065 – Prawo Hessa

Ta sesja laboratoryjna została zaprojektowana jako kompleksowe badanie reakcji chemicznych i wymian cieplnych poprzez cztery odrębne eksperymenty, z których każdy ma na celu zrozumienie różnych aspektów termochemii i kinetyki chemicznej.

Cele edukacyjne

  • Techniki pomiaru objętości i temperatury: Uczniowie doskonalą swoje umiejętności w posługiwaniu się cylindrami miarowymi do pomiaru objętości i termometrami do obserwacji temperatury, zwiększając precyzję i dokładność w chemii doświadczalnej.
  • Obserwacja reakcji chemicznych: Uczestnicy zyskają wgląd w naturę reakcji chemicznych, w szczególności w to, jak mieszanie różnych substancji może prowadzić do zmian termicznych, ilustrując zasady termochemii.
  • Eksploracja odmian reakcji: Poprzez zmiany składników, takich jak rozpuszczalniki czy reagenty, studenci będą badać, jak warunki eksperymentalne wpływają na wyniki reakcji, pogłębiając zrozumienie kinetyki chemicznej.
  • Termochemia i kinetyka: koncepcje Celem tego laboratorium jest praktyczne zrozumienie termochemii i kinetyki chemicznej, z naciskiem na efekty cieplne reakcji chemicznych oraz czynniki wpływające na szybkość reakcji.

Dzięki tym doświadczeniom studenci nie tylko zapoznają się ze standardowymi procedurami eksperymentalnymi w chemii, ale także zdobędą praktyczne doświadczenie w posługiwaniu się sprzętem laboratoryjnym i interpretacji danych eksperymentalnych.

To praktyczne podejście do nauczania pozwala studentom stosować teoretyczną wiedzę z chemii do rzeczywistych scenariuszy, wzmacniając ich zrozumienie podstawowych zasad w tej dziedzinie. Sesja laboratoryjna podkreśla znaczenie precyzyjnych pomiarów i kontroli w eksperymentach chemicznych, oferując cenne lekcje dotyczące termicznego zachowania reakcji chemicznych i wpływu zmiennych warunków eksperymentalnych.

Protokół

Doświadczenie 1: Woda + Alkohol

  1. Odmierz 100 ml wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego.
  2. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  3. Zanurz końcówkę cyfrowego termometru w płynie, aby zmierzyć jego temperaturę.
  4. Początkowa temperatura wody pojawi się w tabeli wyników.
  5. Odmierzyć 100 ml etanolu za pomocą cylindra miarowego.
  6. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  7. Zamontuj pokrywę na kalorymetrze.
  8. Naciśnij zielony przycisk mieszadła na pokrywie kalorymetru i pozwól mu mieszać przez co najmniej 10 sekund.
  9. Włóż cyfrowy termometr do pokrywy kalorymetru.
  10. Temperatura mieszaniny pojawi się w tabeli wyników.
  11. Zatrzymaj agitator, naciskając czerwony przycisk.
  12. Wyjmij termometr z pokrywy kalorymetru.
  13. Zdejmij wieczko kalorymetru i opróżnij jego zawartość do pojemnika na odpady.
  14. Przepłucz kalorymetr wodą destylowaną i wylej jego zawartość do zbiornika odzyskowego.
  15. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną i opróżnij jego zawartość do zbiornika odzyskowego.

Eksperyment 2: Woda + NH4Klo

  1. Odmierz 100 ml wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego.
  2. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  3. Zanurz końcówkę cyfrowego termometru w płynie, aby zmierzyć jego temperaturę.
  4. Początkowa temperatura wody pojawi się w tabeli wyników.
  5. Odmierzyć na wagę około 9,2 g (6 ml) czterowodorku amonu w proszku na łódce wagowej.
  6. Wsyp zawartość łódki wagowej do kalorymetru.
  7. Zamontuj pokrywę na kalorymetrze.
  8. Naciśnij zielony przycisk mieszania na pokrywie kalorymetru i pozwól mu mieszać przez co najmniej 10 sekund.
  9. Włóż termometr cyfrowy w wieczko kalorymetru.
  10. Temperatura mieszaniny pojawi się w tabeli wyników.
  11. Zatrzymaj agitator, naciskając czerwony przycisk.
  12. Wyjmij termometr z pokrywy kalorymetru.
  13. Zdejmij wieczko kalorymetru i opróżnij jego zawartość do pojemnika na odpady.
  14. Przepłucz kalorymetr wodą destylowaną i wylej jego zawartość do zbiornika odzyskowego.
  15. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną i opróżnij jego zawartość do zbiornika odzyskowego.

Eksperyment 3: Woda + CaCO33

  1. Odmierz 100 ml wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego.
  2. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  3. Zanurz końcówkę cyfrowego termometru w płynie, aby zmierzyć jego temperaturę.
  4. Początkowa temperatura wody pojawi się w tabeli wyników.
  5. Odmierzyć około 9,5 g (3,5 ml) sproszkowanego węglanu wapnia, używając łódki wagowej.
  6. Wsyp zawartość łódki wagowej do kalorymetru.
  7. Zamocuj pokrywę do kalorymetru.
  8. Naciśnij zielony przycisk mieszania na pokrywie kalorymetru i pozwól mu mieszać przez co najmniej 10 sekund.
  9. Włóż termometr cyfrowy w wieczko kalorymetru.
  10. Temperatura mieszaniny pojawi się w tabeli wyników.
  11. Zatrzymaj agitator, naciskając czerwony przycisk.
  12. Wyjmij termometr z pokrywy kalorymetru.
  13. Zdejmij pokrywę kalorymetru i wylej płynne zawartości do czarnego pojemnika do odzysku, a ciała stałe przenieś za pomocą szpatułek.
  14. Przepłucz kalorymetr wodą destylowaną i wylej jego zawartość do zbiornika odzyskowego.
  15. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną i opróżnij jego zawartość do zbiornika odzyskowego.

Eksperyment 4: HCl + CaCO3

  1. Odmierzyć 100 ml 2 M kwasu solnego (HCl) za pomocą cylindra miarowego.
  2. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  3. Zanurz końcówkę cyfrowego termometru w płynie, aby zmierzyć jego temperaturę.
  4. Początkowa temperatura kwasu solnego pojawi się w tabeli wyników.
  5. Odmierzyć około 9,5 g (3,5 ml) sproszkowanego węglanu wapnia, używając łódki wagowej.
  6. Wsyp zawartość łódki wagowej do kalorymetru.
  7. Zamocuj pokrywę do kalorymetru.
  8. Włóż termometr cyfrowy w wieczko kalorymetru.
  9. Uruchom stoper.
  10. Naciśnij zielony przycisk mieszadła na pokrywie kalorymetru i pozwól mu się mieszać.
  11. Obserwuj reakcję zachodzącą na wykresie temperatury w funkcji czasu.
  12. Gdy reakcja dobiegnie końca (temperatura osiągnie plateau), zatrzymaj stoper.
  13. Zatrzymaj agitator, naciskając czerwony przycisk.
  14. Wyjmij termometr z pokrywy kalorymetru.
  15. Zdejmij wieczko kalorymetru i opróżnij jego zawartość do pojemnika na odpady.
  16. Przepłucz kalorymetr wodą destylowaną i wylej jego zawartość do zbiornika odzyskowego.
  17. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną i opróżnij jego zawartość do zbiornika odzyskowego.

Uwaga: Szybkość reakcji jest przyspieszona 10-krotnie.

Eksperyment 5: HCl + NaOH

  1. Odmierzyć 100 ml 1M NaOH za pomocą cylindra miarowego.
  2. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  3. Zanurz końcówkę termometru cyfrowego w płynie, aby zmierzyć jego temperaturę.
  4. Początkowa temperatura wody pojawi się w tabeli wyników.
  5. Odmierz 100 ml 1M HCl za pomocą cylindra miarowego.
  6. Przelej zawartość cylindra miarowego do kalorymetru.
  7. Zamocuj pokrywę do kalorymetru.
  8. Naciśnij zielony przycisk mieszadła na pokrywie kalorymetru i pozwól mu mieszać przez co najmniej 10 sekund.
  9. Włóż termometr cyfrowy w wieczko kalorymetru.
  10. Temperatura mieszaniny pojawi się w tabeli wyników.
  11. Zatrzymaj agitator, naciskając czerwony przycisk.
  12. Wyjmij termometr z pokrywy kalorymetru.
  13. Zdejmij wieczko kalorymetru i opróżnij jego zawartość do pojemnika na odpady.
  14. Przepłucz kalorymetr wodą destylowaną i wylej jego zawartość do zbiornika odzyskowego.
  15. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną i opróżnij jego zawartość do zbiornika odzyskowego.

Przewidywane wyniki

Eksperyment 1: Woda + Etanol

Zmieszanie 100 ml etanolu ze 100 ml wody jest reakcją egzotermiczną, która powinna podnieść temperaturę wody o około 8°C. Następuje wydzielenie 1,537 kJ/mol na mol etanolu. Kiedy etanol (C2H5OH) jest mieszany z wodą (H2O), oba płyny tworzą roztwór. Proces ten obejmuje rozrywanie i tworzenie sił międzycząsteczkowych. Początkowo rozrywane są wiązania wodorowe między cząsteczkami wody oraz siły van der Waalsa między cząsteczkami etanolu. Tworzą się nowe wiązania wodorowe między cząsteczkami wody i etanolu. Tworzenie się tych nowych sił międzycząsteczkowych uwalnia energię, co prowadzi do reakcji egzotermicznej, zwiększającej temperaturę roztworu. Ciepła właściwe substancji i całkowita energia uwolniona podczas tworzenia nowych wiązań przyczyniają się do obserwowanego wzrostu temperatury.

Eksperyment 2: Woda + NH4Cl

Jest to reakcja endotermiczna, gdzie reakcja zużywa 14,8 kJ/mol na mol NH4Cl. Temperatura powinna spaść o około 5 do 8 stopni.

Eksperyment 3: Woda + CaCO3

Ponieważ CaCO3 jest nierozpuszczalny w wodzie, nie oczekuje się znaczącej zmiany temperatury, co wskazuje na brak reakcji.

Eksperyment 4: HCl + CaCO3

W tym przypadku powinno dojść do reakcji, w której CaCO3 reaguje z HCl, dając chlorek wapnia, wodę i dwutlenek węgla, co prowadzi do wzrostu temperatury o około 19,5°C w ciągu 35 sekund (przyspieszenie 10-krotne). Każdy mol CaCO3 powinien reagować z 0,5 mol HCl, wytwarzając 1600 kJ. Eksperyment ten polega na reakcji kwasowo-zasadowej, w której kwas solny (HCl) reaguje z węglanem wapnia (CaCO3), tworząc chlorek wapnia (CaCl2), wodę (H2O) i dwutlenek węgla (CO2).

Eksperyment 5: HCl + NaOH

Spodziewana jest egzotermiczna reakcja zobojętniania. Temperatura powinna wzrosnąć, idealnie o około 6,4°C, wskazując na uwolnienie energii. Reakcja produkuje 54 kJ/mol na mol HCl. Doświadczenie to zawiera reakcję zobojętniania, typ reakcji egzotermicznej, w której kwas (HCl) i zasada (NaOH) reagują, tworząc wodę (H2O) i sól (NaCl). Podczas reakcji jony wodoru (H+) z kwasu reagują z jonami wodorotlenkowymi (OH−) z zasady, tworząc wodę.

W każdym eksperymencie obserwowane zmiany temperatury są wskaźnikami dynamiki energetycznej związanej z procesami chemicznymi, odzwierciedlając egzotermiczny lub endotermiczny charakter reakcji.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

1.1.1 Podsumowanie zadania według przedziału klasy

Klasy 3-5 (wiek 8-10 lat)

  • SkupieniePodstawowe wprowadzenie do reakcji chemicznych, zmian temperatury i technik pomiarowych.
  • Aktywności: Obserwacja prostych zmian termicznych podczas reakcji chemicznych, użycie termometrów i cylinderków miarowych, podstawowe instrukcje bezpieczeństwa.

Klasy 6-8 (wiek 11-13 lat)

  • Skupienie: Zrozumienie termochemii, kinetyki chemicznej i dokładności pomiarów na poziomie średnio zaawansowanym.
  • AktywnościPrzeprowadzanie reakcji, mierzenie objętości i temperatur, obserwowanie jak różni substraci i rozpuszczalniki wpływają na wyniki reakcji, przestrzeganie szczegółowych protokołów bezpieczeństwa.

Klasy 9-12 (Wiek 14-18 lat)

  • SkupienieZaawansowane zrozumienie termochemii, prawa Hessa i precyzji eksperymentalnej.
  • AktywnościDokładne mierzenie objętości i temperatur, przeprowadzanie szczegółowych eksperymentów w celu zbadania efektów termicznych reakcji chemicznych, analizowanie wpływu zmian reagentów i rozpuszczalników na szybkość reakcji, szczegółowe rejestrowanie i interpretowanie wyników, przestrzeganie zaawansowanych protokołów bezpieczeństwa, utrwalanie koncepcji kinetyki chemicznej i termodynamiki.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

  • Zlewka (500ml i 1000ml)
  • Kalorymetr
  • Waga elektroniczna
  • Cylindry miarowe (70ml i 250ml)
  • Szpatułki
  • Termometry
  • Minutnik
  • Pęseta

Produkty

  • NH4Cl (proszek)
  • CaCO3 (proszek)
  • Etanol (ciecz)
  • HCl 1M (roztwór).
  • HCl 2M (roztwór).
  • NaOH 1M (roztwór)
<< powrót do listy