HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l) + Energie
Termochimie determinați căldura schimbată la presiune constantă,
q = m c ∆T.
Calculând reactantul limitativ, se poate determina variația de entalpie a reacției, ∆Hrxn, deoarece reacția s-a desfășurat în condiții de presiune constantă
∆Hrxn = qrxn / # moli de reactant limitativ
Această reacție este clasificată ca reacție exotermă.
Această demonstrație se realizează de obicei atunci când se discută subiecte de termochimie sau termodinamică. Reacția dintre HCl(aq), un acid puternic, și NaOH(aq), o bază puternică, este o reacție exotermă. Ideea principală pentru majoritatea demonstrațiilor tematice de calorimetrie este că energia se conservă. Energia nu poate fi creată sau distrusă, dar poate fi schimbată.
qpierdut+ qgăsit = 0 sau qeliberat + qgăsit = 0
Această demonstrație ilustrează, de asemenea, modul în care formarea de apă (una dintre forțele motrice) poate acționa pentru a conduce o reacție spre spontaneitate. Aceasta este o reacție de neutralizare în care ionul de hidroxid acționează ca bază și ionul de hidroniu acționează ca acid.
Facerea acestei demonstrații interactive – învățare activă
Instructorul ar trebui să „încadreze” demonstrația și să ghideze discuția. După ce elevii observă condițiile inițiale ale soluțiilor și observă rezultatele demonstrației, este important ca elevilor să li se permită să discute despre ceea ce câștigă căldură și ceea ce pierde căldură în acest proces chimic înainte ca instructorul să le spună elevilor răspunsurile. Elevilor ar trebui să li se ceară să identifice ceea ce câștigă căldură și ceea ce pierde căldură – utilizați o serie de întrebări de tip clicker. Întrebați „Ce câștigă căldură?” „Câtă energie, sub formă de căldură, este eliberată sau câștigată de soluție?” „Câtă energie, sub formă de căldură, este eliberată sau câștigată de reacție?” „Care sunt speciile primare prezente în fiecare soluție înainte de reacție?” „Care sunt speciile prezente în soluție după reacție?” „Cum se manifestă căldura – ce fac diferit moleculele de apă în timp ce are loc reacția?”
Dificultăți ale elevilor cu conceptele de termochimie
Elevii au dificultăți în a distinge termenii temperatură și căldură. Elevii au dificultăți cu ideea că materialul masiv pe care îl pot vedea NU reprezintă reacția chimică. O reacție chimică nu are masă, nu are căldură specifică și nu modifică temperatura. O reacție chimică constă în ruperea legăturilor și formarea de legături, iar aceasta este o formă de energie potențială. În această demonstrație, reacția chimică eliberează căldură în mediul înconjurător imediat. Apa și substanțele chimice dizolvate capătă căldură – căldura este transferată în soluție, care este în cea mai mare parte apă. câștigat căldură. Atunci când căldura este transferată în mediul înconjurător, soluția, din reacția chimică, soluția crește în temperatură. Moleculele de apă care se formează în urma reacției au o energie cinetică mai mare în comparație cu moleculele de apă originale din soluție. Moleculele de apă nou formate intră în coliziune cu moleculele de apă originale, ceea ce face ca unele dintre moleculele de apă originale să se miște mai repede, existând o creștere netă a energiei cinetice a moleculelor de apă.
Energia cinetică = (1/2 mv2)medie = (3/2) kT T este temperatura și k este constanta lui Boltzmann
Elevii înțeleg cu greu că prin vibrația și mișcarea atomilor și/sau a moleculelor se face schimb de căldură și că aceasta este o formă de energie cinetică.
Există o animație pe calculator care descrie mișcarea rapidă a moleculelor de apă nou formate ca urmare a unei reacții acido-bazice pentru a însoți această demonstrație.
Există o simulare computerizată de calorimetrie pentru a însoți această demonstrație.
Există o activitate de tip POGIL în clasă pentru a însoți această demonstrație.
Există un set de diapozitive Power Point interactive cu întrebări ghidate pentru a însoți această demonstrație.
Vederea demonstrației de calorimetrie de neutralizare acido-bazică, a animației computerizate la nivel de particule și a ecuațiilor chimice îi ajută pe elevi să conecteze nivelurile de reprezentare macroscopică, microscopică (particule) și simbolică – Triunghiul lui Alex Johnstone – ceea ce duce la o înțelegere mai profundă a conceptelor asociate cu termochimia.
Simulare computerizată de calorimetrie
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
Obiective de învățare
După observarea demonstrației și realizarea activităților din clasă, elevii trebuie să fie capabili să
1. Să identifice sistemul și mediul înconjurător pentru un anumit experiment calorimetric.
2. Să identifice ce degajă căldură și ce câștigă căldură pentru un anumit experiment calorimetric.
3. Calculați căldura câștigată sau degajată de o soluție, qsoluție, implicată într-un anumit experiment calorimetric: masa totală a soluției, căldura specifică a soluției, variația de temperatură a soluției: q = m c ∆T
4. Aplicați legea conservării energiei la experimentele calorimetrice, qreacție + qsoluție= 0
5. Dacă experimentul calorimetric se efectuează în condiții de presiune constantă, calculați ∆H pentru reacție.
6. Având în vedere fie măsurătorile temperaturii inițiale și finale a unei soluții, fie semnul lui ∆Hrxn, identificați dacă o reacție este endotermică sau exotermică.
7. Având în vedere modificarea entalpiei pentru o reacție, cantitățile de reactanți și o ecuație chimică echilibrată, calculați căldura schimbată pentru o reacție.