Les reaccions químiques i els canvis físics sovint impliquen transferències d'energia, evidenciades per canvis en la temperatura. Aquests intercanvis d'energia es poden classificar com a endotèrmics, on s'absorbeix energia de l'entorn, o exotèrmics, on es libera energia. La comprensió d'aquests processos és crucial per a aplicacions que van des de la química industrial fins als sistemes biològics.
Aquest experiment examina dos escenaris: la dissolució d'hidròxid de sodi (NaOH) en aigua i la reacció entre l'àcid cítric (C6H8O7) i el bicarbonat de sodi (NaHCO3). Mitjançant la mesura dels canvis de temperatura, els estudiants classificaran cada procés com a endotèrmic o exotèrmic i calcularan els canvis d'energia associats. Aquesta activitat pràctica millora la comprensió de la transferència d'energia en processos químics i proporciona experiència pràctica en la recollida i anàlisi de dades.
Objectius educatius
- Comprensió de la transferència d'energia Els estudiants exploraran els conceptes de reaccions endotèrmiques i exotèrmiques observant els canvis de temperatura durant processos químics i físics.
- Desenvolupament d'habilitats de laboratori: Els estudiants adquiriran habilitat en l'ús de calorímetres, termòmetres digitals i altres equips de laboratori per mesurar i analitzar canvis energètics.
- Aplicació del coneixement teòric: Aplicant fórmules per a càlculs d'energia (per exemple, ), els estudiants connectaran principis teòrics amb dades experimentals.
- Millora del pensament analític: Els estudiants interpretaran les seves observacions per classificar les reaccions i deduir les dinàmiques energètiques subjacents.
- Promoció de la col·laboració: Els estudiants treballaran en equips per dur a terme experiments, registrar dades i analitzar resultats, fomentant així les habilitats de treball en equip i de comunicació.
- Fomentar l'avaluació crítica: En comparar els seus resultats amb les hipòtesis, els estudiants avalua-ran críticament l'exactitud i les implicacions de les seves troballes.
En completar aquest experiment, els estudiants aprofundiran la seva comprensió de la transferència d'energia en processos químics i milloraran les seves habilitats pràctiques i analítiques.
Protocol
Experiment 1: Aigua + hidròxid de sodide
- Mesura 100 ml d'aigua destil·lada utilitzant el cilindre graduat.
- Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
- Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
- La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
- Utilitzant el vaixell de pesatge, pesi aproximadament 4 g (aproximadament 2 ml) de pols d'hidròxid de sodi.
- Aboca el contingut del vaixell de pesada dins del calorímetre.
- Connecteu la tapa del calorímetre al calorímetre.
- Activa el botó verd de l'agitador a la tapa del calorímetre.
- Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
- La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
- Atura l'agitador prement el botó vermell.
- Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
- Traieu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
- Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
Experiment 2: Àcid cítric + bicarbonat de sodi
- Mesureu 50 ml d'àcid cítric amb el vas de mesura.
- Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
- Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
- La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
- Utilitzant el vaixell de pesatge, peseu aproximadament 4,5 g (aproximadament 2 ml) de bicarbonat de sodi.
- Aboca el contingut del vaixell de pesada dins del calorímetre.
- Connecteu la tapa del calorímetre al calorímetre.
- Activa el botó verd del remenador a la tapa del calorímetre.
- Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
- La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
- Atura l'agitador prement el botó vermell.
- Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
- Retireu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
- Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
Resultats previstos
NaOH(s) + H2O
- La dissociació de NaOH(s) en Na+ i OH– (base forta) allibera 44,5 kJ d'energia per mol de NaOH
- La reacció triga d'1 a 2 segons a arribar a la completitud.
- Per a 100 ml d'aigua i 4 g de NaOH(s), l'augment de temperatura serà aproximadament de 10,6 ℃.
NaHCO3(s) + àcid cítric (solució)
- La reacció entre NaHCO3(s) i àcid cítric (àcid feble) alliberaran CO2(g) i absorbir 20kJ d'energia per mol de NaHCO3.
- Per a 50 ml d'aigua i 4,5 g de NaHCO3(s), la disminució de la temperatura serà d'aproximadament 4,7 ℃.
- Quan l'àcid cítric (un àcid feble i tripròtic) es barreja amb el bicarbonat de sodi (un àcid, bicarbonat de sodi, una base), es neutralitzen mútuament i produeixen gas diòxid de carboni, aigua i una sal anomenada citrat de sodi. Les bombolles de CO₂ provoquen el borbolleig que veus; aquesta és la mateixa idea darrere dels bombs de bany i algunes demostracions de “volcans”.
- El procés és endotèrmic, és a dir, absorbeix calor de l'entorn, de manera que la barreja sovint se sent freda. Com que l'àcid cítric pot donar tres ions H⁺, pot reaccionar amb fins a 3 mols de NaHCO₃ per mol d'àcid.
Resum de tasques per rang de qualificació
Cursos 6è-8è
Enfocament Introducció als canvis energètics i observacions qualitatives.
- Els estudiants observaran els canvis de temperatura i identificaran les reaccions com a exotèrmiques o endotèrmiques.
- Es posarà èmfasi en la comprensió de la relació entre la temperatura i la transferència d'energia.
Resultats esperats:
- Reconeixement de la transferència d'energia durant els canvis químics i físics.
- Desenvolupament d'habilitats bàsiques d'observació i registre.
- Introducció al paper de l'energia en els processos químics.
Cursos 9-10
Enfocament Exploració intermèdia de càlculs energètics i classificació de reaccions.
- Els estudiants mesuraran els canvis de temperatura, calcularan els valors energètics i classificaran les reaccions utilitzant conceptes teòrics.
- Analitzaran el paper del enllaç químic en els canvis energètics.
Resultats esperats:
- Millora de la capacitat de connectar dades experimentals amb principis teòrics.
- Comprensió més profunda de la transferència d'energia i la dinàmica de reaccions.
- Tècniques de laboratori millorades i habilitats analítiques.
Cursos 11è-12è
Enfocament Anàlisi avançada i avaluació crítica de la dinàmica energètica.
- Els estudiants realitzaran càlculs energètics detallats, avaluaran els seus resultats i prepararan informes de laboratori exhaustius.
- Exploraran les implicacions més àmplies dels canvis energètics en els processos químics i físics.
Resultats esperats:
- Domini de les tècniques experimentals i càlculs energètics.
- Domini de l'escriptura científica i de l'anàlisi crítica.
- Comprensió aprofundida de les dinàmiques energètiques en processos químics i les seves aplicacions.
Aquest enfocament estructurat garanteix que els estudiants de tots els nivells puguin participar significativament en l'experiment, construint els seus coneixements i habilitats de manera progressiva.
Equipament de laboratori
Instruments
- Calorímetre
- Balança electrònica
- Termòmetres analògics i numèrics
- Espàtules
- Cilindre graduat 100mL
Productes
- NaOH(s)
- NaHCO3(s)
- Àcid cítric 1M