065 – Hessův zákon

Tato laboratorní cvičení je navržena jako komplexní prozkoumání chemických reakcí a tepelných výměn prostřednictvím čtyř odlišných experimentů, z nichž každý se zaměřuje na pochopení různých aspektů termochemie a chemické kinetiky.

Vzdělávací cíle

  • Techniky měření objemu a teploty: Studenti si zdokonalí své dovednosti v používání odměrných válců pro měření objemu a teploměrů pro pozorování teploty, čímž zvýší svou přesnost a spolehlivost v experimentální chemii.
  • Pozorování chemických reakcí: Účastníci získají vhled do povahy chemických reakcí, konkrétně jak míchání různých látek může vést k tepelným změnám, což ilustruje principy termochemie.
  • Průzkum variací reakcí: Studenti budou zkoumat, jak experimentální podmínky ovlivňují výsledky reakcí, a to úpravou složek, jako jsou rozpouštědla nebo reaktanty, čímž si prohloubí porozumění chemické kinetice.
  • Termochemie a kinetické koncepty: Toto laboratorní cvičení si klade za cíl poskytnout praktické porozumění termochemii a chemické kinetice, s důrazem na tepelné efekty chemických reakcí a faktory ovlivňující rychlost reakcí.

Prostřednictvím těchto zkušeností se studenti nejen seznámí se standardními experimentálními postupy v chemii, ale získají také praktické zkušenosti s manipulací laboratorního vybavení a interpretací experimentálních dat.

Tento praktický přístup k učení umožňuje studentům aplikovat teoretické znalosti chemie na reálné scénáře, čímž si upevňují pochopení základních principů v tomto oboru. Laboratorní cvičení zdůrazňuje důležitost přesného měření a kontroly v chemických experimentech a nabízí cenné lekce o tepelném chování chemických reakcí a vlivu měnících se experimentálních podmínek.

Protokol

Experiment 1: Voda + alkohol

  1. Odměřte 100 ml destilované vody pomocí odměrného válce.
  2. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  3. Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny, abyste odebrali její teplotu.
  4. Počáteční teplota vody bude uvedena v tabulce výsledků.
  5. Odměřte 100 ml ethanolu pomocí odměrného válce.
  6. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  7. Připevněte víko na kalorimetr.
  8. Stiskněte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru a nechte jej míchat alespoň 10 sekund.
  9. Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
  10. Teplota směsi se objeví v tabulce výsledků.
  11. Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
  12. Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
  13. Odstraňte víko kalorimetru a vysypte jeho obsah do sběrné nádoby.
  14. Propláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádrže.
  15. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.

Experiment 2: Voda + NH4Klávesa

  1. Odměřte 100 ml destilované vody pomocí odměrného válce.
  2. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  3. Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny, abyste odebrali její teplotu.
  4. Počáteční teplota vody bude uvedena v tabulce výsledků.
  5. Navážte přibližně 9,2 g (6 ml) práškového chloridu amonného za použití vážicí lodičky.
  6. Nalejte obsah váženky do kalorimetru.
  7. Připevněte víko na kalorimetr.
  8. Stiskněte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru a nechte ho míchat alespoň 10 sekund.
  9. Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
  10. Teplota směsi se objeví v tabulce výsledků.
  11. Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
  12. Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
  13. Odstraňte víko kalorimetru a vysypte jeho obsah do sběrné nádoby.
  14. Propláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádrže.
  15. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.

Experiment 3: Voda + CaCO3

  1. Odměřte 100 ml destilované vody pomocí odměrného válce.
  2. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  3. Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny, abyste odebrali její teplotu.
  4. Počáteční teplota vody bude uvedena v tabulce výsledků.
  5. Zvažte přibližně 9,5 g (3,5 ml) práškového uhličitanu vápenatého na vážicí lodičce.
  6. Nalejte obsah váženky do kalorimetru.
  7. Připevněte víko ke kalorimetru.
  8. Stiskněte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru a nechte ho míchat alespoň 10 sekund.
  9. Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
  10. Teplota směsi se objeví v tabulce výsledků.
  11. Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
  12. Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
  13. Odstraňte víko kalorimetru a tekutý obsah vylijte do černého sběrného zásobníku a pevné látky přeneste pomocí stěrek.
  14. Propláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádrže.
  15. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.

Experiment 4 : Kyselina chlorovodíková + uhličitan vápenatý3

  1. Odměřte 100 ml kyseliny chlorovodíkové (HCl) o koncentraci 2 M pomocí odměrného válce.
  2. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  3. Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny, abyste odebrali její teplotu.
  4. Počáteční teplota kyseliny chlorovodíkové se objeví v tabulce výsledků.
  5. Zvažte přibližně 9,5 g (3,5 ml) práškového uhličitanu vápenatého na vážicí lodičce.
  6. Nalejte obsah váženky do kalorimetru.
  7. Připevněte víko ke kalorimetru.
  8. Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
  9. Spusťte stopky.
  10. Stiskněte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru a nechte ho míchat.
  11. Pozorujte reakci probíhající na grafu teplota versus čas.
  12. Až reakce skončí (teplota dosáhne plató), zastavte stopky.
  13. Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
  14. Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
  15. Odstraňte víko kalorimetru a vysypte jeho obsah do sběrné nádoby.
  16. Propláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádrže.
  17. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.

Poznámka: Rychlost reakce je zrychlena 10x.

Experiment 5: HCl + NaOH

  1. Odměřte 100 ml 1M roztoku NaOH pomocí odměrného cylinderu.
  2. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  3. Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny a odeberte její teplotu.
  4. Počáteční teplota vody bude uvedena v tabulce výsledků.
  5. Odměřte 100 ml 1M HCl pomocí odměrného válce.
  6. Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
  7. Připevněte víko ke kalorimetru.
  8. Stiskněte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru a nechte jej míchat alespoň 10 sekund.
  9. Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
  10. Teplota směsi se objeví v tabulce výsledků.
  11. Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
  12. Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
  13. Odstraňte víko kalorimetru a vysypte jeho obsah do sběrné nádoby.
  14. Propláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádrže.
  15. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.

Předvídané výsledky

Experiment 1: Voda + ethanol

Přidáním 100 ml ethanolu do 100 ml vody dojde k exotermické reakci, která by měla zvýšit teplotu vody přibližně o 8 °C. Uvolňuje se 1,537 kJ/mol na mol ethanolu. Když se ethanol (C2H5OH) smíchá s vodou (H2O), obě kapaliny vytvoří roztok. Tento proces zahrnuje rozbití a vytvoření mezimolekulárních sil. Nejprve se rozbijí vodíkové vazby mezi molekulami vody a van der Waalsovy síly mezi molekulami ethanolu. Vytvoří se nové vodíkové vazby mezi molekulami vody a ethanolu. Vznik těchto nových mezimolekulárních sil uvolňuje energii, což má za následek exotermickou reakci, která zvyšuje teplotu roztoku. Specifické tepelné kapacity látek a celková energie uvolněná během tvorby nových vazeb přispívají k pozorované změně teploty.

Experiment 2: Voda + NH4Cl

Jedná se o endotermickou reakci, při které reakce spotřebuje 14,8 kJ/mol na mol NH4Cl. Teplota by měla klesnout asi o 5 až 8 stupňů.

Experiment 3: Voda + CaCO3

Jelikož je CaCO3 ve vodě nerozpustný, neočekává se významná změna teploty, což naznačuje žádnou reakci.

Experiment 4: HCl + CaCO3

Toto by mělo vést k reakci, při které CaCO3 reaguje s HCl za vzniku chloridu vápenatého, vody a oxidu uhličitého, což vede ke zvýšení teploty o přibližně 19,5 °C během 35 sekund (rychlost zrychlena 10krát). Každý mol CaCO3 by měl reagovat s 0,5 molem HCl za vzniku 1600 kJ. Tento experiment zahrnuje acidobazickou reakci, při které kyselina chlorovodíková (HCl) reaguje s uhličitanem vápenatým (CaCO3) za vzniku chloridu vápenatého (CaCl2), vody (H2O) a oxidu uhličitého (CO2).

Experiment 5: HCl + NaOH

Očekává se exotermická neutralizační reakce. Teplota by se měla zvýšit, ideálně asi o 6,4°C, což signalizuje uvolnění energie. Reakce produkuje 54 kJ/mol na mol HCl. Tento experiment představuje neutralizační reakci, typ exotermické reakce, při které kyselina (HCl) a zásada (NaOH) reagují za vzniku vody (H2O) a soli (NaCl). Během reakce reagují vodíkové ionty (H+) z kyseliny s hydroxylovými ionty (OH−) ze zásady za vzniku vody.

V každém experimentu jsou pozorované změny teploty indikátorem energetických změn probíhajících v chemických procesech, odrážejícím exotermickou nebo endotermickou povahu reakcí.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

Shrnutí zadání podle rozsahu tříd

3.–5. třída (věk 8–10 let)

  • FokusZákladní úvod do chemických reakcí, změn teploty a metod měření.
  • Aktivity: Pozorování jednoduchých tepelných změn při chemických reakcích, použití teploměrů a odměrných baněk, základní bezpečnostní pokyny.

6.–8. ročník (věk 11–13 let)

  • FokusPokročilé porozumění termochemii, chemické kinetice a přesnosti měření.
  • AktivityProvádění reakcí, měření objemů a teplot, sledování vlivu různých reaktantů a rozpouštědel na výsledky reakcí, dodržování podrobných bezpečnostních protokolů.

Třídy 9–12 (věk 14–18 let)

  • Fokus: Pokročilé pochopení termochemie, Hessova zákona a přesnosti experimentu.
  • AktivityPřesné měření objemů a teplot, provádění podrobných experimentů k prozkoumání tepelných účinků chemických reakcí, analýza vlivu změn reaktantů a rozpouštědel na rychlost reakcí, podrobné zaznamenávání a interpretace výsledků, dodržování pokročilých bezpečnostních protokolů, upevnění konceptů chemické kinetiky a termodynamiky.

Laboratorní potřeby

Nástroje

  • Kádinka (500ml a 1000ml)
  • kalorimetr
  • Elektronická váha
  • Odmerné valce (70 ml a 250 ml)
  • Stěrky
  • Teploměry
  • Časovač
  • Pinzeta

Produkty

  • NH4Cl (prášek)
  • CaCO3 (prášek)
  • Ethanol (kapalina)
  • HCl 1M (roztok).
  • HCl 2M (roztok).
  • NaOH 1M (roztok)
zpět na seznam