Fakulta životního prostředí v Ústí nad Labem
INOVACE PŘEDNÁŠEK KURZU Fyzikální chemie, KCH/P401 - ZAVEDENÍ EXPERIMENTU DO PŘEDNÁŠEK Vypracovala Z. Kolská
(prozatímní učební text, srpen 2012)
K několika kapitolám Fyzikální chemie byly níže navrženy a modifikovány experimentální pokusy s cílem propojit studentům teoretické poznatky předávané na přednáškách. Experimenty jsou navrženy tak, aby byly snadno proveditelné přímo v přednášce a není k nim zapotřebí žádné speciální vybavení ani drahé přístroje.
Pokus č. 1: Kapitola Termodynamika, Část Termochemie URČENÍ TEPELNÉ KAPACITY MĚŘÍCÍ CELY
Vybavení: Stačí termoska a teploměr – nenáročné na provedené v přednášce. Ke všem úlohám je nutné určit tepelnou kapacitu termosky, kalorimetru, či jiné soustavy (měřící cely), v níž bude experiment prováděn Doba trvání: ca 10 minut Provedení: Do vysoké kádinky 600 cm3 odměříme hmotnost m1 (g) vody o teplotě t1. Teplotu změříme a zapíšeme do tabulky (ta je zpětným projektorem promítána studentům, takže mohou sledovat výsledky v průběhu měření). Do kádinky přilijeme další vodu o hmotnosti m2 (g) a teplotě t2. Změříme a opět zapíšeme do tabulky. S použitím měrné tepelné kapacity vody cp(H2O) = 4,185 J⋅K-1⋅g-1, pak vypočteme m ⋅ (t − t ) − m1 ⋅ (t − t1 ) tepelnou kapacitu kalorimetru Ke: K e = 2 2 ⋅ c p (H 2 O ) t − t1 V Excelu připravíme tabulku pro výpočet tepelné kapacity kalorimetru tak, aby studenti okamžitě sledovaly změny teploty a vlastní výpočet. (Ve druhém sloupci jsou v experimentu získané hodnoty) cp(H2O)= m1= m2= t1 =
4,185 100 100 22,5
J×K-1×g-1 G G °C
t2 =
39,9 °C
t=
30,6 °C
Kměřící cely=
62
J×K-1
Výstupy přednášky: - Setkání studentů s experimentem v průběhu výuky - Zapojení studentů do experimentu (měření teploty a zejména potřebné výpočty), zároveň opakování 0. věty termodynamické – měření teploty - Zopakování a propojení teorie a experimentu (opět interaktivní forma výuky se studenty) - Zároveň procvičení příkladů (1 z procvičovaných příkladů vytvořil v rámci tohoto projektu prof. Boublík) z této oblasti
Pokus č. 2: URČENÍ REAKČNÍHO TEPLA CHEMICKÉ REAKCE
(např. zinku s roztokem měďnaté soli, ale může být jakákoli snadno proveditelná, tepelně zabarvená, reakce) Vybavení: Stačí termoska a teploměr – nenáročné na provedené v přednášce. Doba trvání: ca 10 až 20 minut včetně výpočtů Provedení: Určení celkové tepelné kapacity soustavy: Celková tepelná kapacita soustavy K je určena jako součet tepelné kapacity vzniklé látky Ks a rozpouštědla Kv a tepelné kapacity měřící cely (viz Pokus č. 1). K = K s + K v + K e , K = c p s ⋅ m s + c p v ⋅ mv + K e
K = C ° p s ⋅ n s + C ° p v ⋅ nv + K e Výpočet je opět proveden např. v Excelu tak, aby interaktivně studenti viděli a sledovaly průběh experimentu a průběh výpočtu, např. pro reakci Zn + CuSO4: Tepelná kapacita soustavy: K = Ksoli + Kvody + Kměřící cely K = Ks + Kv + Ke cp(ZnSO4)=
0,614 J×K-1×g-1
n(znSO4)=n(CuSO4)=c*V=0,1*0,200=0,020 mol M(ZnSO4)= 161,45 g/mol m=n*M=0,02*161,45 = 3,229 g Ksoli = cpsoli*msoli
Ksoli=
1,983 J×K-1
Kvody=cpvody*mvody M(H2O)= 18,0153 g/mol m(H2O)= 200 G
Kvody = K=
837 J×K-1 901 J×K-1
Určení reakční entalpie nachystané chemické reakce: Do vysoké kádinky 600 cm3 odměříme 200 cm3 roztoku první složky reakční směsi. Měříme teplotu až do jejího ustálení (kalibrace reakční soustavy na teplotu místnosti). Odečteme počáteční teplotu. Vsypeme či vlijeme druhou složku reakční směsi (dle vybrané reakce), soustavu mícháme a odečítáme v co nejkratších časových intervalech teplotu reakční směsi. Měření ukončíme, jakmile se teplota ustálí, případně začne klesat na teplotu místnosti. Vypočítáme reakční teplo: a) Z experimentálních dat o změně teploty b) Z tabelovaných dat a standardních slučovacích entalpiích jednotlivých složek reakce ( k tomu jsou opět zapojeni studenti, musí v tabulkách, případně pokud výuka probíhá v učebně s internetem, tak v dostupných databázích, nalézt standardní slučovací tepla všech složek reakční soustavy). Pokud jsou dostupná při jiné teplotě než při které probíhá experiment, nutno přepočítat na požadovanou teplotu pomocí Kirchhoffovy rovnice.
Reakční teplo z experimentálních dat: K ⋅ ∆T K ⋅ ∆T ⋅ M ∆H r = = n m tpoč=
22,5
tkon=
26,5
ΔHreakční=
-117,8 kJ/mol
ze standardních slučovací entalpií ΔH°sl(ZnSO4)=
-874,4 kJ/mol
ΔH°sl(CuSO4)=
-771,1
ΔH°sl(Zn)=
ΔHreakční=
kJ/mol
0 kJ/mol
-103,3kJ/mol
Výstupy této přednášky: - Interaktivní zapojení studentů do přednášky, podíl na experimentech, tvorbě výpočtů i samotných výpočtech - Zopakování a propojení teorie a experimentu (opět interaktivní forma výuky se studenty) - Rozhodnutí studentům, zda provedená chemická reakce je exotermní či endotermní - S tím související procvičení příkladů (některé vytvořil v rámci tohoto projektu prof. Boublík) z této oblasti - Praxe studentů s vyhledáváním dat v tabulkách a databázích
Pokus č. 3: Kapitola: FÁZOVÉ ROVNOVÁHY: Vybavení: 4 zkumavky (viz popis a obrázek) A) Voda B) Vodný roztok KMnO4 C) Hexan D) Roztok I2 v hexanu Zkumavka B a D musí mít stejně sytou barvu. Doba trvání: ca 10 minut Provedení: 1. pokus: slijeme zkumavku A a B a pozorujeme pokus a diskutujeme jeho průběh: Zkumavky poté promícháme, necháme ustálit a opět diskutujeme průběh děje
2. pokus: slijeme zkumavku C a D a pozorujeme pokus a diskutujeme jeho průběh: Zkumavky poté promícháme, necháme ustálit a opět diskutujeme průběh děje
3. pozorování po intenzivním třepaní a následném ustálení:
Výstupy a zhodnocení přednášky: - Zapojení studentů do experimentu (vlastní provedení experimentů a zejména diskuze ke sledovanému chování) - Zopakování a propojení teorie a experimentu (interaktivní forma výuky se studenty) - Procvičení zejména základních pojmů z oblasti fázových rovnováh, zejména rozdílů mezi fází a skupenstvím - Procvičení příkladů z oblasti fázových rovnováh (vytvořil v rámci tohoto projektu prof. Boublík) z této oblasti - Předání informací o potížích při řešení příkladů, o nejednoznačném zadání a o případných chybách tvůrci příkladů, prof. Boublíkovi k opravám zadání v chystaných studijních oporách
Pokus č. 4: Kapitola: KOLIGATIVNÍ VLASTNOSTI
Kafr + naftalen, ukázka poklesu teploty tání a určení molární hmotnosti látky Vybavení: zkumavky, teploměr, kahan či topné hnízdo na zahřívání vzorků Doba trvání: ca 20 minut včetně výpočtů Provedení: Ve 2 zkumavkách zahříváme: a) čistý kafr, b) čistý naftalen. Odečteme teploty tání obou látek. Ve zkumavce 3 tavíme směs o přesných hmotnostech naftalenu a kafru a sledujeme teplotu tání směsi. Ze získaných dat jednak sledujeme pokles teploty tání směsi oproti čistému tavidlu, jednak vypočteme molární hmotnost naftalenu. Opět použijeme interaktivní tabulku s výpočtem pro sledování studentů, např.: Kafr a naftalen 1. SADA Ttání Tvaru
tabelované
tavidlo KAFR 173-178 209
zkoumaná látka NAFTALEN 79-83 °C 218 °C
174,5
Ttání Tvaru
m kafr
67,6
mkafr ⋅ ∆T
=
− M ⋅ ∆T K k ⋅ 10 3
-106,9 °C; K
128,17052 g/mol 0,34253571 tabelované KAFR experimentální 160
NAFTALEN
Kk
40
K/(kg/mol)
82
∆Ttání = Ttání směsi - Ttání kafr
Ttání směsi M poměr navážek m(naftalen)/m(kafr)
80,5
− K k ⋅ 10 3 ⋅ mnaftalen
∆Ttání = Ttání směsi - Ttání kafr
Ttání směsi M poměr navážek m(naftalen)/m(kafr) 2. SADA
M =
m naftalen
experimentální Ttání Tvaru
kryoskopická konstanta Kk 40 K/(kg/mol)
67,5
-92,5 °C; K
128,17052 g/mol 0,29639433
Výstupy hodiny: - Zapojení studentů do experimentu (vlastní provedení experimentů, diskuze ke sledovanému chování), modifikace stejného experimentu s různými navážkami látek - Zopakování a propojení teorie a experimentu (interaktivní forma výuky se studenty) - Procvičení zejména základních pojmů z oblasti koligativních vlastností, diskuze o rozdílech mezi jednotlivými koligativními vlastnostmi - Procvičení příkladů z oblasti koligativních vlastností (některé z příkladů vytvořil v rámci tohoto projektu prof. Boublík) - Předání informací o potížích při řešení příkladů, o nejednoznačném zadání a o případných chybách tvůrci příkladů, prof. Boublíkovi k opravám zadání v chystaných studijních oporách
