Tato laboratorní práce je rozdělena do dvou samostatných částí, přičemž každá se zaměřuje na různé reakce za účasti hořčíku, aby ilustrovala principy chemických reakcí a termochemie.
- Část 1: zahrnuje reakci práškového hořčíku s 1M kyselinou chlorovodíkovou (HCl) v kalorimetru k měření počáteční a konečné teploty a pozorování probíhajících tepelných změn. Tato část zdůrazňuje exotermickou povahu reakce mezi hořčíkem a kyselinou chlorovodíkovou.
- Část 2: opakuje postup použitý v části 1, ale nahrazuje ho práškovým oxidem hořečnatým (MgO), aby prozkoumal reakci mezi MgO a kyselinou chlorovodíkovou. Toto srovnání má za cíl zdůraznit rozdíly v reaktivitě a tepelných změnách mezi hořčíkem a jeho oxidem při reakci s kyselinou chlorovodíkovou.
Vzdělávací cíle
Tato laboratorní lekce je navržena tak, aby studentům pomohla dosáhnout souboru postupných vzdělávacích cílů, které odpovídají jejich úrovni studia. U všech věkových skupin je hlavním cílem rozvíjet zvídavost ohledně chemických procesů, upevňovat vědeckou metodu a pěstovat bezpečné laboratorní postupy.
- Konceptuální porozumění: Studenti se seznámí se základními principy chemických reakcí, se zvláštním zaměřením na exotermické procesy a vztah mezi reaktanty, produkty a energetickými změnami. Porovnáním reakcí hořčíku a oxidu hořečnatého s kyselinou chlorovodíkovou studenti rozpoznají, jak chemická forma a vazba ovlivňují reaktivitu a uvolňování tepla.
- Praktické a technické dovednosti: Žáci si osvojí praktické laboratorní techniky, včetně přesného měření reaktantů, opatrného zacházení s vědeckými přístroji a systematického pozorování změn teploty v čase. Tato aktivita posiluje význam přesnosti, sběru dat a reprodukovatel.
- Analytické a kritické myšlení: Studenti budou analyzovat rozdíly v uvolněné tepelné energii dvou podobných, ale odlišných reakcí. Porovnají empirická data s teoretickými očekáváními, prodiskutují zdroje chyb a zváží širší dopady termochemie v reálných kontextech, jako je materiálová věda a energetické aplikace.
- Vědecká komunikace a bezpečnost: Účastníci budou povzbuzováni k jasnému zaznamenávání svých zjištění, logické interpretaci výsledků a jejich efektivní komunikaci písemnou i ústní formou. Stejně důležité bude, aby si osvojili zodpovědné laboratorní chování dodržováním bezpečnostních protokolů a opatrným zacházením s chemikáliemi.
Do konce hodiny by studenti měli nejen pochopit vědecké principy vysvětlující zkoumané reakce, ale také získat jistotu v používání laboratorních dovedností, hodnocení dat a porozumění významu termochemie jak pro akademické studium, tak pro jevy v každodenním životě.
Protokol
- Odměřte 100 ml 1 M kyseliny chlorovodíkové (HCl) pomocí odměrného válce.
- Nalijte obsah odměrného válce do kalorimetru.
- Nasaďte víko na kalorimetr.
- Vložte teploměr do otvoru ve víku.
- Zvažte malý kousek hořčíkové (Mg) pásky (přibližně 0,5 g) na váze.
- Otevřete víko a vložte kousek hořčíku do kalorimetru a co nejrychleji ho opět zavřete.
- Aktivovat časovač.
- Aktivujte míchačku kalorimetru stisknutím zeleného tlačítka na víku.
- Pozorně sledujte vývoj teploty v tabulce výsledků.
- Počkejte asi 3 minuty nebo dokud se teplota nepřestane zvyšovat.
- Zastav stopky.
- Vynulujte časovač stisknutím tlačítka Reset.
- Zastavte agitátor stisknutím červeného tlačítka. Vyjměte teploměr a poté sejměte víko kalorimetru.
- Nalejte tekutý obsah kalorimetru do černého odpadního kontejneru. Odstraňte kousek magneziové pásky pomocí kleští.
- Opláchněte kalorimetr, teploměr a míchadlo destilovanou vodou.
- Nechte kalorimetr vychladnout přibližně 30 sekund.
- Zopakujte kroky 1 až 11 s přibližně 1 g oxidu hořečnatého v kusech.
Reakce je zrychlena 10krát, aby bylo snazší pozorovat úplnou reakci.
Předvídané výsledky
- Malý kousek Mg (cca 0,55 g) zvýší teplotu přibližně o 22 ℃ za 140 sekund, při 440 kJ na mol Mg.
- Malý kousek MgO (asi 1 g) zvýší teplotu přibližně o 7 ℃ za 180 sekund, pro 120 kJ na mol MgO.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
3.–5. třída (věk 8–10 let)
- FokusZákladní úvod do chemických reakcí a změn teploty.
- Aktivity: Sledování změn teploty během reakcí, jednoduché porovnání reakcí zahrnujících hořčík a oxid hořečnatý, základní bezpečnostní pokyny.
6.–8. ročník (věk 11–13 let)
- Fokus: Středně pokročilé porozumění chemickým reakcím, měřicím technikám a termochemii.
- AktivityProvádění reakcí s hořčíkem a kyselinou chlorovodíkovou, měření změn teploty, porovnávání reakcí s oxidem hořečnatým, pochopení změn tepla v reakcích, dodržování podrobných bezpečnostních pokynů.
Třídy 9–12 (věk 14–18 let)
- FokusPokročilé porozumění termochemii, techniky přesného měření a reakční dynamika.
- AktivityPřesné provádění reakcí s hořčíkem a oxidem hořečnatým v kyselině chlorovodíkové, měření a zaznamenávání změn teploty, porovnávání reaktivity a tepelných změn, analýza experimentálních podmínek a jejich vlivu, podrobné zaznamenávání a interpretace výsledků, dodržování pokročilých bezpečnostních protokolů, upevňování konceptů chemických reakcí a termochemie.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinka (1000ml)
- kalorimetr
- Elektronická váha
- Odmerné valce (70 ml a 250 ml)
- Stěrky
- Teploměry
- Časovač
- Pinzeta
Produkty
- HCl 1 M (roztok)
- Hořčík (prášek)
- Oxid hořečnatý (prášek)