Tepelné zabarvení dějů

Transkript

1 CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Měřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebovává. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Milan Schleider

2 CHEMIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Motivace studentů... 4 Doporučený postup řešení... 4 Pracovní návod... 7 Zadání úlohy... 7 Pomůcky... 7 Bezpečnost práce... 7 Teoretický úvod... 8 Příprava úlohy (praktická příprava)... 8 Postup práce... 8 Pracovní list (řešená učitelská varianta)... 9 Slovníček pojmů... 9 Teoretická příprava úlohy Vizualizace naměřených dat Vyhodnocení naměřených dat Závěr Pracovní list (žákovská varianta) Slovníček pojmů Teoretická příprava úlohy Vizualizace naměřených dat Vyhodnocení naměřených dat Závěr... 18

3 3 Zařazení do výuky Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermické a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, kalorimetrie) a také v rámci fyzikálního a chemického semináře. Pozn. 1: Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermické a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, kalorimetrie) a také v rámci fyzikálního a chemického semináře. Časová náročnost a) rozpouštěcí tepla (45 min.) b) zřeďovací tepla (45 min.) c) reakční tepla (45 min.) Pozn. 2: Při realizaci pokusů a výpočtech se dopouštíme mnohých zjednodušení. Např. neohříváme čistou vodu, ale vodu se solí či kyselinou. Naše kalorimetry jsou jen kádinky a měření je zatíženo chybami atd. Tip1: Vypočítejte reakční tepla ze slučovacích nebo spalných tepel a porovnejte své výpočty s naměřenými údaji. Např.: Hořením známého množství butanu ohřejte 100 ml vody. (samostatné cvičení) Úvod Měřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebovává. Cíle Studenti: měřením teploty na začátku, v průběhu a na konci děje zjistí, zda jde o děj exotermický nebo endotermický ze známého vztahu Q = m c Δt, vypočítají teplo, které se uvolnilo nebo spotřebovalo CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Materiály pro učitele Minimální požadavky na pomůcky Xplorer, teploměr PS 2153, kádinka, magnetické míchadlo, magnetické michadélko, váhy, lžíce.

4 4 Slovníček pojmů SAMOVOLNÝ DĚJ ENDOTERMICKÝ DĚJ EXOTERMICKÝ DĚJ TEPLO ENTALPIE I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Přehled pomůcek Xplorer GLX čidlo teploty dodávané společně s Xplorerem ocelový teploměr PS 2153 (pro tato měření je vhodnější) teflonový kryt na teploměr Cl 6549 magnetické míchadlo magnetické michadélko kádinka odměrný válec digitální váhy byreta chemikálie Motivace studentů Měli jste někdy chuť na teplý nápoj? Byli jste na horách a čaj v termosce vystydl? Již nemusíte zoufat. Teplý nápoj můžete mít s sebou kdykoliv. Stačí si vzít vodu a chlorid vápenatý. Nebo si koupit nápoj CaldoCaldo: Po zatlačení na píst se smíchá voda s chloridem vápenatým a uvolněné teplo ohřeje nápoj. Naopak, potřebujeme-li např. v laboratoři chladit nějakou probíhající reakci pod bod mrazu, přidáme k vodě s ledem sůl. Doporučený postup řešení 1. Připravíme si chemikálie, které máme k dispozici a podle toho upravíme pracovní návod. 2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky zpracovávat v datastudiu. 4. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření. 5. Analýza dat, pochopení výsledků měření, vyslovení závěrů. CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Materiály pro učitele Příprava úlohy Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin. Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů. Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu.

5 5 Analýza dat Z naměřených teplot soustav na začátku a na konci děje studenti určí, zda je samovolný děj exotermický nebo endotermický. Syntéza a závěr Studenti zapíší: a) co dělali b) jak to dělali c) k jakým závěrům dospěli Své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou. Hodnocení Změřili studenti správně teplotu soustavy na začátku a na konci děje? Vypočítali správně uvolněné teplo? Určili správně exotermické a endotermické děje? Určili správně znaménka hodnot veličin ΔH = ΔQ p? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje GHS, Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií H věty P věty W. J. MOOR, Fyzikální chemie, SNTL, 1979 V. Novotný, V. Siládiová, K. Daučík, Fyzikální chemie pro 3. ročník SPŠ chemických, SNTL, 1973 CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Materiály pro učitele

6 CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod Zadání úlohy Změř změnu teploty při rozpouštění solí, zřeďování kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích. Pomůcky Xplorer GLX ocelový teploměr PS 2153 teflonový obal na teploměr Cl 6549 magnetické míchadlo magnetické michadélko digitální váhy a váženka kádinka lžíce chemikálie (NaCl, KCl, NH 4 NO 3, NH 4 Cl, bezvodý CaCl 2, NaOH, HCl, Zn) Bezpečnost práce Dodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami. Hydroxid sodný Pokyny pro bezpečné zacházení (P věty): P102 Uchovávejte mimo dosah dětí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny, a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P405 Skladujte uzamčené. Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.

7 7 Kyselina chlorovodíková Pokyny pro bezpečné zacházení (P věty): P 102, 234, 260, 280, , , , Kyselina chlorovodíková H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest. H290 Může být korozivní pro kovy. Chlorid vápenatý Pokyny pro bezpečné zacházení (P věty): P 102, 234, 260, 261, 262, 280, , , , Chlorid vápenatý H319 Způsobuje vážné podráždění očí Teoretický úvod Zatímco I. termodynamický zákon je obecným vyjádřením zákona zachování energie, tak druhý termodynamický zákon říká, jakým směrem bude děj probíhat. I. termodynamický zákon je nepostradatelný při energetické bilanci dějů, ale neumožňuje předpovídat průběh chemické reakce. Neumí říct, zda je děj samovolný. I když dlouho se chybně předpokládalo, že samovolný děj je děj, při kterém se uvolňuje energie. Dnes víme, že nelze určit směr samovolného děje například na základě znaménka veličiny ΔH (změny entalpie), tedy na základě zjištění, že se energie uvolnila nebo spotřebovala. Samovolné děje mohou být exotermické i endotermické. CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu. Postup práce Nastavení HW a SW Založíme si soubor, který si pojmenujeme např. rozpousteci teplo. Podle potřeby můžeme nastavit vzorkování (SampleRate) a samozřejmě jednotkou teploty zvolíme nám nejbližší C. Protože mezi jednotlivými měřeními může být určitý prostoj, je třeba nastavit automatické vypínání na delší čas 10 min by mělo stačit (HlavníNabídka Settings AutoPowerOff). Příprava měření Podle obrázku sestavíme potřebnou aparaturu. Připravíme si potřebné chemikálie: Chlorid sodný, chlorid draselný, chlorid amonný, bezvodý chlorid vápenatý, dusičnan amonný, kyselina chlorovodíková, kyselina sírová, hydroxid sodný a zinek.

8 8 Vlastní měření (záznam dat) a) Do kádinky přidáme 100 ml vody. Navážíme 1 g vzorku příslušné soli nebo hydroxidu. Kádinku s vodou a magnetickým míchadélkem postavíme na magnetické míchadlo, které samozřejmě zapneme. Upozornění: Občas, vinou nepozornosti, student zapne místo míchání ohřev! I když by to mohlo být zajímavé, sledovat zda teplota ovlivní přijaté nebo uvolněné teplo, tak v tomto cvičení to dělat nebudeme a ohřev musí zůstat vypnutý. V hlavní nabídce Xploreru vybereme položku Graph. Sledujeme graf Temperature vs. Time. Zapneme tlačítko start/stop a do 100 ml vody přidáme 1 g vzorku. Počkáme, až se teplota ustálí a znova zmáčkneme tlačítko start/stop. Doporučení: Data je vhodné uložit vždy po každém měření a na konci cvičení je exportovat na flash disk. Kádinku, teploměr a míchadlo řádně umyjeme a provedeme totéž měření s dalším vzorkem stejné hmotnosti. Tip2: Pokuste se docílit vždy stejné teploty vody na počátku pokusu a vzorek přidejte vždy ve stejný časový okamžik po zmáčknutí tlačítka start/stop. Např.: vzorek přidám do vody vždy v páté sekundě. b) Do kádinky se 100 ml vody přikapáváme z byrety kyselinu chlorovodíkovou. Dejme tomu, že 2,4 ml 35% kyseliny, což odpovídá 1g kyseliny chlorovodíkové. Opět měříme teplotu a zaznamenáváme pomocí Xploreru teplotu v průběhu rozpouštění (ředění) kyseliny. c) Sestavíme aparaturu na vyvíjení plynů a přidáme teplotní senzor, na kterém je teflonový kryt. Pro zajímavost můžeme druhý teplotní senzor umístit vně dna baňky. Zapneme tlačítko start/stop, čímž začneme měřit teplotu a z dělící baňky přikapáváme kyselinu chlorovodíkovou ředěnou s vodou v poměru 1:1 (objemově). Po ustálení teploty měření zastavíme. CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod Vodík H220 Extrémně hořlavý plyn Při reakci vzniká vodík, který je ve směsi se vzduchem výbušný. Nemanipulujte s otevřeným ohněm. Uložení naměřených dat Nyní v Xploreru zmáčkneme domeček a vybereme položku Data Files. Zmáčkneme tlačítko zatržítko, a protože soubor máme již založen, zmáčkneme tlačítko F2 a měření uložíme. Na konci cvičení data exportujeme na flash disk. Analýza naměřených dat Analýzou grafu urči, zda se teplo uvolnilo, či spotřebovalo. I přesto, že měření jsme neprováděli v kalorimetru, tak pro měření ad a), kdy přidáváme do 100 ml vody 1 g soli, urči počáteční a konečnou teplotu vody a vypočítej teplo, které se spotřebovalo nebo uvolnilo. Je jasné, že část tepla se uvolnila také na ohřátí kádinky. Tyto ztráty nebudeme uvažovat.

9 CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta) Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: SAMOVOLNÝ DĚJ Každá izolovaná soustava se snaží přejít samovolnými nevratnými pochody do rovnovážného stavu. Samovolné pochody končí dosažením rovnovážného stavu. V termodynamice zavádíme důležitou funkci, která se nazývá Entropie. Změna entropie ΔS nám pak říká, zda je děj samovolný. U samovolných pochodů je tato změna kladná tzn., že entropie vzrůstá. Rovnovážná soustava nabývá maximální možné entropie. ENDOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) spotřebovává. EXOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) uvolňuje. TEPLOTA T Teplota je fyzikální veličina, která nám říká, jak je těleso teplé. Jednotka je K (Kelvin). Vedlejší jednotka je C. TEPLO ΔQ Teplo Q je část vnitřní energie U. Jednotka tepla je J (Joule). ENTALPIE ΔH Je teplo, které soustava vymění s okolím při konstantním tlaku. ΔH = ΔQ p MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA Charakterizuje daný materiál. Je to teplo, které přijme nebo odevzdá těleso z dané látky o hmotnosti 1 kg a přitom se ohřeje nebo ochladí o jeden kelvin. J J Např.: Měrná tepelná kapacita pro vodu c = 4180 = 4180, což znamená, že těleso kg K kg Cʼ z vody o hmotnosti 1 kg zvýší svoji teplotu o 1 C, pokud přijme teplo 4180 J.

10 10 I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Je obecným vyjádřením zákona zachování energie: ΔU = ΔQ p ΔV Tuto rovnici můžeme přečíst např. takto: Změna vnitřní energie soustavy je rovna teplu, které soustava přijme mínus práce, kterou soustava vykoná. II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Druhý termodynamický zákon nám říká, jakým směrem bude děj probíhat. Lze ho vyslovit např. takto: Teplo samovolně přechází vždy z tělesa teplejšího na chladnější. KRYOSKOPIE Je metoda, která se zabývá snížením teploty tuhnutí roztoků. Teoretická příprava úlohy Doplň tabulku: fyzikální veličina značka jednotka termodynamická teplota T K teplota (Celsiova stupnice) t C teplo Q J změna Entalpie H J změna Vnitřní energie U J hmotnost m kg měrná tepelná kapacita c J kg K Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala voda o hmotnosti 100 g. Q p = H = m c T kde m 100g je hmotnost vody (ρ(h 2 O) = 1g/ml), c = 4180 J kg -1 K -1 je měrná tepelná kapacita pro vodu a T je rozdíl počáteční a konečné teploty vody. Vizualizace naměřených dat CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta) a) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli

11 11 b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou Vyhodnocení naměřených dat CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta) 1) Do 100 ml vody jsme přidali 1g NH 4 NO 3 Použitím nástroje DeltaTool odečteme rozdíl počáteční a konečné teploty vody. Vidíme, že teplota poklesla o 0,77 C. Teplo při rozpouštění dusičnanu amonného se spotřebovalo. Tento samovolný děj je endotermický.

12 12 Výpočet spotřebovaného tepla: počáteční teplota t 1 = 13,84 C konečná teplota t 2 = 13,07 C rozdíl teplot t = t 1 t 2 = (13,84 13,07) C = 0,77 C měrná tepelná kapacita vody c = 4180 J kg -1 C -1 hmotnost vody m = 0,1 kg Q p = H = m c t = 0,1 kg ,77 C = 321,86 J 322 J Při rozpouštění 1 g dusičnanu amonného se spotřebovalo teplo 322 J. 2) Do 100 ml vody jsme přidali 1 g bezvodého chloridu vápenatého. I zde jsme ke zjištění rozdílu mezi počáteční a konečnou teplotou použili nástroj DeltaTool. Teplota se při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého zvýšila o 0,89 C. Teplo se při rozpouštění chloridu vápenatého uvolňuje. Tento samovolný děj je exotermický. Pozn. 3: J kg K Pro přesnější určení přijatého nebo odevzdaného tepla je nutné započítat teplo přijaté (odevzdané) kalorimetrem. Pro naše měření jsme toto teplo neuvažovali. Také měrná tepelná kapacita pro soustavu voda + sůl bude jiná než pro čistou vodu. CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta) Výpočet tepla, které se uvolnilo při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého: počáteční teplota t 1 = 13,88 C konečná teplota t 2 = 14,78 C rozdíl teplot t = t 2 t 1 = (14,78 13,88) C = 0,89 C 0,9 C měrná tepelná kapacita vody c = 4180 J kg -1 C -1 hmotnost vody m = 0,1 kg J Q p = H = m c t = 0,1 kg 4180 kg K 0,9 C 376 J Při rozpouštění 1 g bezvodého chloridu vápenatého se uvolnilo teplo 376 J. Výpočty proveď také pro další pozorované děje.

13 13 Výsledky zapiš do přehledné tabulky: látka Pozn. 4: Záporné znaménko u hodnoty H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii). Závěr počáteční teplota konečná teplota teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie) Teplo přechází samovolně vždy z tělesa teplejšího na chladnější. Z našich měření jsme zjistili, že samovolné děje mohou být exotermické i endotermické (viz tabulku). Zjišťování tepelných zabarvení dějů má význam pro energetické bilance v průmyslu. Rozpouštěcí tepla se využívají např. při sestavování složení chladících směsí. Roztok tuhne při nižší teplotě než rozpouštědlo. Takže můžeme v zimě solit cesty, abychom zamezili vzniku náledí. Rozpouštěcí tepla se mohou využít např. pro samoohřívací nápoje CaldoCaldo. samovolný děj je: t 1 ( C) t 2 ( C) H (J) NaCl 13,78 13,55 96 ENDOTERMICKÝ KCl 13,84 13, ENDOTERMICKÝ NH 4 NO 3 13,84 13, ENDOTERMICKÝ NH 4 Cl 13,83 13, ENDOTERMICKÝ CaCl 2 13,88 14, EXOTERMICKÝ NaOH 13,8 15, EXOTERMICKÝ HCl 13,82 14, EXOTERMICKÝ Zn + HCl 16,85 51, EXOTERMICKÝ CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta)

14 CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta) Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: SAMOVOLNÝ DĚJ ENDOTERMICKÝ DĚJ EXOTERMICKÝ DĚJ TEPLOTA T TEPLO Q

15 15 ENTALPIE H MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON KYROSKOPIE Teoretická příprava úlohy Doplň tabulku: fyzikální veličina značka jednotka termodynamická teplota T CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta) teplota (Celsiova stupnice) teplo změna Entalpie změna Vnitřní energie hmotnost měrná tepelná kapacita J kg K Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala nebo odevzdala voda o hmotnosti 100 g:

16 16 Vizualizace naměřených dat a) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli vlož graf Temperature vs. Time b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl vlož graf Temperature vs. Time CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta) c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou vlož graf Temperature vs. Time

17 17 Vyhodnocení naměřených dat Pro určení rozdílu počáteční a konečné teploty použij nástroj DeltaTool a vypočítej tepla, která se uvolnila nebo spotřebovala při rozpouštění solí resp. ředění kyselin: Výpočty: CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta)

18 18 Výsledky zapiš do přehledné tabulky: látka Závěr počáteční teplota konečná teplota t 1 ( C) t 2 ( C) H (J) teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie) samovolný děj je: CaCl 2 13,88 14, EXOTERMICKÝ Pozn. 5 Záporné znaménko u hodnoty H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii). CHEMIE Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta)