HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energia
La termochimica determina il calore scambiato a pressione costante,
q = m c ∆T.
Calcolando il reagente limitante, la variazione dell’entalpia della reazione, ∆Hrxn, può essere determinata poiché la reazione è stata condotta in condizioni di pressione costante
∆Hrxn = qrxn / # moli del reagente limitante
Questa reazione è classificata come una reazione esotermica.
Questa dimostrazione viene solitamente eseguita quando si discutono argomenti di termochimica o termodinamica. La reazione di HCl(aq), un acido forte, con NaOH(aq), una base forte, è una reazione esotermica. La grande idea per la maggior parte delle dimostrazioni a tema calorimetrico è che l’energia si conserva. L’energia non può essere creata o distrutta, ma può essere scambiata.
qlost+ qgain = 0 o qreleased + qgain = 0
Questa dimostrazione illustra anche come la formazione di acqua (una delle forze motrici) può agire per portare una reazione alla spontaneità. Questa è una reazione di neutralizzazione con lo ione idrossido che agisce come base e lo ione idronio che agisce come acido.
Rendere questa dimostrazione interattiva – apprendimento attivo
L’istruttore dovrebbe “inquadrare” la dimostrazione e guidare la discussione. Dopo che gli studenti hanno osservato le condizioni iniziali delle soluzioni e i risultati della dimostrazione, è importante che gli studenti possano discutere su cosa guadagna e cosa perde calore in questo processo chimico prima che l’istruttore comunichi agli studenti le risposte. Agli studenti dovrebbe essere chiesto di identificare ciò che guadagna calore e ciò che lo perde – usare una serie di Clicker Questions. Chiedere “Cosa guadagna calore? “Quanta energia, come calore, viene rilasciata o guadagnata dalla soluzione? “Quanta energia, come calore, viene rilasciata o guadagnata dalla reazione? “Quali sono le specie primarie presenti in ogni soluzione prima della reazione? “Quali sono le specie presenti nella soluzione dopo la reazione? “Come si manifesta il calore – cosa fanno le molecole d’acqua in modo diverso mentre avviene la reazione?”
Difficoltà degli studenti con i concetti di termochimica
Gli studenti hanno difficoltà a distinguere i termini temperatura e calore. Gli studenti hanno difficoltà con l’idea che il materiale sfuso che possono vedere NON è la reazione chimica. Una reazione chimica non ha massa, non ha calore specifico e non cambia la temperatura. Una reazione chimica consiste nella rottura di legami e nella formazione di legami e questa è una forma di energia potenziale. In questa dimostrazione, la reazione chimica rilascia calore all’ambiente circostante. L’acqua e le sostanze chimiche disciolte guadagnano calore – il calore viene trasferito nella soluzione, che è principalmente acqua. Quando il calore viene trasferito nell’ambiente circostante, la soluzione, dalla reazione chimica, la soluzione aumenta di temperatura. Le molecole d’acqua che si formano dalla reazione hanno un’energia cinetica più alta rispetto alle molecole d’acqua originali nella soluzione. Le nuove molecole d’acqua formate si scontrano con le molecole d’acqua originali facendo muovere alcune delle molecole d’acqua originali più velocemente, c’è un aumento netto dell’energia cinetica delle molecole d’acqua.
Energia cinetica = (1/2 mv2)media = (3/2) kT T è la temperatura e k è la costante di Boltzmann
Gli studenti hanno difficoltà a capire che attraverso la vibrazione e il movimento di atomi e o molecole viene scambiato calore e questa è una forma di energia cinetica.
E’ disponibile un’animazione al computer che mostra il rapido movimento delle molecole d’acqua appena formate come risultato di una reazione acido-base per accompagnare questa dimostrazione.
E’ disponibile una simulazione al computer di calorimetria per accompagnare questa dimostrazione.
E’ disponibile un’attività in classe di tipo POGIL per accompagnare questa dimostrazione.
E’ disponibile una serie di diapositive interattive in Power Point per l’indagine guidata per accompagnare questa dimostrazione.
La dimostrazione della calorimetria di neutralizzazione acido-base, l’animazione al computer a livello di particelle e le equazioni chimiche aiutano gli studenti a collegare i livelli di rappresentazione macroscopico, microscopico (particelle) e simbolico – il triangolo di Alex Johnstone – che porta a una comprensione più approfondita dei concetti associati alla termochimica.
Simulazione di Calorimetria al computer
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
Obiettivi di apprendimento
Dopo aver osservato la dimostrazione e fatto le attività in classe, gli studenti dovrebbero essere in grado di
1. Identificare il sistema e l’ambiente circostante per un dato esperimento calorimetrico.
2. Identificare cosa sta rilasciando calore e cosa sta guadagnando calore per un dato esperimento calorimetrico.
3. Calcolare il calore guadagnato o rilasciato da una soluzione, qsoluzione, coinvolta in un dato esperimento calorimetrico: massa totale della soluzione, calore specifico della soluzione, variazione di temperatura della soluzione: q = m c ∆T
4. Applicare la legge di conservazione dell’energia agli esperimenti calorimetrici, qreazione + qsoluzione= 0
5. Se l’esperimento calorimetrico è condotto in condizioni di pressione costante, calcola il ∆H per la reazione.
6. Date le misure della temperatura iniziale e finale di una soluzione o il segno del ∆Hrxn, identifica se una reazione è endotermica o esotermica.
7. Data la variazione di entalpia per una reazione, le quantità di reagenti e un’equazione chimica bilanciata, calcola il calore scambiato per una reazione.