Caldura este pornita: incalzirea mancarii si a bauturii cu energie chimicala Teach article

Tradus de Iorgu Loredana, Tudorache Alexandra, Zaheu Iuliana, Moldovan Alexandra, Gabriela Badea; Colegiul National I.L. Caragiale-Bucuresti. Ti-ai dorit vreodata o bautura fierbinte sau o masa fierbinte, dar nu ai avut foc sau un aragaz la indemana? Marlene Rau iti prezinta doua activitati din…

Incalzitoarele de mancare

Incalzitoarele de mancare- facute initial pentru uz militar- sunt pachete de mancare care se pot autoincalzi.Pot fi incalzite in multe feluri : -prin apasarea unui buton de pe ambalaj, desfacand si agitand pachetul sau prin turnarea continutului dintr-o punga in alta si asteptand cateva minute –toate acestea folosind reactii chimice exoterme.Aceste mese pot fi folosite pentru a motiva elevii sa studieze astfel de reactii sigure si fara a folosi un arzator. Suplimentar trebuie discutat aspectul negativ din punct de vedere ecologic al meselor de unica folosinta.
Pentru urmatorul experiment vom folosi sistemul de incalzire al mancarii Crosse & Blackwell care se bazeaza pe reactia dintre magneziu si apa sarata pentru a produce hidrogen:

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

s: solid; l: lichid; g: gazos; aq: in solutie; sagetile verticale indica eliberarea gazului.

Aceasta reactie este foarte lenta, din cauza pasivizarii, astfel pentru a fi accelerata se adauga fier si sare. Pasivizarea este procesul prin care un material devine mai putin reactiv, de obicei prin depunerea unui strat de oxid pe suprafata sa: daca pui o banda de magneziu in apa rece, suprafata sa se va oxida la hidroxid de magneziu (Mg(OH)₂), iar acest strat va impiedica reactiile viitoare.

Prin urmare, intr-o mancare incalzita fierul este adaugat magneziului, ceea ce produce o celula de coroziune locala – la scara redusa; aceasta se intampla cand doua metale cu reactivitati diferite intra in contact in conditii de umiditate accelerand reactia exoterma. Pentru ca potentialul magneziului este mai coborat decat cel al fierului(metalul cel mai putin reactiv), electronii vor trece de la magneziu la fier si doar de la acesta in apa. Deşi cationii de magneziu (Mg²⁺) şi anionii de hidroxid (OH^–) continuă să se formeze, ei sunt separati de catre fier şi nu se pot combina pentru a forma hidroxidul de magneziu.Ca rezultat,magneziul nu devine pasivizat de un strat de hidroxid de magneziu care ar diminua reactivitatea.

Deoarece magneziul incarcat diferit si ionii de hidroxid sunt mobili, in apa curata ei vor forma curand hidroxid de magneziu, sarciona va fi echilibrata si reactia se va incetini din nou. Pentru a preveni aceasta, se adauga in apa clorura de sodiu, astfel sodiul (Na⁺) si ionii de clorura (Cl^–) din sare, pot trece la magneziu si in schimb ionii de hidroxid echilibreaza sarcina electrica.

Experimentul poate fi folosit pentru a introduce şi discuta subiectele legate de transferul de electroni, de celulele locale, pasivizare, anozi de sacrificiu, coroziunea şi compoziţia apei (legaturi covalente, polaritatea şi numere de oxidare). Subiectul are nevoie de aproximativ 45 minute, plus timp de discutie si a fost testat cu succes cu elevi de 14 ani ce studiau reactiile de transfer de electroni si coroziunea, precum si de alti studenti mai in varsta care lucreaza in electrochimie.

Materiale

Materiale demonstrative

• O banda de magneziu
• Solutie rece(neincalzita) saturata de clorura de sodiu(apa sarata)
• Solutie de fenoftaleina
• Un pachet de mancare gata incalzita Crosse & Blackwell (este disponibil de la o serie de furnizori)^w1
• O sticla termorezistenta
• Un termometru de laborator

Materiale per grup

• Un saculet de ceai gol
• O cantitate mica (cateva boabe, care acoperă vârful unei spatule) de magneziu / amestec de pulbere de fier luate dintr-un pachet de incalzit mancare Crosse & Blackwell. Amestecarea magneziului şi pulberii de fier va avea tendinta de a nu actiona, deoarece este deja parţial oxidat. Pudra amestecata din pachetele cu mancare gata incalzita este sigilata in vid.

• O seringa de 50 de ml
• 10 ml de solutie saturata de clorura de sodiu
• O seringa de 20 de ml
• Un robinet cu trei cai
• Un pahar mic
• Un tub de plastic sa se potriveasca pe supapele robinetului (aprox. 10 cm lungime)
• Un vas umplut cu apa
• O lumanare aprinsa
• O eprubeta
• Solutie de fonolftaleina <1% per greutate

Materialele din plastic necesare pentru experiment pot fi comandate, ca parte a kiturilor de ChemZ^w2, care au fost realizate în colaborare cu proiectul the Lebensnaher Chemieunterricht (LNCU)^w3 dar sunt de asemenea disponibile de la furnizori pentru laboratoare medicale si chimice.

Procedura

1. Prezentati un film despre cum se incalzeste mancarea^w4.
2. Prezentatielevilor modul in care se incalzeste mancarea.
3. Se toarnă conţinutul din pachet într-o sticlă termorezistentă cu un termometru şi se observa reacţia – se incalzeste si se produc bule.

   Notă: Dacă utilizaţi conţinutul a doar două din cele patru pachete de amestec de magneziu /fier , puteţi pastra conţinutul celorlalte două pachete pentru experimentele cu elevii „- va fi suficient pentru grupuri de aproximativ 20 de studenti. Chiar şi cu doar două dintre pachetele de demonstraţie, mancarea încălzita va ajunge la o temperatura de 100 °C, după aproximativ un minut.

4. De ce lucrurile decurg asa? Ce se intampla? Ce fel de gaz este produs?
5. Explicaţi reacţia magneziului – ignora fierul şi sarea pentru moment.
6. Demonstrează că o bandă de magneziu prezintă o reacţie slaba cu soluţia rece saturată de sare (care se adaugă în mancarea încălzita): se observa câteva bule de gaz si adăugând o picătură de soluţie de fenolftaleină se obtine o culoare roz.
7. Înainte de a începe, demonstrati modul de a efectua testul oxihidrogen: ţineţi capatul tubului de test aproape de o flacără, permitand intrarea de gaze în tubul de combustie. Există două posibile rezultate pozitive:
    
   1. În cazul în care tubul conţine atât hidrogen cat şi oxigen, hidrogenul va arde cu un „pop scartaitor” . În condiţii normale de laborator, acesta este rezultatul normal, iar eprubeta va conţine, de asemenea, si oxigenul din aer.
   2. În cazul în care tubul este umplut complet cu hidrogen, nu va fi nici un sunet, dar arderea gazului cu o flacara incolora si apa rezultata va aburi eprubeta de test. c. In plus reactia exoterma va incalzi eprubeta. Elevii gresesc adesea acest lucru ajungand la un rezultat negativ( fara hidrogen).
8. Aşezaţi elevii în grupuri de trei pentru a efectua experimentul de incalzire a mancarii. Din cauza căldurii rezultate, reacţia se accelerează, astfel încât ar trebui să fie efectuata numai pe scară mică (după cum see sugereaza).

   La celula locala, se produce hidroxid de magneziu. Dacă se doreşte, acest lucru poate fi pus in evidenta cu ajutorul fenolftaleinei (vezi mai jos).

9. O parte din fisa de lucru (a se vedea mai jos sau descărcaţi-l de aici) descrie cum să se desfasoare experimentul de incalzire a mancarii. Elevii vor fi acum gata pentru a începe.

Fisa de lucru a elevului

Notă de siguranţă: Purtaţi ochelari de protecţie. Reacţia creează gaz inflamabil – Atentie . A se vedea, de asemenea nota generala de siguranţă.

1. Puneti amestecul de pulbere de metal într-o pungă de ceai gol si apoi într-o seringă de 50 ml (fără sac de ceai, pulberea ar putea bloca seringa). Apăsaţi sa iasa aerul.
2. Umpleţi seringa de 20 ml cu apă sărată şi conectaţi-l la seringa mare, folosind un robinet cu trei căi.
3. Rotiţi supapa robinetului pentru a permite amestecarea celor două materiale în sistemul închis.
   In timpul aceste reactii, gazul se va aduna in una dintre seringi.
4. De îndată ce mai mult de 25 ml de gaz a fost colectat, se deschide robinetul şi se permite scurgerea de apă sărată, colectandu-l într-un pahar.
   Notă de siguranţă: din cauza căldurii rezultate, reacţia se accelerează (reacţie în lanţ).Aveti grija si asigurati-va că lăsaţi apa din seringă sa iasa înaintea gazului care este produs si împinge pistonul din seringă.

1. Odată ce aţi eliberat apa, închideţi robinetul pentru a menţine gazul în seringă, şi ataşaţi tubul de plastic supapei. Dacă gazul continuă să fie produs, lăsaţi valva deschisă.
2. Apăsaţi pistonul seringii pentru a împinge gazul într-o eprubetă printr-un jgheab pneumatic (folositi tubul de plastic, vasul de apă şi eprubetă ca în diagrama).
3. Efectuarea testului pentru hidrogen prin tinerea gurii tubul de test în o flacără (a se vedea diagrama din dreapta), asigurându-vă că ţineţi partea superioară a tubului destul de aproape de flacără. Testul ar trebui să fie pozitiv.

Opţional: se adaugă o picătură de soluţie de fenolftaleină la apa pe care o colectati în paharul de laborator. Ce se întâmplă? De ce?

Nota de sănătate şi siguranţă: lichidele ramase pot fi eliminate în chiuvetă. Curăţaţi materialele plastice cu apă şi lăsaţi-le să se usuce.

Discuţie

Alte reacţii frecvent utilizate în incalzirea mancarurilor includ oxidarea fierului, reacţia clorurii de calciu anhidre cu apa (vezi mai jos) sau, pentru răcire, reacţia îngrăşământului nitrat de amoniu cu apă.

Alte experimente cum ar fi producerea de pachetecalde si reci proprii , sau de stabilire a conţinutului de oxigen din aer, cu ajutorul reacţiei de oxidare a fieruluiutiloizata in pachetele incalzitoare, sunt descrise pe website-ul LNCU^w3.

Această activitate poate forma de asemenea o parte ditr-o lecţie în care elevii îşi dezvoltă un scenariu pentru un program TV de stiinta,pentru a putea sa răspundă la întrebareaunui spectator despre cum functioneaza acest fenomen de incalzire. Versiunea în limba engleză a acestei fise de lucru este disponibila pe Science in School website^w5, varianta germana pe LNCU website^w3.

O ceaşcă de cafea incalzita rapid

În această activitate, studenţii incalzesc cafeaua utilizand clorură de calciu anhidră şi apă. Activitatea poate fi o parte a unei unităţi de învăţare referitoare la dizolvarea sărurilor in apă; se introduc aspectele energetice ale acestui proces. Elevii ar trebui să fie deja familiarizati cu legaturile ionice şi covalente. Activitatea funcţionează bine cu grupuri de câte trei elevi de 14 ani şi peste aceasta varsta.

O posibilitate este aceea de a discuta energia lattice , folosind ca exemplu din viaţa de zi cu zi compresele reci care se bazează pe o reacţie endoterma declanşand îndoirea unei placi de metal. Următoarea activitate poate fi apoi folosita pentru a introduce noţiunea de energie hidratanta şi pentru a demonstra că reacţia prin care unele săruri se dizolva este o reacţie exotermă.

Activitatea este relativ sigura – cel mai periculos aspect este posibilitatea de a sparge sticla prin nefolosirea ei cu grija.

Materiale per grup

• Aproximativ 10 g clorură de calciu anhidră
• Pahare de laborator de diferite dimensiuni
• Apa
• Styrofoam / polistiren (folositi in mod rezonabil piese mari pentru ca piesele mici sunt greu de folosit atunci cand se electrizeaza si incep sa intepe)
• Două termometre de laborator
• Cafea solubilă pulbere
• Alte elemente pentru a trezi imaginaţia elevilor, cum ar fi benzi de cauciuc, folie, baterii, etc.

Posibil mod de abordare

Două probleme cu care se confruntă adesea elevii sunt adăugarea a prea putina clorură de calciu in apă (cu cat folosesc mai mult, cu atat mai multă căldură va fi produsa) şi faptul de a uita sa isi izoleze paharel.

O rezolvare obisnuita a cerintei este aceea de a improviza o baie mica de apă prin punerea de apă şi clorură de calciu într-un vas mare, şi de fixare a polistirenului expandat în jurul paharuuil cu bandă adezivă. Cafeaua poate fi apoi încălzita într-un vas mai mic în baia de apă improvizata.

Cel mai bun rezultat în cadrul proiectului LNCU (vezi caseta) a fost realizat prin completarea unui mic pahar cu apă şi plasarea acestuia într-un pahar mai mare cu un strat de polistiren expandat între ele pentru izolare. Elevii plaseaza apoi clorura de calciu, la care au adăugat foarte puţină apă, într-un recipient mic. Ataşati la acesta un resort şi o greutate, lăsadu-le să atârne în apă.Temperatura celor 50 ml de cafea s-a schimbat de la 20 la 44 ° C în mai puţin de un minut.

Discutii

Discutaţi despre contradicţia aparentă între comportamentul de comprese reci in experimentele anterioare şi experimentul pe care tocmai l-aţi efectuat – în acest caz, procesul de creare a soluţiei nu este endoterm. În compresele reci, este necesara mai multă energie pentru a distruge laticea (reteaua) de sare moleculara (retea de energie) decât este eliberată atunci când moleculele de apa inconjara ionii (energia de hidratare). Energia necesara este extrasa din mediu, astfel încât soluţia se răceşte. În experimentul legat de cafea, în schimb, energia hidratarii este mai mare decât energia de retea, astfel încât procesul ca întreg este exoterm. Hidratarea şi energia de retea sunt caracteristicile individuale ale unei sari.

Experimente suplimentare

Pentru cel ce urmeaza, elevii ar putea să încerce să realizeze cea mai joasă temperatură posibilă utilizând clorură de calciu anhidru, clorură de sodiu şi gheaţă. Ei pot fi surprinsi să constate că adăugarea de clorură de calciu anhidru la gheaţă (mai degrabă decât apa) nu creşte temperatura. Acest lucru se datorează faptului că legăturile de hidrogen din cristalele de gheaţă trebuie mai întâi să fie rupte, fapt care necesită energie, astfel încât întregul proces este endoterm.