HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energia
Termochemia wyznacz ciepło wymienione przy stałym ciśnieniu,
q = m c ∆T.
Obliczając czynnik ograniczający reakcję, można wyznaczyć zmianę entalpii reakcji, ∆Hrxn, ponieważ reakcja była prowadzona w warunkach stałego ciśnienia
∆Hrxn = qrxn / # moli czynnika ograniczającego reakcję
Reakcja ta jest klasyfikowana jako reakcja egzotermiczna.
Ta demonstracja jest zwykle wykonywana, gdy omawiane są tematy z termochemii lub termodynamiki. Reakcja HCl(aq), mocnego kwasu, z NaOH(aq), mocną zasadą, jest reakcją egzotermiczną. Główną ideą większości pokazów związanych z kalorymetrią jest to, że energia jest zachowana. Energia nie może być stworzona lub zniszczona, ale może być wymieniana.
qlost+ qgain = 0 lub qreleased + qgain = 0
Ta demonstracja ilustruje również jak tworzenie się wody (jedna z sił napędowych) może działać w celu doprowadzenia reakcji do spontaniczności. Jest to reakcja neutralizacji z jonem wodorotlenkowym działającym jako zasada i jonem hydroniowym działającym jako kwas.
Uczynienie tej demonstracji interaktywną – aktywne uczenie się
Prowadzący powinien „obramować” demonstrację i poprowadzić dyskusję. Po tym, jak uczniowie zaobserwują warunki początkowe roztworów i wyniki demonstracji, ważne jest, aby uczniowie mogli przedyskutować, co zyskuje, a co traci ciepło w tym procesie chemicznym, zanim prowadzący poda uczniom odpowiedzi. Uczniowie powinni zostać poproszeni o określenie, co zyskuje, a co traci ciepło – użyj serii pytań klikerowych. Zapytaj „Co zyskuje ciepło?” „Ile energii, w postaci ciepła, jest uwalniane lub zyskiwane przez roztwór?” „Ile energii, w postaci ciepła, uwalnia się lub zyskuje w wyniku reakcji? „Jakie są podstawowe gatunki obecne w każdym roztworze przed reakcją?” „Jakie gatunki są obecne w roztworze po reakcji?” „Jak przejawia się ciepło – co cząsteczki wody robią inaczej podczas zachodzenia reakcji?”
Trudności uczniów z pojęciami termochemii
Uczniowie mają trudności z rozróżnianiem terminów temperatura i ciepło. Uczniowie mają trudności z pojęciem, że materiał masowy, który widzą NIE jest reakcją chemiczną. Reakcja chemiczna nie ma masy, nie ma ciepła właściwego i nie zmienia temperatury. Reakcja chemiczna polega na rozerwaniu wiązań i utworzeniu wiązań, co jest formą energii potencjalnej. W tej demonstracji reakcja chemiczna uwalnia ciepło do najbliższego otoczenia. Woda i rozpuszczone związki chemiczne zyskują ciepło – ciepło jest przekazywane do roztworu, który w większości składa się z wody. zyskał ciepło. Kiedy ciepło jest przekazywane do otoczenia, roztworu, z reakcji chemicznej, roztwór zwiększa swoją temperaturę. Cząsteczki wody powstające w wyniku reakcji mają większą energię kinetyczną w porównaniu z pierwotnymi cząsteczkami wody w roztworze. Nowo powstałe cząsteczki wody zderzają się z oryginalnymi cząsteczkami wody powodując, że niektóre z oryginalnych cząsteczek wody poruszają się szybciej, następuje wzrost netto energii kinetycznej cząsteczek wody.
Energia kinetyczna = (1/2 mv2)średnia = (3/2) kT T jest temperaturą a k jest stałą Boltzmanna
Uczniowie mają trudności ze zrozumieniem, że poprzez wibracje i ruch atomów i lub cząsteczek ciepło jest wymieniane i jest to forma energii kinetycznej.
Dostępna jest animacja komputerowa przedstawiająca szybki ruch nowo utworzonych cząsteczek wody w wyniku reakcji kwasowo-zasadowej, która towarzyszy tej demonstracji.
Dostępna jest symulacja komputerowa kalorymetrii, która towarzyszy tej demonstracji.
Dostępna jest aktywność podobna do POGIL w klasie, która towarzyszy tej demonstracji.
Dostępny jest zestaw interaktywnych slajdów Power Point, które towarzyszą tej demonstracji.
Pokazanie demonstracji kalorymetrii neutralizacji kwasowo-zasadowej, animacji komputerowej na poziomie cząsteczek oraz równań chemicznych pomaga uczniom połączyć makroskopowe, mikroskopowe (cząsteczki) i symboliczne poziomy reprezentacji – Trójkąt Alexa Johnstone’a – co prowadzi do bardziej dogłębnego zrozumienia pojęć związanych z termochemią.
Kalorymetria Symulacja komputerowa
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
Cele nauczania
Po obserwacji demonstracji i wykonaniu ćwiczeń w klasie, studenci powinni umieć
1. Zidentyfikować układ i otoczenie dla danego eksperymentu kalorymetrycznego.
2. Zidentyfikować co uwalnia ciepło i co zyskuje ciepło dla danego eksperymentu kalorymetrycznego.
3. Obliczyć ciepło uzyskane lub wydzielone przez roztwór, qroztwór, biorący udział w danym doświadczeniu kalorymetrycznym: całkowitą masę roztworu, ciepło właściwe roztworu, zmianę temperatury roztworu: q = m c ∆T
4. Zastosować prawo zachowania energii do doświadczeń kalorymetrycznych, qreakcja + qroztwór= 0
5. Jeżeli doświadczenie kalorymetryczne przeprowadzono w warunkach stałego ciśnienia, oblicz ∆H dla reakcji.
6. Biorąc pod uwagę pomiary temperatury początkowej i końcowej roztworu lub znak ∆Hrxn, określ, czy reakcja jest endotermiczna czy egzotermiczna.
7. Biorąc pod uwagę zmianę entalpii dla reakcji, ilości reagentów oraz zrównoważone równanie chemiczne, oblicz ciepło wymienione w reakcji.