065 – Legea lui Hess

Această sesiune de laborator este concepută ca o explorare cuprinzătoare a reacțiilor chimice și a schimburilor termice prin patru experimente distincte, fiecare având ca scop înțelegerea diferitelor aspecte ale termochimiei și cineticii chimice.

Obiective educaționale

• Tehnici de măsurare a volumului și temperaturii: Elevii își vor rafina abilitățile în utilizarea cilindrilor graduați pentru măsurarea volumului și a termometrelor pentru observații de temperatură, îmbunătățindu-și precizia și acuratețea în chimia experimentală.
• Observarea reacțiilor chimice: Participanții vor obține informații despre natura reacțiilor chimice, în special despre cum amestecarea substanțelor diferite poate duce la modificări termice, ilustrând principiile termochimiei.
• Explorarea variațiilor reacțiilor: Prin alterarea componentelor precum solvenții sau reactanții, studenții vor explora modul în care condițiile experimentale afectează rezultatele reacțiilor, promovând o înțelegere mai profundă a cineticii chimice.
• Termochimie și concepte de cinetică Acest laborator își propune să ofere o înțelegere practică a termochimiei și cineticii chimice, punând accent pe efectele termice ale reacțiilor chimice și pe factorii care influențează vitezele de reacție.

Prin aceste experiențe, studenții nu numai că se vor familiariza cu procedurile experimentale standard în chimie, dar vor dobândi și experiență practică în manipularea echipamentelor de laborator și în interpretarea datelor experimentale.

Această abordare practică a învățării permite studenților să aplice cunoștințele teoretice de chimie în scenarii din viața reală, consolidându-le înțelegerea principiilor fundamentale din domeniu. Sesiunea de laborator subliniază importanța măsurării și controlului precise în experimentarea chimică, oferind lecții valoroase despre comportamentul termic al reacțiilor chimice și impactul variind condițiile experimentale.

Protocol

Experimentul 1: Apă + Alcool

1. Măsurați 100 mL de apă distilată folosind cilindrul gradat.
2. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
3. Introduceți vârful termometrului digital în lichid pentru a-i măsura temperatura.
4. Temperatura inițială a apei va apărea în tabelul de rezultate.
5. Măsurați 100 mL de etanol folosind cilindrul gradat.
6. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
7. Atașați capacul calorimetrului.
8. Apăsați butonul de agitare verde de pe capacul calorimetrului și lăsați-l să se agite timp de cel puțin 10 secunde.
9. Introduceți termometrul digital în capacul calorimetrului.
10. Temperatura amestecului va apărea în tabelul de rezultate.
11. Oprește agitatorul apăsând butonul roșu.
12. Scoateți termometrul din capacul calorimetrului.
13. Îndepărtați capacul calorimetrului și goliți conținutul în recipientul de recuperare.
14. Clătiți calorimetrul cu apă distilată și goliți conținutul în rezervorul de recuperare.
15. Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată și goliți conținutul în recipientul de recuperare.

Experiment 2: Apă + NH₄Cl

1. Măsurați 100 mL de apă distilată folosind cilindrul gradat.
2. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
3. Introduceți vârful termometrului digital în lichid pentru a-i măsura temperatura.
4. Temperatura inițială a apei va apărea în tabelul de rezultate.
5. Cântăriți aproximativ 9,2 g (6 mL) de clorură de amoniu sub formă de pulbere folosind barca de cântărire.
6. Toarnă conținutul capsulei de cântărire în calorimetru.
7. Atașați capacul calorimetrului.
8. Apăsați butonul verde al agitatorului de pe capacul calorimetrului și lăsați-l să amestece timp de cel puțin 10 secunde.
9. Introduceți termometrul digital în capacul calorimetrului.
10. Temperatura amestecului va apărea în tabelul de rezultate.
11. Oprește agitatorul apăsând butonul roșu.
12. Scoateți termometrul din capacul calorimetrului.
13. Îndepărtați capacul calorimetrului și goliți conținutul în recipientul de recuperare.
14. Clătiți calorimetrul cu apă distilată și goliți conținutul în rezervorul de recuperare.
15. Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată și goliți conținutul în recipientul de recuperare.

Experiment 3: Apă + CaCO₃

1. Măsurați 100 mL de apă distilată folosind cilindrul gradat.
2. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
3. Introduceți vârful termometrului digital în lichid pentru a-i măsura temperatura.
4. Temperatura inițială a apei va apărea în tabelul de rezultate.
5. Cântăriți aproximativ 9,5 g (3,5 mL) de carbonat de calciu sub formă de pulbere folosind barca de cântărire.
6. Toarnă conținutul capsulei de cântărire în calorimetru.
7. Fixați capacul pe calorimetru.
8. Apăsați butonul verde al agitatorului de pe capacul calorimetrului și lăsați-l să amestece timp de cel puțin 10 secunde.
9. Introduceți termometrul digital în capacul calorimetrului.
10. Temperatura amestecului va apărea în tabelul de rezultate.
11. Oprește agitatorul apăsând butonul roșu.
12. Scoateți termometrul din capacul calorimetrului.
13. Scoateți capacul calorimetrului și turnați conținutul lichid în recipientul negru de recuperare, apoi transferați solidele cu ajutorul spatulelor.
14. Clătiți calorimetrul cu apă distilată și goliți conținutul în rezervorul de recuperare.
15. Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată și goliți conținutul în recipientul de recuperare.

Experiment 4: HCl + CaCO₃

1. Măsurați 100 ml de acid clorhidric (HCl) 2 M folosind cilindrul gradat.
2. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
3. Introduceți vârful termometrului digital în lichid pentru a-i măsura temperatura.
4. Temperatura inițială a acidului clorhidric va apărea în tabelul de rezultate.
5. Cântăriți aproximativ 9,5 g (3,5 mL) de carbonat de calciu sub formă de pulbere folosind barca de cântărire.
6. Toarnă conținutul capsulei de cântărire în calorimetru.
7. Fixați capacul pe calorimetru.
8. Introduceți termometrul digital în capacul calorimetrului.
9. Porniți cronometrul.
10. Apăsați butonul verde al agitatorului de pe capacul calorimetrului și lăsați-l să se agite.
11. Observați reacția care are loc în graficul temperatură versus timp.
12. Când reacția este completă (temperatura va fi atins platoul) opriți cronometrul.
13. Oprește agitatorul apăsând butonul roșu.
14. Scoateți termometrul din capacul calorimetrului.
15. Îndepărtați capacul calorimetrului și goliți conținutul în recipientul de recuperare.
16. Clătiți calorimetrul cu apă distilată și goliți conținutul în rezervorul de recuperare.
17. Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată și goliți conținutul în recipientul de recuperare.

Notă: Viteza de reacție este accelerată de 10 ori.

Experimentul 5: HCl + NaOH

1. Măsurați 100 mL de soluție 1M NaOH folosind cilindrul gradat.
2. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
3. Introduceți vârful termometrului digital în lichid pentru a-i măsura temperatura.
4. Temperatura inițială a apei va apărea în tabelul de rezultate.
5. Măsurați 100 mL de HCl 1M folosind cilindrul gradat.
6. Toarnă conținutul cilindrului gradat în calorimetru.
7. Fixați capacul pe calorimetru.
8. Apăsați butonul de agitare verde de pe capacul calorimetrului și lăsați-l să se agite timp de cel puțin 10 secunde.
9. Introduceți termometrul digital în capacul calorimetrului.
10. Temperatura amestecului va apărea în tabelul de rezultate.
11. Oprește agitatorul apăsând butonul roșu.
12. Scoateți termometrul din capacul calorimetrului.
13. Îndepărtați capacul calorimetrului și goliți conținutul în recipientul de recuperare.
14. Clătiți calorimetrul cu apă distilată și goliți conținutul în rezervorul de recuperare.
15. Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată și goliți conținutul în recipientul de recuperare.

Rezultate anticipate

Experiment 1: Apă + Etanol

Adăugarea a 100 ml de etanol la 100 ml de apă este o reacție exotermă, care ar trebui să ridice temperatura apei cu aproximativ 8°C. Există o eliberare de 1,537 kJ/mol per mol de etanol. Când etanolul (C₂H₅OH) este amestecat cu apa (H₂O), cele două lichide formează o soluție. Acest proces implică ruperea și formarea de forțe intermoleculare. Inițial, legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă și forțele van der Waals dintre moleculele de etanol sunt rupte. Se formează noi legături de hidrogen între moleculele de apă și de etanol. Formarea acestor noi forțe intermoleculare eliberează energie, rezultând o reacție exotermă care crește temperatura soluției. Capacitățile calorice specifice ale substanțelor și energia totală eliberată în timpul formării noilor legături contribuie la schimbarea observată a temperaturii.

Experimentul 2: Apă + NH4Cl

Aceasta este o reacție endotermă, unde reacția consumă 14,8 kJ/mol per mol de NH4Cl. Temperatura ar trebui să scadă cu aproximativ 5 până la 8 grade.

Experiment 3: Apă + CaCO3

Deoarece CaCO3 este insolubil în apă, nu se așteaptă nicio modificare semnificativă a temperaturii, indicând nicio reacție.

Experiment 4: HCl + CaCO3

Acest lucru ar trebui să rezulte într-o reacție în care CaCO3 reacționează cu HCl pentru a produce clorură de calciu, apă și dioxid de carbon, ducând la o creștere a temperaturii de aproximativ 19,5 C pe parcursul a 35 de secunde (viteză accelerată de 10 ori). Fiecare mol de CaCO3 ar trebui să reacționeze cu 0,5 mol de HCl pentru a produce 1600 kJ. Acest experiment implică o reacție acid-bază în care acidul clorhidric (HCl) reacționează cu carbonatul de calciu (CaCO3) pentru a forma clorură de calciu (CaCl2), apă (H2O) și dioxid de carbon (CO2).

Experiment 5: HCl + NaOH

Se așteaptă o reacție de neutralizare exotermă. Temperatura ar trebui să crească, ideal cu aproximativ 6,4°C, indicând eliberarea de energie. Reacția produce 54 kJ/mol per mol de HCl. Acest experiment prezintă o reacție de neutralizare, un tip de reacție exotermă în care un acid (HCl) și o bază (NaOH) reacționează pentru a forma apă (H2O) și o sare (NaCl). În timpul reacției, ionii de hidrogen (H+) din acid reacționează cu ionii hidroxid (OH−) din bază pentru a forma apă.

În fiecare experiment, schimbările observate de temperatură sunt indicatori ai dinamicii energetice implicate în procesele chimice, reflectând natura exotermă sau endotermă a reacțiilor.

Rezumatul temei pe intervale de note

1.1.1 Rezumatul sarcinii pe intervale de note

Clasele 3-5 (Vârsta 8-10 ani)

• FocusIntroducere de bază în reacțiile chimice, schimbările de temperatură și tehnicile de măsurare.
• ActivitățiObservarea schimbărilor termice simple în timpul reacțiilor chimice, utilizând termometre și cilindri graduați, instrucțiuni de bază de siguranță.

Clasele 6-8 (Vârste 11-13)

• FocusÎnțelegere intermediară a termochimiei, cineticii chimice și a preciziei măsurătorilor.
• Activități: Realizarea reacțiilor, măsurarea volumelor și a temperaturilor, observarea modului în care diferiți reactanți și solvenți afectează rezultatele reacțiilor, respectarea unor protocoale detaliate de siguranță.

Clasele 9-12 (Vârste 14-18)

• Focus: Înțelegere avansată a termochimiei, Legii lui Hess și preciziei experimentale.
• Activități: Măsurarea precisă a volumelor și temperaturilor, efectuarea unor experimente detaliate pentru a explora efectele termice ale reacțiilor chimice, analiza modului în care schimbările în reactanți și solvenți influențează vitezele reacțiilor, înregistrarea detaliată și interpretarea rezultatelor, respectarea protocoalelor avansate de siguranță, consolidarea conceptelor de cinetică chimică și termodinamică.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahar Berzelius (500ml & 1000ml)
• Calorimetru
• Cântar electronic
• Cilindri graduați (70ml și 250ml)
• Spatule
• Termometre
• Cronometru
• Pensetă

Produse

• NH4Cl (pulbere)
• CaCO3 (praf)
• Etanol (lichid)
• HCl 1M (soluție).
• HCl 2M (soluție).
• NaOH 1M (soluție)