Les réactions chimiques et les changements physiques impliquent souvent des transferts d'énergie, comme en témoignent les changements de température. Ces échanges d'énergie peuvent être classés comme endothermiques, où l'énergie est absorbée de l'environnement, ou exothermiques, où l'énergie est libérée. Comprendre ces processus est essentiel pour des applications allant de la chimie industrielle aux systèmes biologiques.
Cette expérience examine deux scénarios : la dissolution de l'hydroxyde de sodium (NaOH) dans l'eau et la réaction entre l'acide citrique (C6H8O7) et le bicarbonate de sodium (NaHCO3). En mesurant les changements de température, les élèves classeront chaque processus comme endothermique ou exothermique et calculeront les changements d'énergie associés. Cette activité pratique améliore la compréhension du transfert d'énergie dans les processus chimiques et offre une expérience pratique de collecte et d'analyse de données.
Objectifs Éducatifs
- Comprendre le transfert d'énergie : Les élèves exploreront les concepts de réactions endothermiques et exothermiques en observant les changements de température lors des processus chimiques et physiques.
- Développer des compétences de laboratoire : Les étudiants acquerront une maîtrise de l'utilisation des calorimètres, des thermomètres numériques et d'autres équipements de laboratoire pour mesurer et analyser les changements d'énergie.
- Application des connaissances théoriques : En appliquant des formules de calcul d'énergie (par exemple, ), les étudiants relieront les principes théoriques aux données expérimentales.
- Améliorer la pensée analytique : Les élèves interpréteront leurs observations pour classer les réactions et déduire les dynamiques énergétiques sous-jacentes.
- Promouvoir la collaboration : Les étudiants travailleront en équipes pour mener des expériences, enregistrer des données et analyser les résultats, favorisant ainsi l'esprit d'équipe et les compétences en communication.
- Encourager l'évaluation critique : En comparant leurs résultats à leurs hypothèses, les élèves évalueront de manière critique l'exactitude et les implications de leurs découvertes.
En terminant cette expérience, les étudiants approfondiront leur compréhension du transfert d'énergie dans les processus chimiques et amélioreront leurs compétences pratiques et analytiques.
Protocole
Expérience 1 : Eau + hydroxyde de sodiumde
- Mesurez 100 ml d'eau distillée à l'aide de l'éprouvette graduée.
- Versez le contenu de la éprouvette graduée dans le calorimètre.
- Immergez l'extrémité du thermomètre numérique dans le liquide pour en prendre la température.
- La température initiale de l'eau apparaîtra dans le tableau des résultats.
- À l'aide de la nacelle de pesée, peser environ 4 g (environ 2 mL) de poudre d'hydroxyde de sodium.
- Versez le contenu de la nacelle de pesée dans le calorimètre.
- Fixer le couvercle du calorimètre au calorimètre.
- Activez le bouton vert de l'agitateur sur le couvercle du calorimètre.
- Insérez le thermomètre numérique dans le couvercle du calorimètre.
- La température du mélange apparaîtra dans le tableau des résultats.
- Arrêtez l'agitateur en appuyant sur le bouton rouge.
- Retirez le thermomètre du couvercle du calorimètre.
- Retirer le couvercle du calorimètre et vider son contenu dans la poubelle de récupération.
- Rincer le calorimètre à l'eau distillée et en vider le contenu dans le réservoir de récupération.
Expérience 2 : Acide citrique + bicarbonate de sodium
- Mesurez 50 ml d'acide citrique à l'aide de l'éprouvette graduée.
- Versez le contenu de la éprouvette graduée dans le calorimètre.
- Immergez l'extrémité du thermomètre numérique dans le liquide pour en prendre la température.
- La température initiale de l'eau apparaîtra dans le tableau des résultats.
- À l'aide du bateau de pesée, pesez approximativement 4,5 g (environ 2 ml) de bicarbonate de sodium.
- Versez le contenu de la nacelle de pesée dans le calorimètre.
- Fixer le couvercle du calorimètre au calorimètre.
- Activez le bouton vert de l'agitateur sur le couvercle du calorimètre.
- Insérez le thermomètre numérique dans le couvercle du calorimètre.
- La température du mélange apparaîtra dans le tableau des résultats.
- Arrêtez l'agitateur en appuyant sur le bouton rouge.
- Retirez le thermomètre du couvercle du calorimètre.
- Retirez le couvercle du calorimètre et videz son contenu dans le bac de récupération.
- Rincer le calorimètre à l'eau distillée et en vider le contenu dans le réservoir de récupération.
Résultats attendus
NaOH(s) + H2O
- La dissociation de NaOH(s) en Na+ et OH– (base forte) libère 44,5 kJ d'énergie par mole de NaOH
- La réaction prend 1 à 2 secondes pour atteindre l'achèvement.
- Pour 100 ml d'eau et 4 g de NaOH(s), l'augmentation de température sera d'environ 10,6 ℃.
Bicarbonate de sodium3(s) + acide citrique (solution)
- La réaction entre NaHCO3et l'acide citrique (acide faible) libéreront du CO2(g) et d'absorber 20 kJ d'énergie par mole de NaHCO3.
- Pour 50 mL d'eau et 4,5 g de NaHCO3(s), la diminution de température sera d'environ 4,7 ℃.
- Lorsque l'acide citrique (un acide faible et triprotique) se mélange au bicarbonate de soude (bicarbonate de sodium, une base), ils se neutralisent mutuellement et produisent du dioxyde de carbone gazeux, de l'eau et un sel appelé citrate de sodium. Les bulles de CO₂ provoquent le pétillement que vous voyez, c'est la même idée derrière les bombes de bain et certaines démonstrations de “volcan”.
- Le processus est endothermique, ce qui signifie qu'il absorbe de la chaleur de l'environnement, de sorte que le mélange semble souvent froid. Parce que l'acide citrique peut donner trois ions H⁺, il peut réagir avec jusqu'à 3 moles de NaHCO₃ par mole d'acide.
Résumé du devoir par tranche d'âge
6e-8e années
Focalisation Introduction aux changements d'énergie et aux observations qualitatives.
- Les élèves observeront les changements de température et identifieront les réactions comme exothermiques ou endothermiques.
- L'accent sera mis sur la compréhension de la relation entre la température et le transfert d'énergie.
Résultats attendus :
- Reconnaissance des transferts d'énergie lors des transformations chimiques et physiques.
- Développement des compétences d'observation et d'enregistrement de base.
- Introduction au rôle de l'énergie dans les processus chimiques.
9e-10e année
Focalisation Exploration intermédiaire des calculs d'énergie et de la classification des réactions.
- Les élèves mesureront les changements de température, calculeront les valeurs énergétiques et classeront les réactions à l'aide de concepts théoriques.
- Ils analyseront le rôle de la liaison chimique dans les changements d'énergie.
Résultats attendus :
- Capacité améliorée à relier les données expérimentales aux principes théoriques.
- Compréhension approfondie du transfert d'énergie et de la dynamique des réactions.
- Techniques de laboratoire améliorées et compétences analytiques.
11e-12e année
Focalisation Analyse avancée et évaluation critique des dynamiques énergétiques.
- Les étudiants réaliseront des calculs d'énergie détaillés, évalueront leurs résultats et prépareront des rapports de laboratoire complets.
- Ils exploreront les implications plus larges des changements d'énergie dans les processus chimiques et physiques.
Résultats attendus :
- Maîtrise des techniques expérimentales et des calculs énergétiques.
- Maîtrise de la rédaction scientifique et de l'analyse critique.
- Compréhension approfondie des dynamiques énergétiques dans les processus chimiques et de leurs applications.
Cette approche structurée garantit que les étudiants de tous niveaux peuvent s'engager de manière significative dans l'expérience, en développant leurs connaissances et leurs compétences de manière progressive.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Calorimètre
- Balance électronique
- Thermomètres analogiques et numériques
- Spatules
- Éprouvette graduée 100 mL
Produits
- NaOH(s)
- Bicarbonate de sodium (solide)
- Acide citrique 1M