Cílem tohoto laboratorního cvičení je prozkoumat principy termochemie prostřednictvím zkoumání exotermické reakce mezi hořčíkem (Mg) a kyselinou chlorovodíkovou (HCl).
Účastníci se budou zabývat měřením změn teploty vyplývajících z této chemické reakce a na základě těchto měření budou diskutovat koncepty jako entalpie a zákon zachování energie.
Vzdělávací cíle
- Pochopení exotermických reakcí: Studenti pozorují nárůst teploty, který charakterizuje exotermické reakce, při kterých se uvolňuje energie ve formě tepla, což poskytuje hmatatelný příklad tohoto typu chemické reakce.
- Aplikace zákona zachování energie: Experiment slouží jako praktická ilustrace zákona zachování energie a ukazuje, jak se energie transformuje z jedné formy do druhé – v tomto případě z chemické energie na tepelnou energii.
- Výpočet entalpie: Měřením změn teploty během reakce se studenti naučí vypočítat entalpii reakce a získají tak kvantitativní pohled na energii uvolněnou nebo absorbovanou během chemického procesu.
- Experimentální přesnost: Zdůrazňuje důležitost přesnosti při vážení reaktantů a měření objemů a teplot pro dosažení spolehlivých a opakovatelných výsledků.
- Bezpečnostní protokoly: Zdůrazňuje nezbytnost dodržování bezpečnostních protokolů při manipulaci s reaktivními a korozivními látkami, jako je HCl a hořčík, a používání osobních ochranných prostředků, jako jsou ochranné brýle, rukavice a laboratorní pláště.
Tato laboratoř poskytuje praktickou příležitost k prozkoumání exotermických reakcí a základních principů termochemie. Analýzou změn teplot během reakce mezi hořčíkem a kyselinou chlorovodíkovou studenti získávají komplexní pochopení reakční entalpie a zákona zachování energie v chemických procesech. Tato lekce nejen upevňuje základní chemické principy, ale také zlepšuje dovednosti studentů v oblasti experimentální přesnosti a bezpečnosti, čímž přispívá k jejich celkové zdatnosti ve vědeckých experimentech.
Protokol
- Odměřte 100 ml kyseliny chlorovodíkové (HCl) o koncentraci 0,2 M pomocí odměrného válce.
- Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
- Ponořte špičku digitálního teploměru do tekutiny, abyste odebrali její teplotu.
- Počáteční teplota vody bude uvedena v tabulce výsledků.
- Navážeme přibližně 0,2 g práškového hořčíku (Mg).
- Nalejte obsah váženky do kalorimetru.
- Nasaďte víko na kalorimetr.
- Vložte digitální teploměr do víka kalorimetru.
- Spusťte stopky.
- Aktivujte zelené tlačítko míchadla na víku kalorimetru.
- Graf teploty jako funkce času je v tabletu (záložka grafu).
- Poznamenejte si konečnou teplotu po ukončení reakce (mezi 3 a 4 minutami).
- Zastav stopky.
- Výsledky se nacházejí na kartě výsledky na tabletu.
- Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka.
- Vyjměte teploměr z víka kalorimetru.
- Sejměte víko kalorimetru.
- Vyprázdněte obsah kalorimetru do sběrné nádoby.
- Opláchněte kalorimetr destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.
- Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou a vylijte jeho obsah do sběrné nádoby.
Poznámka: Reakce je 10krát urychlena, aby bylo možné snadněji pozorovat kompletní reakci.
Předvídané výsledky
- 0,2076 g Mg(s) je 0,0085 mol, což vyprodukuje 440 kJ/mol Mg.
- V 0,2M HCl se teplota zvýší o 8℃ za přibližně 225 sekund.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
3.–5. třída (věk 8–10 let)
- FokusZákladní úvod do exotermických reakcí a změn teploty.
- AktivityPozorování zvýšení teploty během reakce hořčíku a kyseliny chlorovodíkové, jednoduché diskuse o uvolňování energie, základní bezpečnostní pokyny.
6.–8. ročník (věk 11–13 let)
- FokusStředně pokročilé porozumění exotermickým reakcím, zákonu zachování energie a měření teploty.
- AktivityProvádění reakce mezi hořčíkem a kyselinou chlorovodíkovou, měření změn teploty, pochopení přeměny energie, dodržování podrobných bezpečnostních protokolů.
Třídy 9–12 (věk 14–18 let)
- FokusPokročilé porozumění termochemii, reakční entalpii a experimentální přesnosti.
- AktivityPřesné provedení reakce, měření a záznam změn teploty, výpočet entalpie, analýza zachování energie, podrobné zaznamenávání a interpretace výsledků, dodržování pokročilých bezpečnostních protokolů, upevnění konceptů termochemie a zachování energie.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinka (1000ml)
- kalorimetr
- Elektronická váha
- Odmerné valce (70 ml a 250 ml)
- Stěrky
- Teploměry
- Časovač
- Pinzeta
Produkty
- HCl 0,2 M (roztok)
- Hořčík (prášek)