskeszintű számítógépes animáció és a kémiai egyenletek bemutatása segít a tanulóknak összekapcsolni a makroszkopikus, mikroszkopikus (részecske) és szimbolikus ábrázolási szinteket – Alex Johnstone háromszögét -, ami a termokémiával kapcsolatos fogalmak mélyebb megértéséhez vezet.
Kalorimetria számítógépes szimuláció
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
Tanulási célok
A demonstráció megtekintése és az órai tevékenységek elvégzése után a tanulóknak képesnek kell lenniük
1. Azonosítsák a rendszert és a környezetet egy adott kalorimetriás kísérletnél.
2. Azonosítsák, hogy egy adott kalorimetriás kísérletnél mi az, ami hőt ad le, és mi az, ami hőt nyer.
3. Számítsa ki egy adott kalorimetriás kísérletben részt vevő oldat, qoldat által nyert vagy leadott hőt: oldat össztömege, oldat fajhője, oldat hőmérsékletének változása: q = m c ∆T
4. Alkalmazza az energia megmaradásának törvényét kalorimetriás kísérletekre: qreakció + qoldat= 0
5. Alkalmazza az energia megmaradásának törvényét kalorimetriás kísérletekre: qreakció + qoldat= 0
5. Ha a kalorimetriás kísérletet állandó nyomásviszonyok között végezzük, számítsuk ki a reakció ∆H-ját.
6. Egy oldat kezdeti és végső hőmérsékletének mérése vagy a ∆Hrxn előjele alapján állapítsuk meg, hogy egy reakció endoterm vagy exoterm-e.
7. Egy reakció entalpiaváltozását, a reaktánsok mennyiségét és a kiegyensúlyozott kémiai egyenletet megadva számítsuk ki a reakció során kicserélt hőt.