065 – Llei de Hess

Aquesta sessió de laboratori està dissenyada com una exploració integral de reaccions químiques i intercanvis tèrmics a través de quatre experiments ben diferenciats, cadascun enfocat a la comprensió de diferents aspectes de la termoquímica i la cinètica química.

Objectius educatius

  • Tècniques de mesura de volum i temperatura: Els estudiants perfeccionaran les seves habilitats en l'ús de cilindres graduats per a mesures de volum i termòmetres per a observacions de temperatura, millorant la seva precisió i exactitud en la química experimental.
  • Observació de reaccions químiques: Els participants adquiriran coneixements sobre la naturalesa de les reaccions químiques, concretament com la barreja de diferents substàncies pot provocar canvis tèrmics, il·lustrant els principis de la termodinàmica.
  • Exploració de variacions de la reacció: Alterant components com dissolvents o reactius, els estudiants exploraran com les condicions experimentals afecten els resultats de les reaccions, fomentant una comprensió més profunda de la cinètica química.
  • Conceptes de termodinàmica i cinètica: Aquest laboratori té com a objectiu proporcionar una comprensió pràctica de la termocimica i la cinètica química, posant èmfasi en els efectes tèrmics de les reaccions químiques i en els factors que influeixen en les velocitats de reacció.

A través d'aquestes experiències, els estudiants no només es familiaritzaran amb els procediments experimentals estàndard en química, sinó que també adquiriran experiència pràctica en la manipulació d'equips de laboratori i en la interpretació de dades experimentals.

Aquest enfocament pràctic de l'aprenentatge permet als estudiants aplicar coneixements teòrics de química a situacions del món real, reforçant la seva comprensió dels principis fonamentals de la disciplina. La sessió de laboratori posa de manifest la importància de la mesura i el control precisos en l'experimentació química, oferint lliçons valuoses sobre el comportament tèrmic de les reaccions químiques i l'impacte de la variació de les condicions experimentals.

Protocol

Experiment 1: Aigua + Alcohol

  1. Mesura 100 ml d'aigua destil·lada utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  3. Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
  4. La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
  5. Mesura 100 ml d'etanol amb el cilindre graduat.
  6. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  7. Fixeu la tapa al calorimetre.
  8. Premeu el botó verd de remenador de la tapa del calorímetre i deixeu que remeni durant almenys 10 segons.
  9. Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
  10. La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
  11. Atura l'agitador prement el botó vermell.
  12. Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
  13. Traieu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
  14. Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
  15. Esbandiu el cilindre graduat amb aigua destil·lada i buideu el seu contingut al dipòsit de recuperació.

Experiment 2 : Aigua + NH4Cl

  1. Mesura 100 ml d'aigua destil·lada utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  3. Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
  4. La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
  5. Peseu aproximadament 9,2 g (6 ml) de clorur d'amoni en pols utilitzant la barqueta de pesatge.
  6. Aboca el contingut del vaixell de pesada dins del calorímetre.
  7. Fixeu la tapa al calorimetre.
  8. Premeu el botó verd de l'agitador a la tapa del calorímetre i deixeu-lo agitar durant almenys 10 segons.
  9. Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
  10. La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
  11. Atura l'agitador prement el botó vermell.
  12. Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
  13. Traieu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
  14. Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
  15. Esbandiu el cilindre graduat amb aigua destil·lada i buideu el seu contingut al dipòsit de recuperació.

Experiment 3: Aigua + CaCO₃3

  1. Mesura 100 ml d'aigua destil·lada utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  3. Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
  4. La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
  5. Peseu aproximadament 9,5 g (3,5 ml) de carbonat de calci en pols utilitzant la barqueta de pesatge.
  6. Aboca el contingut del vaixell de pesada dins del calorímetre.
  7. Fixeu la tapa al calorímetre.
  8. Premeu el botó verd de l'agitador a la tapa del calorímetre i deixeu-lo agitar durant almenys 10 segons.
  9. Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
  10. La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
  11. Atura l'agitador prement el botó vermell.
  12. Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
  13. Traieu la tapa del calorimetre i aboqueu-ne el contingut líquid al contenidor de recuperació negre, transferint els sòlids amb les espàtules.
  14. Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
  15. Esbandiu el cilindre graduat amb aigua destil·lada i buideu el seu contingut al dipòsit de recuperació.

Experiment 4: HCl + CaCO₃3

  1. Mesura 100 mL d'àcid clorhídric (HCl) 2 M utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  3. Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
  4. La temperatura inicial de l'àcid clorhídric apareixerà a la taula de resultats.
  5. Peseu aproximadament 9,5 g (3,5 ml) de carbonat de calci en pols utilitzant la barqueta de pesatge.
  6. Aboca el contingut del vaixell de pesada dins del calorímetre.
  7. Fixeu la tapa al calorímetre.
  8. Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
  9. Inicia el cronòmetre.
  10. Premeu el botó de l'agitador verd de la tapa del calorímetre i deixeu que remeni.
  11. Observeu la reacció que es produeix al gràfic de temperatura contra temps.
  12. Quan la reacció estigui completa (la temperatura assolirà una meseta), atureu el cronòmetre.
  13. Atura l'agitador prement el botó vermell.
  14. Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
  15. Traieu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
  16. Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
  17. Esbandiu el cilindre graduat amb aigua destil·lada i buideu el seu contingut al dipòsit de recuperació.

Nota: la velocitat de reacció és accelerada 10 vegades.

Experiment 5: HCl + NaOH

  1. Mesura 100 ml d'una dissolució de NaOH 1M utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  3. Submergeix la punta del termòmetre digital al líquid per prendre'n la temperatura.
  4. La temperatura inicial de l'aigua apareixerà a la taula de resultats.
  5. Mesura 100 mL d'HCl 1M utilitzant el cilindre graduat.
  6. Aboca el contingut del cilindre graduat al calorímetre.
  7. Fixeu la tapa al calorímetre.
  8. Premeu el botó verd de remenador de la tapa del calorímetre i deixeu que remeni durant almenys 10 segons.
  9. Introduïu el termòmetre digital a la tapa del calorímetre.
  10. La temperatura de la barreja apareixerà a la taula de resultats.
  11. Atura l'agitador prement el botó vermell.
  12. Retira el termòmetre de la tapa del calorímetre.
  13. Traieu la tapa del calorímetre i buideu-ne el contingut a la paperera de recuperació.
  14. Esbandiu el calorímetre amb aigua destil·lada i buideu-ne el contingut al dipòsit de recuperació.
  15. Esbandiu el cilindre graduat amb aigua destil·lada i buideu el seu contingut al dipòsit de recuperació.

Resultats previstos

Experiment 1: Aigua + Etanol

Afegir 100 ml d'etanol a 100 ml d'aigua és una reacció exotèrmica, que hauria d'elevar la temperatura de l'aigua en uns 8 °C. Hi ha una alliberació de 1,537 kJ/mol per mol d'etanol. Quan l'etanol (C2H5OH) es barreja amb l'aigua (H2O), els dos líquids formen una solució. Aquest procés implica la ruptura i formació de forces intermoleculars. Inicialment, es trenquen els ponts d'hidrogen entre les molècules d'aigua i les forces de van der Waals entre les molècules d'etanol. Es formen nous ponts d'hidrogen entre les molècules d'aigua i d'etanol. La formació d'aquestes noves forces intermoleculars allibera energia, resultant en una reacció exotèrmica que augmenta la temperatura de la solució. Les capacitats calorífiques específiques de les substàncies i l'energia total alliberada durant la formació dels nous enllaços contribueixen al canvi de temperatura observat.

Experiment 2: Aigua + NH4Cl

Aquesta és una reacció endotèrmica, on la reacció consumeix 14,8 kJ/mol per mol de NH4Cl. La temperatura hauria de baixar entre 5 i 8 graus.

Experiment 3: Aigua + CaCO3

Atès que el CaCO3 és insoluble en aigua, no s'espera cap canvi de temperatura significatiu, cosa que indica que no hi ha reacció.

Experiment 4: HCl + CaCO3

Això hauria de donar lloc a una reacció en què el CaCO3 reacciona amb l'HCl per produir clorur de calci, aigua i diòxid de carboni, provocant un augment de temperatura d'aproximadament 19,5 °C durant 35 segons (velocitat accelerada 10 vegades). Cada mol de CaCO3 hauria de reaccionar amb 0,5 mol d'HCl per produir 1600 kJ. Aquest experiment implica una reacció àcid-base en què l'àcid clorhídric (HCl) reacciona amb el carbonat de calci (CaCO3) per formar clorur de calci (CaCl2), aigua (H2O) i diòxid de carboni (CO2).

Experiment 5: HCl + NaOH

S'espera una reacció de neutralització exotèrmica. La temperatura hauria d'augmentar, idealment uns 6,4 °C, indicant l'alliberament d'energia. La reacció produeix 54 kJ/mol per cada mol de HCl. Aquest experiment presenta una reacció de neutralització, un tipus de reacció exotèrmica on un àcid (HCl) i una base (NaOH) reaccionen per formar aigua (H2O) i una sal (NaCl). Durant la reacció, els ions hidrogen (H+) de l'àcid reaccionen amb els ions hidròxid (OH−) de la base per formar aigua.

En cada experiment, els canvis de temperatura observats són indicadors de la dinàmica energètica involucrada en els processos químics, reflectint la naturalesa exotèrmica o endotèrmica de les reaccions.

Resum de tasques per rang de qualificació

1.1.1 Resum de la tasca per rang de qualificació

Cursos 3-5 (Edats 8-10)

  • Enfocament: Introducció bàsica a les reaccions químiques, canvis de temperatura i tècniques de mesura.
  • ActivitatsObservació de canvis tèrmics senzills durant reaccions químiques, utilitzant termòmetres i provetes graduades, instruccions bàsiques de seguretat.

Cursos 6è-8è (Edats 11-13 anys)

  • EnfocamentComprensió intermèdia de termoquímica, cinètica química i precisió de mesures.
  • Activitats: Realitzar reaccions, mesurar volums i temperatures, observar com diferents reactius i dissolvents afecten els resultats de la reacció, seguir protocols de seguretat detallats.

Cursos 9-12 (Edats 14-18)

  • Enfocament: Comprensió avançada de termoquímica, llei de Hess i precisió experimental.
  • Activitats: Mesurar amb precisió volums i temperatures, realitzar experiments detallats per explorar els efectes tèrmics de les reaccions químiques, analitzar com els canvis en els reactius i dissolvents influeixen en les velocitats de reacció, una gravació i interpretació detallada dels resultats, complint amb protocols de seguretat avançats, reforçant els conceptes de cinètica i termodinàmica química.

Equipament de laboratori

Instruments

  • Anella (500ml i 1000ml)
  • Calorímetre
  • Balança electrònica
  • Cilindres graduats (70 ml i 250 ml)
  • Espàtules
  • Termòmetres
  • Temporitzador
  • Pinces

Productes

  • NH4Cl (pols)
  • CaCO3 (pols)
  • Etanol (líquid)
  • HCl 1M (dissolució).
  • HCl 2M (dissolució).
  • NaOH 1M (dissolució)
<< tornar a la llista