Aquesta sessió de laboratori se centra en examinar com la concentració de l'àcid i la forma física del carbonat de calci (CaCO3) influeixen en les velocitats de reacció.
Mitjançant experiments utilitzant diversos àcids a diferents concentracions i comparant la reactivitat de formes sòlides i en pols de CaCO3, els estudiants obtindran una visió de la cinètica química i la reactivitat dels àcids.
Objectius educatius
- Comprensió de la cinètica química: Els estudiants exploraran com la superfície de contacte i la concentració dels reactius afecten la velocitat de reacció, demostrant els principis fonamentals de la cinètica química.
- Comparació de la reactivitat dels àcids: L'experiment permet als estudiants observar les diferents reactivitats entre àcids com l'àcid clorhídric i l'àcid etanoïc, posant èmfasi en l'impacte del tipus d'àcid en la reacció.
- Aplicació dels principis químics: A través dels resultats experimentals, els estudiants aprofundiran la seva comprensió de conceptes químics clau, incloent-hi la cinètica de reaccions, la concentració de solucions i la naturalesa dels reactius.
- Habilitats d'aplicació pràctica: L'experiència de laboratori ensenya als estudiants com manipular i controlar reaccions químiques de manera efectiva, proporcionant coneixements valuosos aplicables tant en entorns experimentals com industrials.
Investigant els efectes de la concentració de l'àcid i l'estat físic del carbonat de calci en les velocitats de reacció, els estudiants milloraran la seva comprensió dels principis que regeixen la velocitat de les reaccions químiques. Aquesta comprensió és crucial per predir i controlar les reaccions en diverses aplicacions científiques i industrials, enriquint el coneixement i les habilitats pràctiques dels estudiants en química.
Protocol
Preparació
- Omple els gots a la meitat de la següent manera:
- Béquer A: àcid clorhídric (HCl) a 2 M (2 mol/L)
- Erlenmeyer B: àcid etanoic (CH3COOH) a 2 M (2 mol/L)
- Tassa C: àcid clorhídric (HCl) a 2 M (2 mol/L)
- Tassa D: àcid clorhídric (HCl) a 1 M (1 mol/L)
Experiència 1
- Utilitzant la balança, pesa exactament “TARE” abans).
- Col·loqueu el vas de precipitats A (àcid clorhídric a 2 M) a la placa tèrmica.
- Poseu.
- Començar el agitador magnètic utilitzant el botó a la placa calenta.
- Inicia el cronòmetre per mesurar la durada de la reacció.
- Dipositeu les mostres de carbonat de calci al vas de precipitats A.
- Observeu la durada de la reacció al vas de precipitats A. Atureu el cronòmetre quan la reacció s'hagi acabat.
- Atura l'agitador magnètic.
- Retira la vareta magnètica del vas de precipitats.
- Buidar el contingut del vas de precipitació A a la safata de recuperació. Si queda pols al fons del vas, inclinar-lo més per sobre de la safata. Si queden trossos sòlids, posar-los a la safata de recuperació amb les pinces.
- Reinicia el cronòmetre.
- Repetiu els passos de l'1 al 10, utilitzant el matràs B (àcid etanoic a 2 M)
- Compareu els resultats obtinguts entre el recipient A (àcid clorhídric a 2 M) i el recipient B (àcid etanoic a 2 M).
Experiència 2
- Pesa una mostra de carbonat de calci de 2,9 g en el plat de la balança.
- Col·loque el vas de precipitats C (àcid clorhídric a 2 M) a la placa calefactora.
- Poseu.
- Començar el agitador magnètic utilitzant el botó a la placa calenta.
- Inicia el cronòmetre per mesurar la durada de la reacció.
- Diposita la mostra de carbonat de calci al vas C.
- Observeu la durada de la reacció al recipient C. Atureu el cronòmetre quan la reacció hagi acabat.
- Atura l'agitador magnètic.
- Retira la vareta magnètica del vas de precipitats.
- Buidar el contingut del vas de precipitats C a la paperera de recuperació. Si queda pols al fons del vas, inclinar-lo més per sobre de la safata. Si queden peces sòlides, posar-les a la paperera de recuperació amb les pinces.
- Reinicia el cronòmetre.
- Compara els resultats obtinguts entre el beker A (2,71 g de CaCO3(s) en pols) i el vas de precipitats C (2,9 g de CaCO3(s) en fragments).
Experiència 3
- Utilitzant la balança, pesi exactament 2,71 g de carbonat de calci en pols utilitzant la safata de pesada.
- Poseu el vas de precipitats D a la placa de calefacció.
- Poseu.
- Començar el agitador magnètic utilitzant el botó a la placa calenta.
- Inicia el cronòmetre per mesurar la durada de la reacció.
- Dipositeu la mostra de carbonat de calci al vas de precipitats D.
- Observeu la durada de la reacció al vas D. Atureu el cronòmetre quan la reacció hagi acabat.
- Atura el magnetró amb el botó de la placa calenta.
- Retira l'agitador magnètic del vas de precipitats.
- Buidar el contingut del vas de precipitats D a la paperera de recuperació. Si queda pols al fons del vas, inclinar-lo més per sobre de la safata. Si queden peces sòlides, posar-les a la paperera de recuperació amb les pinces.
- Compara els resultats: (vàter A) àcid clorhídric a 2 M vs. (vàter D) àcid clorhídric a 1 M.
Nota: la reacció s'accelera 10 vegades més ràpid, per observar més fàcilment la reacció completa
Resultats previstos
Experiment 1:
Temps de reacció: el carbonat de calci (CaCO₃) reacciona amb àcid clorhídric (HCl) 2 M en aproximadament 50 segons, i amb àcid etanoic (CH₃COOH) 2 M en uns 150 segons.
Observació: l'HCl reacciona més ràpidament amb el CaCO₃ que el CH₃COOH degut a la seva naturalesa àcida més forta, que facilita una alliberació més ràpida de gas.
També és possible que la prova de l'aigua de calç sigui positiva a causa de l'equació CaCO3+CH3COOH→Ca2++CH3COO−+H2O+CO2↑. Quan el CO₂ d'aquesta reacció es fa bombar a través d'aigua de calç (una solució de Ca(OH)₂), provoca que l'aigua de calç es torni tèrbola a causa de la formació de precipitat de carbonat de calci.
Conclusió: la ràpida reacció amb HCl en comparació amb CH₃COOH il·lustra l'impacte de la força àcida en les velocitats de reacció.
Experiment 2:
Temps de reacció: el CaCO₃ en pols reacciona en uns 50 segons, mentre que en trossos triga uns 115 segons.
Observació: l'augment de la superfície del CaCO₃ en pols accelera la reacció, permetent que més molècules d'àcid interactuïn amb el carbonat.
Conclusió: aquest experiment subratlla la importància de la superfície de contacte per determinar la velocitat de les reaccions químiques.
Experiment 3:
Temps de reacció: CaCO₃ reacciona amb HCl 2M durant aproximadament 50 segons, i amb HCl 1M en uns 105 segons.
Observació: una solució d'HCl més concentrada produeix una velocitat de reacció més ràpida a causa de la major disponibilitat d'ions H+.
Conclusió: demostra com la concentració dels reactius influeix en la velocitat de reacció, i les concentracions més altes faciliten unes reaccions més ràpides.
Lliçons apreses:
Efecte de superfícieLa velocitat de reacció varia significativament amb l'àrea superficial dels reactius, demostrant la importància de l'estat físic en la cinètica química.
Força àcidaLa força intrínseca d'un àcid determina la seva reactivitat, i els àcids més forts catalitzen reaccions més ràpides.
El paper de la concentracióLa concentració dels reactius és directament proporcional a la velocitat de reacció, posant èmfasi en la importància de les interaccions moleculars en els processos químics.
Habilitats d'observacióL'observació rigorosa i el registre de dades són crucials per extreure conclusions vàlides dels resultats experimentals.
Taxa de reacció: Els experiments posen de manifest de manera col·lectiva com diversos factors, com la naturalesa dels reactius, l'estat físic i la concentració, governen la velocitat de les reaccions químiques.
Reacció àcid-base: La interacció entre un àcid i una base per produir sal, aigua i diòxid de carboni exemplifica les reaccions àcid-base fonamentals.
Teoria de les col·lisions: En sintonia amb la teoria de les col·lisions, aquests experiments il·lustren que les taxes de reacció estan influenciades per la freqüència i la intensitat de les col·lisions dels reactius.
Conclusió general: els experiments proporcionen coneixements pràctics valuosos sobre cinètica de reaccions, reforçant la comprensió de com diferents variables influeixen en la velocitat de les reaccions químiques.
Resum de tasques per rang de qualificació
Cursos 3-5 (Edats 8-10)
- Enfocament: Introducció bàsica als conceptes de velocitats de reacció, àrea superficial i concentració.
- ActivitatsObservació de les reaccions del carbonat de calci sòlid i en pols amb diferents àcids, anotant diferències simples en la velocitat de reacció, instruccions bàsiques de seguretat.
Cursos 6è-8è (Edats 11-13 anys)
- Enfocament: Comprensió intermèdia dels efectes de la superfície, els efectes de la concentració i la reactivitat dels àcids.
- Activitats: Realització de reaccions amb carbonat de calci sòlid i en pols utilitzant diferents concentracions d'àcid clorhídric i àcid etanoic, mesurant els temps de reacció, comparant la reactivitat de diferents àcids i formes de CaCO3, seguint protocols de seguretat detallats.
Cursos 9-12 (Edats 14-18)
- Enfocament: Comprensió avançada de la cinètica química, els efectes de l'àrea superficial i els efectes de la concentració en les velocitats de reacció.
- Activitats: Realitzar amb precisió reaccions amb diverses formes de carbonat de calci i àcids, mesurar i registrar els temps de reacció i comparar l'impacte de diferents concentracions i tipus d'àcids, analitzar els resultats experimentals per comprendre la influència de l'àrea superficial i la concentració en les taxes de reacció, enregistrament detallat i interpretació dels resultats, adherint-se a protocols de seguretat avançats, reforçant els conceptes de cinètica química i habilitats d'aplicació pràctica.
Equipament de laboratori
Instruments
- Anelles (50ml, 100ml, 500ml i 1000ml)
- Balança electrònica
- Cilindres graduats (70 ml i 100 ml)
- Plaqueta elèctrica
- Bastidor de laboratori i pinces
- Agitador magnètic
- Espàtules
- Provettes
- Termòmetres
- Temporitzador
- Pinces
Productes
- CH3COOH 2 M
- Carbonat de calci (trossos)
- Carbonat de calci (en pols)
- HCl 2 M (dissolució)
- HCl 1 M (dissolució)