Научно-практическая работа школьников Экзотермические реакции в быту

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ «КИЖИНГИНСКИЙ РАЙОН»

КОМИТЕТ ПО СОЦИАЛЬНОЙ ПОЛИТИКЕ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«УСТЬ-ОРОТСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА»

 

НПК «Шаг в будущее»

 

 

Секция Химия.

 

ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В БЫТУ.

 

 

Исполнитель:

Григорьев Родион, 10 кл.

 

Научный руководитель:

Гагаринова Наталья Геннадьевна,

учитель химии и биологии

МБОУ Усть-Оротская СОШ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2023г.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

 

Введение ____________________________________________________________1стр.

Цель работы__________________________________________________________1стр.

Задачи_______________________________________________________________1стр.

Материалы___________________________________________________________1стр.

Грелка на основекристаллизации ацетата натрия___________________________2 стр.

Грелка на основереакции медного купороса, поваренной соли и алюминия_____4 стр.

Измерение тепловогоэффекта при работе грелок___________________________6 стр.

Выводы______________________________________________________________6стр.

Литература___________________________________________________________7стр.

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Внашем суровом сибирском климате каждый из нас сталкивался с проблемой замерзшихрук детей и взрослых при работе и пребывании на улице. В этом случае мы можемпопробовать согреться с помощью химической грелки. Преимущества химическойгрелки – быстрый нагрев до комфортной температуры без затрат электроэнергии.Конечно, такую грелку можно купить в магазине, но не в каждом магазине ее можнонайти. Кроме того, самостоятельное изготовление химической грелки из подручныхматериалов помогает глубже понять химические реакции и научится применять их вбыту.

 

Цель работы: изготовить химическую грелку из доступных компонентов. Научитсяприменять в повседневной жизни знания, полученные на уроках химии.

 

Задачи: 1. Изучить процесс изготовления химических грелок, изготовленных наоснове экзотермических реакций.

2. Провести реакции.

3. Испытать действие химическихгрелок с замером температуры.

3. Сделать вывод опреимуществах и недостатках выбранной методики.

 

Материалы:

 

1.     70% раствор уксусной кислоты (уксусная эссенция) –ацетат натрия, CH3COONa.

2.     Сода пищевая, натрия гидрокарбонат (NaHCO₃).

3.     Вода.

4.     Медный купорос (сульфат меди CuSO₄).

5.     Поваренная соль (хлорид натрия NaCl).

6.     Алюминий металлический.

7.     Стеклянные емкости от 200 мл, стеклянные палочкидля перемешивания раствора, мерный цилиндр.

8.     Халат, перчатки, защитные очки, вытяжка,стандартная аптечка для кабинета химии.

9.     Термометр до 140 С^о

 

Вхимических грелках используются реакции с выделением тепла, экзотермические реакции.Мною были выбраны две реакции, с наиболее доступными компонентами, которыеможно приобрести в хозяйственных и продовольственных магазинах.

 

Грелка на основе кристаллизации ацетата натрия.

 

Ацетат натрия, CH3COONa, легко получить из компонентов, которыеможно приобрести в обычном магазине. Это уксусная кислота и пищевая сода.

Соотношениекомпонентов реакции:

 

Уксус (70 %) CH3COOH	100г	102, 2 г
Сода NaHCO3	97,8 г	100г
Вода	20 мл	20 мл

 

Следует учесть, что в100г уксуса 93,3 мл воды.

 

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂

Еслииз раствора ацетата натрия получить перенасыщенный раствор, путем выпариваниялишней влаги, то при взаимодействии с катализатором, он начинаеткристаллизоваться с выделением тепла от 264 до 289 кДж/кг, при этом нагреваясьдо 60 С^о, что является комфортной температурой для согреваниячеловека.

Послеостывания грелку легко вернуть в рабочее состояние, опять прогрев ее на водянойбане до исчезновения кристаллов. При этом сам раствор ацетата натрия являетсябезопасным для использования, и применяется в быту, к примеру – при выпечкеблинов, он образуется в процессе гашения соды уксусом.

Реакцияпроводилась с 70% уксусом, с применением всех мер безопасности – работа веласьв халате и перчатках, растворы отмеряли и соединяли в работающей вытяжке. Вбытовых условиях реакцию следует проводить в хорошо проветриваемом помещении,или на улице. Так же реакцию можно провести с 9% уксусом, но тогда потребуетсяпоследующее довольно долгое выпаривание раствора.

 

Следуетвносить соду в раствор уксуса небольшими порциями, постоянно помешивая, чтобыизбежать излишне бурной реакции, с выплескиванием раствора. Емкость следуетвзять не менее чем в два раза больше (а лучше в три раза), чем используемыеобъемы.

 

 

По мере прохожденияреакции раствор перестает пенится, становится прозрачный, желтоватого цвета.

Когдакомпоненты полностью прореагируют, образуется кристаллический ацетат натрия,напоминающий влажную соль.

 

 

 

 

 

 

 

 

Послеэтого, мы нагрели ацетат натрия на водяной бане, до полного растворениякристаллов. Плавится он при 58 С^о. После остывания раствора дотемпературы окружающей среды (20 С^о) мы добавили в раствор парукристаллов ацетата натрия, что вызвало процесс кристаллизации раствора свыделением тепла. После чего начали замер температуры.

Дляначала кристаллизации можно использовать кристаллы ацетата натрия, которыеосели на стенках посуды. Или налить немного раствора на стекло, после чего онбыстро кристаллизуется, и собрать образовавшиеся кристаллы в отдельную емкость.

 

Грелка на основе реакции медного купороса, поваренной соли и алюминия.

 

Вовторой химической грелке была использована реакция между медным купоросом(сульфат меди CuSO4) и алюминием в присутствии поваренной соли (хлорид натрияNaCl).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Делаютсянавески медного купороса и соли. Крупные кристаллы медного купороса лучшеизмельчить в ступке, до размеров около 1 мм. Смешать с солью, высыпать вемкость. Туда же помещаем алюминиевую проволоку или часть ложки. Проволокулучше свернуть в спираль и распределить по длине емкости. Вместо проволокиможно использовать бытовую фольгу, но ее следует накрутить на деревяннуюпалочку, иначе она всплывает и вся реакция идет в верхних слоях раствора, чтоможет привести к перегреву бутылки.

 

Добавляемводу. Вода должна быть комнатной температуры или ниже, при добавлении горячейводы температура реакции резко возрастет, и реакционная смесь будет бурнопениться при выделении водорода. После этого следует снять пробку и подождатьпока выделится газ. Когда выделение газа прекратится, можно закрыть пробку ииспользовать флакон в качестве грелки, температура поднимется до 50-60 или вышеСо.

Хлориднатрия необходимо использовать, потому что без него реакция алюминия сраствором сульфата практически не идет, из-за оксидной пленки на поверхностиалюминия.

 

CuSO₄ + 2NaCl <=>CuCl₂ + Na₂SO₄

2Al + 3CuSO4 => Al₂(SO4) ₃ + 3Cu↓

2Al + 6H₂O => 2Al(ОН)₃ + 3Н₂↑

CuCl₂ + Al => AlCl₃+ Cu↓

 

Суммарныйтепловой эффект складывается при образовании хлорной меди и при взаимодействиихлорида меди с алюминием.

 

 

 

 

 

 

Измерение теплового эффекта при работегрелок.

 

Тепловойэффект реакций замерялся каждые 15 мин внутри реакционной смеси. Наружнаятемпература воздуха была около 20 С^о. По полученным данным мысоставили график. Грелка №1 – на основе ацетата натрия, грелка №2 на основемедного купороса.

Рисунок 1.ТемператураС^о, время мин.

По полученнымтемпературным данным можно сделать выводы, что хотя в грелке №2 температурареакции выше, и быстрее поднималась, но через некоторое время сравнялась стемпературой второй грелки, и в целом эффективность действия по нагреву неотличалась.

 

 

Выводы.

 

 

Обегрелки оказались достаточны эффективны и могут быть использованы по назначению,но при этом, грелку №1, на основе ацетата натрия можно использоватьмногократно, в отличие от грелки №2 на основе медного купороса. Продуктыреакции при этом можно спокойно утилизовать вместе с бытовым мусором. Акристаллы меди можно использовать в других химических реакциях.

Еслиучесть использовании грелки на улице, то для грелки №2 придется носить с собойнебольшое количество воды в отдельной емкости, тогда как для грелки №1 надовсего лишь 1-2 кристалл, которые не занимают много места. Кроме этого, грелкуна основе медного купороса удобно использовать в походных условия, достаточновзять с собой пакетик медного купороса и немного алюминиевой фольги, сольвсегда имеется в запасах, как источник алюминия так же можно использоватьложку. Так же для грелки №2 используются более безопасные компоненты.

 

 

 

Литература.

1.     Долгополов, Е. В. Химическая грелка своими руками /Е. В. Долгополов, Т. Ф. Мамедов, Е. В. Исавнина. — Текст : непосредственный //Юный ученый. — 2020. — № 5 (35). — С. 53-55. — URL: https://moluch.ru/young/archive/35/2035/

2.     Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Неорганическая химия.Органическая химия. 9 класс. Изд. Просвещение, 2022г

3.     Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Органическаяхимия. 10 класс. Изд. Просвещение, 2022г

4.     Электронный ресурс: https://www.techinsider.ru/diy/348342-samodelnoe-teplo-himicheskaya-grelka-svoimi-rukami/

5.     Электронный ресурс: https://moluch.ru/young/archive/35/2035/

6.     Электронный ресурс:http://firstfisher.ru/oborudovanie/izgotavlivaem-grelku.html

7.     Электронный ресурс:http://izobreteniya.net/opasna-li-himicheskaya-grelka-i-kak-ee-sdelat-svoimi-rukami/Журнал «Юный техник», № 5, 1983г., стр.78–79.