065 – Legge di Hess

Questa sessione di laboratorio è progettata come un'esplorazione completa delle reazioni chimiche e degli scambi termici attraverso quattro esperimenti distinti, ciascuno mirato a comprendere diversi aspetti della termochimica e della cinetica chimica.

Obiettivi Educativi

  • Tecniche di misurazione del volume e della temperatura: Gli studenti affineranno le proprie competenze nell'uso di cilindri graduati per misurazioni di volume e di termometri per osservazioni di temperatura, migliorando la loro precisione e accuratezza nella chimica sperimentale.
  • Osservazione delle reazioni chimiche: I partecipanti acquisiranno una comprensione della natura delle reazioni chimiche, in particolare di come la miscelazione di diverse sostanze possa portare a cambiamenti termici, illustrando i principi della termochimica.
  • Esplorazione delle variazioni di reazione: Modificando componenti come solventi o reagenti, gli studenti esploreranno come le condizioni sperimentali influenzano gli esiti delle reazioni, favorendo una più profonda comprensione della cinetica chimica.
  • Termochimica e cinetica concetti: Questo laboratorio mira a fornire una comprensione pratica della termochimica e della cinetica chimica, enfatizzando gli effetti termici delle reazioni chimiche e i fattori che influenzano le velocità di reazione.

Attraverso queste esperienze, gli studenti non solo familiarizzeranno con le procedure sperimentali standard in chimica, ma acquisiranno anche esperienza pratica nella manipolazione delle attrezzature di laboratorio e nell'interpretazione dei dati sperimentali.

Questo approccio pratico all'apprendimento consente agli studenti di applicare le conoscenze teoriche della chimica a scenari del mondo reale, rafforzando la loro comprensione dei principi fondamentali della disciplina. La sessione di laboratorio sottolinea l'importanza della misurazione e del controllo precisi nella sperimentazione chimica, offrendo preziose lezioni sul comportamento termico delle reazioni chimiche e sull'impatto delle diverse condizioni sperimentali.

Protocollo

Esperimento 1: Acqua + Alcool

  1. Misura 100 mL di acqua distillata usando il cilindro graduato.
  2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  3. Immergi la punta del termometro digitale nel liquido per misurarne la temperatura.
  4. La temperatura iniziale dell'acqua apparirà nella tabella dei risultati.
  5. Misura 100 mL di etanolo usando il cilindro graduato.
  6. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  7. Fissare il coperchio al calorimetro.
  8. Premi il pulsante verde dello sfregiatore sul coperchio del calorimetro e lascialo agitare per almeno 10 secondi.
  9. Inserire il termometro digitale nel coperchio del calore.
  10. La temperatura della miscela apparirà nella tabella dei risultati.
  11. Ferma l'agitatore premendo il pulsante rosso.
  12. Rimuovere il termometro dal coperchio del calorimetro.
  13. Rimuovere il coperchio del calorimetro e svuotare il suo contenuto nel cestino di recupero.
  14. Sciacquare il calorimetro con acqua distillata e svuotarne il contenuto nel serbatoio di recupero.
  15. Sciacquare il cilindro graduato con acqua distillata e versarne il contenuto nel serbatoio di recupero.

Esperimento 2: Acqua + NH4Cl

  1. Misura 100 mL di acqua distillata usando il cilindro graduato.
  2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  3. Immergi la punta del termometro digitale nel liquido per misurarne la temperatura.
  4. La temperatura iniziale dell'acqua apparirà nella tabella dei risultati.
  5. Pesare approssimativamente 9,2 g (6 mL) di cloruro di ammonio in polvere utilizzando la navicella di pesata.
  6. Versare il contenuto della barchetta di pesata nel calorimetro.
  7. Fissare il coperchio al calorimetro.
  8. Premi il pulsante verde dell'agitatore sul coperchio del calorimetro e lascialo agitare per almeno 10 secondi.
  9. Inserire il termometro digitale nel coperchio del calorimetro.
  10. La temperatura della miscela apparirà nella tabella dei risultati.
  11. Ferma l'agitatore premendo il pulsante rosso.
  12. Rimuovere il termometro dal coperchio del calorimetro.
  13. Rimuovere il coperchio del calorimetro e svuotare il suo contenuto nel cestino di recupero.
  14. Sciacquare il calorimetro con acqua distillata e svuotarne il contenuto nel serbatoio di recupero.
  15. Sciacquare il cilindro graduato con acqua distillata e versarne il contenuto nel serbatoio di recupero.

Esperimento 3: Acqua + CaCO₃3

  1. Misura 100 mL di acqua distillata usando il cilindro graduato.
  2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  3. Immergi la punta del termometro digitale nel liquido per misurarne la temperatura.
  4. La temperatura iniziale dell'acqua apparirà nella tabella dei risultati.
  5. Pesare approssimativamente 9,5 g (3,5 mL) di carbonato di calcio in polvere utilizzando la barchetta di pesata.
  6. Versare il contenuto della barchetta di pesata nel calorimetro.
  7. Attaccare il coperchio al calorimetro.
  8. Premi il pulsante verde dell'agitatore sul coperchio del calorimetro e lascialo agitare per almeno 10 secondi.
  9. Inserire il termometro digitale nel coperchio del calorimetro.
  10. La temperatura della miscela apparirà nella tabella dei risultati.
  11. Ferma l'agitatore premendo il pulsante rosso.
  12. Rimuovere il termometro dal coperchio del calorimetro.
  13. Rimuovere il coperchio del calorimetro e versare il contenuto liquido nel contenitore di recupero nero e trasferire i solidi utilizzando le spatole.
  14. Sciacquare il calorimetro con acqua distillata e svuotarne il contenuto nel serbatoio di recupero.
  15. Sciacquare il cilindro graduato con acqua distillata e versarne il contenuto nel serbatoio di recupero.

Esperimento 4: HCl + CaCO3

  1. Misura 100 mL di acido cloridrico (HCl) 2 M usando il cilindro graduato.
  2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  3. Immergi la punta del termometro digitale nel liquido per misurarne la temperatura.
  4. La temperatura iniziale dell'acido cloridrico apparirà nella tabella dei risultati.
  5. Pesare approssimativamente 9,5 g (3,5 mL) di carbonato di calcio in polvere utilizzando la barchetta di pesata.
  6. Versare il contenuto della barchetta di pesata nel calorimetro.
  7. Attaccare il coperchio al calorimetro.
  8. Inserire il termometro digitale nel coperchio del calorimetro.
  9. Avvia il cronometro.
  10. Premi il pulsante verde dell'agitatore sul coperchio del calorimetro e lascialo agitare.
  11. Osserva la reazione che avviene nel grafico temperatura vs. tempo.
  12. Quando la reazione sarà completa (la temperatura avrà raggiunto un plateau) fermate il cronometro.
  13. Ferma l'agitatore premendo il pulsante rosso.
  14. Rimuovere il termometro dal coperchio del calorimetro.
  15. Rimuovere il coperchio del calorimetro e svuotare il suo contenuto nel cestino di recupero.
  16. Sciacquare il calorimetro con acqua distillata e svuotarne il contenuto nel serbatoio di recupero.
  17. Sciacquare il cilindro graduato con acqua distillata e versarne il contenuto nel serbatoio di recupero.

Nota: La velocità della reazione è accelerata di 10 volte.

Esperimento 5: HCl + NaOH

  1. Misurare 100 mL di NaOH 1M usando il cilindro graduato.
  2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  3. Immergere la punta del termometro digitale nel liquido per rilevarne la temperatura.
  4. La temperatura iniziale dell'acqua apparirà nella tabella dei risultati.
  5. Misura 100 mL di HCl 1M usando il cilindro graduato.
  6. Versare il contenuto del cilindro graduato nel calorimetro.
  7. Attaccare il coperchio al calorimetro.
  8. Premi il pulsante verde dello sfregiatore sul coperchio del calorimetro e lascialo agitare per almeno 10 secondi.
  9. Inserire il termometro digitale nel coperchio del calorimetro.
  10. La temperatura della miscela apparirà nella tabella dei risultati.
  11. Ferma l'agitatore premendo il pulsante rosso.
  12. Rimuovere il termometro dal coperchio del calorimetro.
  13. Rimuovere il coperchio del calorimetro e svuotare il suo contenuto nel cestino di recupero.
  14. Sciacquare il calorimetro con acqua distillata e svuotarne il contenuto nel serbatoio di recupero.
  15. Sciacquare il cilindro graduato con acqua distillata e versarne il contenuto nel serbatoio di recupero.

Risultati Previsti

Esperimento 1: Acqua + Etanolo

Aggiungere 100 mL di etanolo a 100 mL di acqua è una reazione esotermica, che dovrebbe aumentare la temperatura dell'acqua di circa 8 °C. Vi è un rilascio di 1,537 kJ/mol per mole di etanolo. Quando l'etanolo (C2H5OH) viene miscelato con l'acqua (H2O), i due liquidi formano una soluzione. Questo processo comporta la rottura e la formazione di forze intermolecolari. Inizialmente, vengono rotti i legami idrogeno tra le molecole d'acqua e le forze di van der Waals tra le molecole di etanolo. Si formano nuovi legami idrogeno tra le molecole d'acqua e di etanolo. La formazione di queste nuove forze intermolecolari rilascia energia, con conseguente reazione esotermica che aumenta la temperatura della soluzione. Le capacità termiche specifiche delle sostanze e l'energia totale rilasciata durante la formazione dei nuovi legami contribuiscono alla variazione di temperatura osservata.

Esperimento 2: Acqua + NH4Cl

Questa è una reazione endotermica, dove la reazione consuma 14,8 kJ/mol per mole di NH4Cl. La temperatura dovrebbe diminuire di circa 5-8 gradi.

Esperimento 3: Acqua + CaCO3

Poiché il CaCO3 è insolubile in acqua, non ci si aspetta un cambiamento di temperatura significativo, il che indica nessuna reazione.

Esperimento 4: HCl + CaCO3

Ciò dovrebbe comportare una reazione in cui il CaCO3 reagisce con HCl per produrre cloruro di calcio, acqua e anidride carbonica, con un conseguente aumento di temperatura di circa 19,5 C in 35 secondi (velocità accelerata 10 volte). Ogni mole di CaCO3 dovrebbe reagire con 0,5 mole di HCl per produrre 1600 kJ. Questo esperimento comporta una reazione acido-base in cui l'acido cloridrico (HCl) reagisce con il carbonato di calcio (CaCO3) per formare cloruro di calcio (CaCl2), acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2).

Esperimento 5: HCl + NaOH

Ci si aspetta una reazione di neutralizzazione esotermica. La temperatura dovrebbe aumentare, idealmente di circa 6,4°C, indicando il rilascio di energia. La reazione produce 54 kJ/mol per mole di HCl. Questo esperimento presenta una reazione di neutralizzazione, un tipo di reazione esotermica in cui un acido (HCl) e una base (NaOH) reagiscono per formare acqua (H2O) e un sale (NaCl). Durante la reazione, gli ioni idrogeno (H+) dell'acido reagiscono con gli ioni idrossido (OH-) della base per formare acqua.

In ogni esperimento, le variazioni di temperatura osservate sono indicatori delle dinamiche energetiche coinvolte nei processi chimici, riflettendo la natura esotermica o endotermica delle reazioni.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

1.1.1 Riepilogo dell'incarico per fascia di voto

Classi 3-5 (Età 8-10)

  • Concentrati: Introduzione di base alle reazioni chimiche, ai cambiamenti di temperatura e alle tecniche di misurazione.
  • AttivitàOsservare semplici cambiamenti termici durante le reazioni chimiche, utilizzando termometri e cilindri graduati, istruzioni di sicurezza di base.

Scuola secondaria di primo grado (11-13 anni)

  • ConcentratiComprensione intermedia della termochimica, della cinetica chimica e dell'accuratezza delle misurazioni.
  • AttivitàCondurre reazioni, misurare volumi e temperature, osservare come diversi reagenti e solventi influenzano gli esiti delle reazioni, seguire protocolli di sicurezza dettagliati.

Scuola superiore (14-18 anni)

  • ConcentratiComprensione avanzata della termochimica, della Legge di Hess e della precisione sperimentale.
  • AttivitàMisurazione accurata di volumi e temperature, conduzione di esperimenti dettagliati per esplorare gli effetti termici delle reazioni chimiche, analisi di come le variazioni dei reagenti e dei solventi influenzano le velocità di reazione, registrazione e interpretazione dettagliata dei risultati, osservanza di protocolli di sicurezza avanzati, rafforzamento dei concetti di cinetica chimica e termodinamica.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

  • Becher (500ml e 1000ml)
  • Calorimetro
  • Bilancia elettronica
  • Cilindri graduati (da 70 ml e 250 ml)
  • Spatole
  • Termometri
  • Timer
  • Pinzette

Prodotti

  • NH4Cl (polvere)
  • CaCO3 (polvere)
  • Etanolo (liquido)
  • HCl 1M (soluzione).
  • HCl 2M (soluzione).
  • NaOH 1M (soluzione)
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