Με αναμμένη τη θέρμανση: θερμαίνοντας φαγητό και ποτά με χημική ενέργεια Teach article

Μετάφραση από την Παρασκευή Θάνου (Paraskevi Thanou). Επιθυμήσατε ποτέ ένα ζεστό ποτό ή γεύμα αλλά δεν είχατε φωτιά ή εστία κοντά σας; Η Marlene Rau παρουσιάζει δύο…

Αυτοθερμαινόμενα γεύματα

Τα αυτοθερμαινόμενα γεύματα – που αρχικά παρασκευάστηκαν για στρατιωτική χρήση- είναι έτοιμα αυτοθερμαινόμενα πακέτα γευμάτων. Μπορούν να θερμανθούν με πολλούς τρόπους – πιέζοντας ένα κουμπί στη συσκευασία, ξετυλίγοντας και ανακινώντας δυνατά το πακέτο ή χύνοντας το περιεχόμενο μιας σακούλας σε μια άλλη και περιμένοντας λίγα λεπτά – όλοι εκ των οποίων χρησιμοποιούν εξώθερμες χημικές αντιδράσεις. Αυτά τα γεύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κίνητρο για τους μαθητές για να μελετήσουν τέτοιες αντιδράσεις με σχετική ασφάλεια και χωρίς τη χρήση ενός λύχνου ή θερμαντικής εστίας. Επιπλέον δίνεται η ευκαιρία για συζήτηση των αρνητικών οικολογικών επιπτώσεων των γευμάτων μιας χρήσης.
Για το επόμενο πείραμα, χρησιμοποιούμε το σύστημα του αυτοθερμαινόμενου γεύματος Crosse & Blackwell, το οποίο βασίζεται στην αντίδραση του μαγνησίου με αλατόνερο προς σχηματισμό υδρογόνου:

Mg (s) + 2H2O (l) -> Mg2+ (aq) + H2 (g) ↑ + 2OH- (aq)

s: στερεό, l: υγρό, g: αέριο, aq: ενυδατωμένο ιόν, το βέλος υποδηλώνει ότι ελευθερώνεται αέριο.

Αυτή η αντίδραση είναι πολύ αργή λόγω της αδρανοποίησης, κι έτσι για να επιταχυνθεί, προστίθενται σίδηρος και αλάτι. Αδρανοποίηση είναι η διεργασία, κατά την οποία ένα υλικό γίνεται λιγότερο δραστικό, συνήθως με την εναπόθεση μιας στιβάδας οξειδίου στην επιφάνειά του: αν εμβαπτίσετε μία λωρίδα μαγνησίου σε κρύο νερό, η επιφάνειά της θα οξειδωθεί προς υδροξείδιο του μαγνησίου (Mg(OH)2), και αυτή η επίστρωση θα εμποδίσει την περαιτέρω αντίδραση.

Επομένως, στο αυτοθερμαινόμενο γεύμα προστίθεται σίδηρος στο μαγνήσιο, οδηγώντας στο σχηματισμό ενός γαλβανικού στοιχείου – διάβρωση μικρής κλίμακας που συμβαίνει εκεί που δύο μέταλλα διαφορετικής δραστικότητας έρχονται σε επαφή κάτω από συνθήκες υγρασίας – ο οποίος (σχηματισμός) επιταχύνει την εξώθερμη αντίδραση. Επειδή το δυναμικό αναγωγής του μαγνησίου είναι μικρότερο από του σιδήρου (του λιγότερο δραστικού μετάλλου), ηλεκτρόνια θα περάσουν από το μαγνήσιο στο σίδηρο, και μόνο από εκεί στο http://www.scienceinschool.org/node/2376#overlay=node/2376/editνερό. Παρόλο που κατιόντα μαγνησίου (Mg2+) και ανιόντα υδροξειδίου (OH-) συνεχίζουν να σχηματίζονται, διαχωρίζονται από το σίδηρο και δεν μπορούν να ενωθούν για να σχηματίσουν υδροξείδιο του μαγνησίου. Ως αποτέλεσμα, το μαγνήσιο δεν αδρανοποιείται με επικάλυψη υδροξειδίου του μαγνησίου, η οποία θα μείωνε τη δραστικότητα.

Επειδή τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα μαγνησίου και υδροξειδίου είναι ευκίνητα, σε καθαρό νερό θα σχημάτιζαν σύντομα υδροξείδιο του μαγνησίου, το φορτίο θα είχε εξισορροπηθεί και η αντίδραση θα επιβραδυνόταν πάλι. Για να προληφθεί αυτό, προστίθεται χλωριούχο νάτριο στο νερό, ώστε τα προερχόμενα από το αλάτι ιόντα νατρίου (Na+) και χλωρίου (Cl-) να κινηθούν προς τα ιόντα μαγνησίου και υδροξειδίου, εξισορροπώντας το φορτίο.

Το πείραμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εισαχθούν και να συζητηθούν τα θέματα της μεταφοράς ηλεκτρονίων, του γαλβανικού στοιχείου, της αδρανοποίησης, της θυσιαστικής ανόδου, της διάβρωσης και της σύνθεσης του νερού (ομοιοπολικοί δεσμοί, πολικότητα και αριθμοί οξείδωσης). Χρειάζονται περίπου 45 λεπτά συν το χρόνο συζήτησης και έχει δοκιμαστεί επιτυχώς με παιδιά 14 ετών για τη μελέτη αντιδράσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων και διάβρωσης, όπως και με μεγαλύτερους μαθητές για εργασία στην ηλεκτροχημεία.

Υλικά

Υλικά επίδειξης

• Μια λωρίδα μαγνησίου
• Κρύο (που δεν έχει θερμανθεί) κορεσμένο διάλυμα χλωριούχου νατρίου (αλατόνερο)
• Διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης
• Μια συσκευασία αυτοθερμαινόμενου γεύματος Crosse & Blackwell (διαθέσιμη από διάφορους προμηθευτές)^w1
• Ένα θερμοάντοχο ποτήρι
• Ένα εργαστηριακό θερμόμετρο

Υλικά ανά ομάδα

• Ένα άδειο φακελάκι τσαγιού
• Μια μικρή ποσότητα (μερικοί κόκκοι, που καλύπτουν την άκρη της σπάτουλας) μίγματος σκόνης μαγνησίου / σιδήρου από μια συσκευασία αυτοθερμαινόμενου γεύματος Crosse & Blackwell. Η αυτοσχέδια ανάμιξη σκόνης μαγνησίου και σιδήρου συνήθως δεν αποδίδει, γιατί είναι ήδη μερικώς οξειδωμένο. Το μίγμα της σκόνης στις συσκευασίες των αυτοθερμαινόμενων γευμάτων είναι συσκευασμένο υπό κενό αέρος.

• Μια σύριγγα των 50 ml
• 10 ml κορεσμένου διαλύματος χλωριούχου νατρίου
• Μια σύριγγα των 20 ml
• Μια στρόφιγγα τριών εισόδων
• Ένα μικρό ποτήρι ζέσεως
• Ένας πλαστικός σωλήνας που προσαρμόζεται στις βαλβίδες της στρόφιγγας (μήκους περίπου 10 cm)
• Ένα δοχείο γεμάτο με νερό
• Ένα αναμμένο κερί
• Ένας δοκιμαστικός σωλήνας
• Διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης <1% κ.β.

Τα πλαστικά υλικά που απαιτούνται για το πείραμα μπορούν να παραγγελθούν ως μέρος των έτοιμων ChemZ^w2 kits, που αναπτύχθηκαν σε συνεργασία με το πρόγραμμα Lebensnaher Chemieunterricht (LNCU)^w3, αλλά είναι επίσης διαθέσιμα από τους περισσότερους προμηθευτές ιατρικών και χημικών εργαστηρίων.

Πειραματική διαδικασία

1. Δείξτε μία ταινία για τα αυτοθερμαινόμενα γεύματα^w4.
2. Δείξτε το αυτοθερμαινόμενο γεύμα στους μαθητές.
3. Ρίξτε το περιεχόμενο της συσκευασίας του αυτοθερμαινόμενου γεύματος σε ένα θερμοάντοχο ποτήρι με ένα θερμόμετρο και παρατηρήστε την αντίδραση – το περιεχόμενο θερμαίνεται και παράγονται φυσαλίδες.

   Σημείωση: αν χρησιμοποιήσετε το περιεχόμενο μόνο των δύο από τα τέσσερα πακέτα μιγμάτων μαγνησίου / σιδήρου, μπορείτε να κρατήσετε το περιεχόμενο των άλλων δύο για τα πειράματα των μαθητών – αρκεί για περίπου 20 ομάδες μαθητών. Ακόμη και με τις δύο μόνο συσκευασίες για την επίδειξη, το αυτοθερμαινόμενο γεύμα θα φτάσει τη θερμοκρασία των 100 °C μετά από ένα περίπου λεπτό.

4. Συζητήστε: γιατί δουλεύει αυτό; Τι συμβαίνει; Τι είδους αέριο παράγεται;
5. Εξηγήστε την αντίδραση του μαγνησίου – αγνοήστε το σίδηρο και το αλάτι προς το παρόν.
6. Δείξτε ότι μια λωρίδα μαγνησίου εμφανίζει μια ασθενή αντίδραση με κρύο κορεσμένο διάλυμα άλατος (το οποίο είναι αυτό που προστίθεται στο αυτοθερμαινόμενο γεύμα): λίγες φυσαλίδες είναι ορατές και η προσθήκη μιας σταγόνας διαλύματος φαινολοφθαλεΐνης επιφέρει μια ελαφρώς ρόδινη χροιά.
7. Πριν αρχίσετε, δείξτε πώς διεξάγεται η δοκιμασία υδρογόνου: κρατήστε το πάνω μέρος του δοκιμαστικού σωλήνα κοντά σε φλόγα, επιτρέποντας το αέριο στο σωλήνα να καεί. Υπάρχουν δύο πιθανά θετικά αποτελέσματα:
    
   1. Αν ο σωλήνας περιέχει και υδρογόνο και οξυγόνο, το υδρογόνο θα καεί παράγοντας ένα διαπεραστικό κρότο. Κάτω από φυσιολογικές εργαστηριακές συνθήκες, αυτό είναι το πιο πιθανό αποτέλεσμα, καθώς ο σωλήνας θα περιέχει και οξυγόνο από τον αέρα.
   2. Αν ο σωλήνας είναι εντελώς γεμάτος με υδρογόνο, δε θα παραχθεί ήχος, αλλά το αέριο θα καεί με μια άχρωμη φλόγα και το παραγόμενο νερό θα εμφανιστεί ως νέφος στο σωλήνα. Επιπλέον, η εξώθερμη αντίδραση θα θερμάνει το σωλήνα. Οι μαθητές συχνά κάνουν λάθος θεωρώντας το ως αρνητικό αποτέλεσμα (απουσία υδρογόνου)
8. Τοποθετήστε τους μαθητές σε ομάδες των τριών ατόμων, για να διεξάγετε το πείραμα του αυτοθερμαινόμενου γεύματος. Εξαιτίας της παραγόμενης θερμότητας η αντίδραση επιταχύνεται, οπότε πρέπει να διεξαχθεί σε μικρή κλίμακα (όπως προτείνεται).

   Στο γαλβανικό στοιχείο παράγεται υδροξείδιο του μαγνησίου. Αν είναι επιθυμητό, αυτό μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας φαινολοφθαλεΐνη (βλ. παρακάτω).

9. Μοιράστε το φύλλο εργασίας (βλ. παρακάτω ή κατεβάστε το από εδώ) που περιγράφει πώς πρέπει να διεξαχθεί το πείραμα με το αυτοθερμαινόμενο γεύμα. Τώρα οι μαθητές θα είναι έτοιμοι να αρχίσουν.

Φύλλο εργασίας μαθητή

Σημείωση ασφαλείας: Φορέστε γυαλιά ασφαλείας. Η αντίδραση παράγει πολύ εύφλεκτο αέριο – προσέχετε. Δείτε επίσης τη γενική σημείωση ασφαλείας

1. Τοποθετήστε το μίγμα της σκόνης των μετάλλων σε ένα άδειο φακελάκι τσαγιού και σφηνώστε το σε μια σύριγγα των 50 ml (χωρίς τη σακούλα η σκόνη μπορεί να αποφράξει τη σύριγγα). Πιέστε και βγάλτε τον αέρα.
2. Γεμίστε τη σύριγγα των 20 ml με αλατόνερο και συνδέστε τη στη μεγάλη σύριγγα χρησιμοποιώντας τη στρόφιγγα τριών εισόδων.
3. Γυρίστε τη στρόφιγγα, ώστε να αφήσετε τα δυο υλικά να συρρεύσουν στο κλειστό σύστημα.
   Καθώς προχωρά η αντίδραση, θα συλλεχθεί αέριο σε μια από τις σύριγγες.
4. Μόλις συλλεχθούν περισσότερα από 25 ml αερίου, ανοίξτε τη στρόφιγγα και αφήστε το αλατόνερο να ρεύσει έξω, συλλέγοντάς το σε ένα ποτήρι ζέσεως.
   Σημείωση ασφαλείας: εξαιτίας της παραγόμενης θερμότητας η αντίδραση επιταχύνεται (αλυσιδωτή αντίδραση). Προσέξτε, ώστε να αφήσετε το νερό να βγει από τη σύριγγα πριν το παραγόμενο αέριο σπρώξει το έμβολο της σύριγγας προς τα έξω.

5. Αφού έχετε ελευθερώσει το νερό, κλείστε τη στρόφιγγα, για να κρατήσετε το αέριο μέσα στη σύριγγα, και προσαρμόστε τον πλαστικό σωλήνα στη στρόφιγγα. Αν συνεχίσει να παράγεται αέριο, αφήστε τη στρόφιγγα ανοιχτή.
6. Πιέστε το έμβολο της σύριγγας, ώστε να προωθήσετε το αέριο σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα μέσω της διάταξης συλλογής αερίου (χρησιμοποιήστε τον πλαστικό σωλήνα, το δοχείο με το νερό και το δοκιμαστικό σωλήνα όπως στο διάγραμμα).
7. Εκτελέστε τη δοκιμασία για το υδρογόνο κρατώντας το στόμιο του σωλήνα στη φλόγα (βλ. το διάγραμμα στα δεξιά), ώστε η φλόγα να είναι αρκετά κοντά στην κορυφή του σωλήνα. Η δοκιμασία πρέπει να είναι θετική.

Προαιρετικά: προσθέστε μια σταγόνα διαλύματος φαινολοφθαλεΐνης στο νερό που συλλέξατε στο ποτήρι ζέσεως. Τι συμβαίνει; Γιατί;

Σημείωση υγιεινής και ασφάλειας: τα εναπομείναντα υγρά μπορούν να αποχυθούν στο νεροχύτη. Καθαρίστε τα πλαστικά υλικά με νερό και αφήστε τα να στεγνώσουν.

Συζήτηση

Άλλες αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται συνήθως στα αυτοθερμαινόμενα γεύματα περιλαμβάνουν την οξείδωση του σιδήρου, την αντίδραση του άνυδρου χλωριούχου ασβεστίου με το νερό (βλ. παρακάτω) ή, για ψύξη, την αντίδραση του λιπάσματος νιτρικού αμμωνίου με το νερό.

Περαιτέρω πειράματα, όπως η παρασκευή αυτοθερμαινόμενων ή αυτοψυχόμενων πακέτων, ή ο προσδιορισμός της περιεκτικότητας του αέρα σε οξυγόνο με τη βοήθεια της αντίδρασης οξείδωσης του σιδήρου που χρησιμοποιείται στα αυτοθερμαινόμενα πακέτα, περιγράφονται στην ιστοσελίδα του LNCU^w3.

Αυτή η δραστηριότητα μπορεί να αποτελέσει επίσης μέρος ενός μαθήματος, στο οποίο οι μαθητές αναπτύσσουν ένα σενάριο για ένα τηλεοπτικό επιστημονικό πρόγραμμα, ώστε να απαντήσουν σε ερώτηση τηλεθεατή σχετικά με τη λειτουργία των αυτοθερμαινόμενων γευμάτων. Η ελληνική έκδοση αυτού του φύλλου εργασίας είναι διαθέσιμη στην ιστοσελίδα του Science in School^w5, ενώ η γερμανική στην ιστοσελίδα του LNCU^w3.

Ενα φλυτζάνι καυτού καφέ

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θερμαίνουν καφέ χρησιμοποιώντας άνυδρο χλωριούχο ασβέστιο και νερό. Η δραστηριότητα λειτουργεί με επιτυχία και ως μέρος μιας διδακτικής ενότητας στη διάλυση αλάτων στο νερό, για να εισάγει την ενεργειακή πλευρά αυτής της διεργασίας. Οι μαθητές θα πρέπει να είναι ήδη εξοικειωμένοι με τους ιοντικούς και τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Η δραστηριότητα λειτουργεί με επιτυχία με ομάδες των τριών μαθητών ηλικίας 14 ετών και άνω.

Μια πιθανότητα είναι να συζητηθεί η ενέργεια πλέγματος, χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα από την καθημερινή ζωή τα αυτοψυχόμενα πακέτα που βασίζονται σε μια ενδόθερμη αντίδραση, η οποία ενεργοποιείται λυγίζοντας ένα μεταλλικό έλασμα. Η παρακάτω δραστηριότητα μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να εισάγει την έννοια της ενέργειας ενυδάτωσης και να δείξει ότι η αντίδραση κατά την οποία διαλύονται ορισμένα άλατα είναι εξώθερμη διεργασία.

Η δραστηριότητα είναι σχετικά ασφαλής – η πιο επικίνδυνη πλευρά είναι η πιθανότητα να σπάσει το γυαλί, αν δεν το χειριστείτε σωστά.

Υλικά για κάθε ομάδα

• Περίπου 10 g άνυδρου χλωριούχου ασβεστίου
• Ποτήρια ζέσεως διαφόρων μεγεθών
• Νερό
• Αφρώδες πολυστυρένιο (χρησιμοποιήστε σχετικά μεγάλα κομμάτια γιατί τα μικρά γίνονται ενοχλητικά, όταν φορτίζονται και «κολλάνε» οπουδήποτε)
• Δύο εργαστηριακά θερμόμετρα
• Ευδιάλυτη σκόνη (στιγμιαίου) καφέ
• Επιπλέον αντικείμενα που διεγείρουν τη φαντασία των μαθητών, όπως λαστιχάκια, μεμβράνη, μπαταρίες, κλπ

Πιθανές προσεγγίσεις

Δύο προβλήματα που συνήθως αντιμετωπίζουν οι μαθητές είναι ότι προσθέτουν πολύ λίγο χλωριούχο ασβεστίο στο νερό (όσο περισσότερο χρησιμοποιούν, τόσο περισσότερη θερμότητα παράγεται) και ότι ξεχνούν να μονώσουν τα ποτήρια τους.

Μια κοινή λύση στο πρόβλημα είναι να φτιάξουν ένα αυτοσχέδιο μικρό υδρόλουτρο, τοποθετώντας νερό και χλωριούχο ασβέστιο σε ένα μεγάλο ποτήρι ζέσεως και στερεώνοντας αφρώδες πολυστυρένιο γύρω από το ποτήρι με μια κολλητική ταινία. Ο καφές μπορεί να θερμανθεί τότε σε ένα μικρότερο ποτήρι ζέσεως στο αυτοσχέδιο υδρόλουτρο.

Το καλύτερο αποτέλεσμα στα πλαίσια του προγράμματος LNCU (βλ. πλαίσιο) επιτεύχθηκε γεμίζοντας ένα μικρό ποτήρι ζέσεως με νερό και τοποθετώντας το σε ένα μεγαλύτερο ποτήρι με μια στιβάδα από αφρώδες πολυστυρένιο ενδιάμεσα για θερμομόνωση. Οι μαθητές στη συνέχεια τοποθέτησαν το χλωριούχο ασβέστιο, στο οποίο είχαν προσθέσει πολύ λίγο νερό, σε ένα μικρό κουτί φωτογραφικού φιλμ. Προσδένοντας σε αυτό ένα σκοινί και μια πέτρα ως βαρίδιο, το άφησαν να αιωρείται μέσα στο νερό. Η θερμοκρασία των 50 ml καφέ μεταβλήθηκε από τους 20 στους 44 °C σε λιγότερο από ένα λεπτό.

Συζήτηση

Συζητήστε την προφανή αντίθεση μεταξύ της συμπεριφοράς των αυτοψυχόμενων πακέτων στα προηγούμενα πειράματα και του πειράματος που μόλις εκτελέσατε – σε αυτή την περίπτωση, η διεργασία της διάλυσης δεν είναι ενδόθερμη. Στα αυτοψυχόμενα πακέτα, απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να καταστραφεί το κρυσταλλικό πλέγμα του άλατος (ενέργεια πλέγματος) από την ενέργεια που απελευθερώνεται, όταν τα μόρια του νερού περιβάλλουν τα ιόντα (ενέργεια ενυδάτωσης). Η απαιτούμενη ενέργεια απορροφάται από το περιβάλλον, οπότε το διάλυμα ψύχεται. Αντίθετα, στο πείραμα με τον καφέ η ενέργεια ενυδάτωσης είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πλέγματος, οπότε η διεργασία στο σύνολό της είναι εξώθερμη. Η ενέργεια ενυδάτωσης και η ενέργεια πλέγματος είναι σταθερά χαρακτηριστικά του κάθε άλατος.

Περαιτέρω πείραμα

Ως συνέχεια, οι μαθητές θα μπορούσαν να προσπαθήσουν να επιτύχουν τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία χρησιμοποιώντας άνυδρο χλωριούχο ασβέστιο, χλωριούχο νάτριο και πάγο. Ίσως εκπλαγούν, όταν ανακαλύψουν ότι η προσθήκη του άνυδρου χλωριούχου ασβεστίου στον πάγο (σε αντίθεση με το νερό) δεν αυξάνει τη θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει, επειδή οι δεσμοί υδρογόνου στους κρυστάλλους του πάγου πρέπει πρώτα να διασπαστούν, το οποίο απαιτεί ενέργεια, με αποτέλεσμα η όλη διεργασία να είναι ενδόθερμη.