Термохимические реакции в создании химической грелки

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение средняя
общеобразовательная школа №19 МО Кореновский район

Научно-практическая конференция школьников «Эврика»

«Термохимические реакции в создании
химической грелки»

Выполнила ученица 11 А класса МОБУ СОШ №19 МО Кореновский район

 Герасименко Елена Михайловна Руководитель учитель химии Бобровская Л.Ф.

г.Кореновск

2014 год

Аннотация

Работа «Термохимические реакции в создании химической грелки» рассматривает практическое применение теоретического материала о химических реакциях.

Обоснован выбор заинтересовавшей проблемы. Умение создать «химическую грелку» в быту из недорогих подручных материалов может стать очень полезным в экстремальных природных условиях.

Проанализирована доступность расходных материалов. Рассчитаны тепловые эффекты реакций по стандартным энтальпиям образования веществ.

В работе ученица провела эксперименты с использованием нового лабораторного оборудования МиШЬаЪ, на основе которых рассчитала пепловые эффекты реакций и установила наиболее эффективные реакции.

Результатом работы стали сформулированные рецепты и рекомендации создания «химических грелок» в понятном и доступном виде.

Работа имеет практическое применение и заслуживает внимания.

Содержание

1. Введение         /
2. План исследования         ^
3. Термохимические реакции в создании химической грелки_ _

1. Термохимические реакции        ^
2. Рецепты химических грелок        4
3. Расчеты тепловых эффектов реакций        ^
4. Эксперимент        
5. Определение теплового эффекта .реакции        
6. Рецепт приготовления химической грелки        .цР

4. Заключение        

Список используемой литературы        №

Введение.

В холодное время года у людей, чья деятельность связана с выполнением определенных
заданий на улице, обязательно возникает желание согреться. Но не всегда для этого есть
условия. Проблему можно решить, используя грелки.

Я в своей работе решила исследовать проблему создания химической грелки. Грелка может быть многоразовая. Для многоразовых "грелок" лучше всего подойдут кристаллогидраты солей,которые могут долго храниться переохлажденными. В продаже есть подобные грелки, заполненные кристаллогидратом ацетата натрия СНЗС0(Жа-ЗН20. Эта соль плавится в собственной кристаллизационной воде при 58 оС. Соль, помещенную в пластиковый пакет, расплавляют в кипятке и затем расплав можно охладить до комнатной температуры и ниже без кристаллизации (переохлаждение). Затем достаточно смять пакет - и начинается кристаллизация с выделением тепла. Этот процесс можно повторять много раз."

Меня больше заинтересовала возможность создания настоящей химической грелки, которая, работает за счет экзотермических реакций, протекающих в ней. Такие грелки одноразовые, это удобно, так как после использования ее можно выкинуть или утилизировать.

Мне удалось найти несколько рецептов таких грелок. Целью моей работы стал выбор самого удобного, надежного, доступного, дешевого и эффективного рецепта, опробирование и испытание его на практике.

. .        ) •        ^ > * 1        3

В ходе работы я изучила теорию термохимических реакций, рассчитала тепловой эффект выбранных реакций, проводила эксперименты с подбором разных рецептур.

План исследования

В изучении химии мы знакомимся с термохимическими реакциями, которые протекают с поглощением или выделением тепла. Энергия, запасенная в веществах в виде химических связей, освобождается при образовании новых веществ. В химическом производстве' эту энергию используют для нагревания реагентов или производства паров, нагревания воды.

Тепловые эффекты химических реакций необходимы для многих технических расчетов.

Эффект некоторых экзотермических реакций можно использовать для создания индивидуального портативного нагревателя.

Целью работы было исследовать некоторые химические реакции для создания термохимической грелки. Для этого были проведены некоторые эксперименты из наиболее доступных реактивов.

Я хочу исследовать проблему использования энергии химических реакций в миниатюрных системах индивидуального обогрева «грелках».для этого необходимо:

1. Изучить вопрос и установить, есть ли подобные грелки;
2. Подобрать наиболее пригодные для создания химических грелок реакции;
3. Выбрать наиболее эффективные по теплотворности реакции в ходе химического сравнительного эксперимента;
4. Выбрать наиболее удобную форму для наполнения и применения.

1. Термохимические реакции.

Термохимия -— раздел химической термодинамики, в задачу которой входит определение и изучение тепловых эффектов реакций, а также установление их взаимосвязей с различными физико-химическими параме трами. Ещё одной из задач термохимии является измерение теплоёмкостей веществ и установление их теплот фазовых переходов.

Термохимические уравнения

Термохимические уравнения реакций - это уравнения, в которых около символов химических соединений указываются агрегатные состояния этих соединений или кристаллографическая модификация и в правой части уравнения указываются численные значения тепловых эффектов.

Важнейшей величиной в термохимии является стандартная теплота образования (стандартная энтальпия образования). Стандартной теплотой (энтальпией) образования сложного вещества называется тепловой эффект (изменение стандартной энтальпии) реакции образования одного моля этого вещества из простых веществ в стандартном состоянии. Стандартная энтальпия образования простых веществ в этом случае принята равной нулю.

В термохимических уравнениях необходимо указывать агрегатные состояния веществ с помощью буквенных индексов, а тепловой эффект реакции (ДН) записывать отдельно, через запятую. Например, термохимическое уравнение

4Ш3(г) + 302(г) -+ 2Н2(г) + 6Н20(ж), ДН=-1531 кДж

показывает, что данная химическая реакция сопровождается выделением 1531 кДж теплоты, при давлении 101 кПа, и относится к тому числу молей каждого из веществ, которое соответствует стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции.

В термохимии также используют уравнения, в которых тепловой эффект относят к одному молю образовавшегося вещества, применяя в случае необходимости дробные коэффициенты.

Закон Гесса

В основе термохимических расчётов лежит закон Гесса: Тепловой эффект (ДН) химической реакции (при постоянных Р и Т) зависит от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Следствия из закона Гесса:

1. Тепловые эффекты прямой и обратной реакций равны по величине и противоположны по знаку.
2. Тепловой эффект химической реакции (ДН) равен разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ, взятых с учётом коэффициентов в уравнении реакции (то есть помноженные на них).'

Закон Гесса может быть записан в виде следующего математического выражения:

∆Нв =∑( ∆Н0 продуктов реакции) - ∑(∆Н0 реагентов)

С помощью закона Гесса можно рассчитать энтальпии образования веществ и тепловые эффекты реакций, которые невозможно измерить экспериментально.

Используя данные о стандартных энтальпиях, рассчитаю тепловой эффект реакций для химических грелок.

2. Рецепты химических грелок.

1. состав : Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция СаО (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

СаО + Н20 = Са(ОН)2.

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70-80°С.

2. состав : В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей. Совершенно сухую смесь железной (Ре) стружки с солями меди (например, СиС12) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100°С за счет реакции:

Fе + СиС12 = FеС12 + Си.

При этом грелка, в которой хлорид меди СиС12 превращается в хлорид железа FеС12, сохраняет тепло около десяти часов.

3. состав : Оборудование: алюминиевая проволока, медный купорос, поваренная соль, опилки, вода.

2А1 + ЗСиS04 - А12(S04)3 + ЗСи.

Хлористый натрий добавляют для интенсификации процесса, ионы хлора ускоряют и облегчают реакцию с алюминием. На фоне этой реакции, вероятно, идет еще реакция алюминия с водой, типа

2А1 + 4Н20 => 2А10(0Н) + ЗН2.

4. состав : Для изготовления химической грелки лучше использовать порошок хлорной меди и алюминиевые опилки. Смешивают 5-6 г хлорной меди с таким же по весу количеством алюминиевых опилок и к смеси добавляют 5-6 столовых ложек хорошо высушенных древесных опилок. Высыпают полученную смесь в полиэтиленовый мешочек. Грелка начинает действовать, когда в пакет наливают 30-40 мл воды. Хлорная медь, растворяясь в воде, реагирует с алюминием:

ЗСиС12+2А1=2А1С13+ЗСи.

Реакция сопровождается выделением теплоты. Древесные опилки играют роль "разбавителя", чтобы реакция не шла слишком быстро.

5. состав : смесь марганцовокислого калия и железного порошка в стальном целиндре. Придумали японцы во Вторую мировую. Весил около двухсот граммов. Стоило добавить немного воды, и эта смесь начинала разогреваться. Грелка работала до 20-30 часов, причем ее наружная температура не превышала шестидесяти градусов, то есть не могла обжечь кожу. Одной такой грелки хватало на согревание взрослого человека.
6. состав : Плоский полипропиленовый пакет, в котором идет реакция окисления железной пыли кислородом воздуха с образованием ржавчины и выделением тепла. В состав смеси также входят вода, соль (работает как катализатор), активированный уголь (равномерно распределяет тепло), вермикулит (служит аккумулятором тепла) и целлюлоза (наполнитель). Грелка одноразовая, начинает работать после открывания герметичной упаковки (для обеспечения доступа кислорода) и способна давать тепло в течение нескольких часов.
7. состав : В реакционную смесь еще можно вводить щавелевую или лимонную кислоту (кристаллогидраты), что увеличивает выход тепла. Такие грелки позволяют получить температуру от 100 до 300°С. Для их запуска в реакционную смесь окиси кальция и кристаллогидрата щавелевой кислоты вводят небольшое количество воды, в процессе реакции с окисью кальция будет реагировать вода, выделяющаяся при нейтрализации.

. -        • « ■        ( IV /1 • V*

СаО + Н20 = Са(ОН)2 + 10,6ккал

Са(ОН)2 + Н2С204*2Н20 = СаС204 + 4Н20 + 31ккал

8. состав : БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЙ состав химических грелок - это смесь железных опилок, перманганата калия, угля и песка. Уголь и песок служат наполнителями-замедлителями реакции. Тепло выделяется в результате добавления к указанной смеси воды.

Результирующей реакцией при добавлении воды к смеси будет:

4Ее + 2Н20 + 302=2(Ее203»Н20) + 390,4ккал

Подобная смесь, помещенная в корпус, позволяет поддерживать в течении 10-12 часов температуру 100°С. Индивидуальная грелка такого типа представляет собой прорезиненный мешочек, заполненный указанным составом с горловиной для заливки воды.

9. состав: А самая лучшая одноразовая химгрелка (именно химическая грелка, ибо многоразовая к химии никакого отношения не имеет) — это смесь железных и медных опилок с солью. Заливается водой и начинает греться.

СаО + Н20 = Са(ОН)2

ДН°298= ДН°298(Са(ОН)2) -( ДН0298(СаО) +ДН0298(Н2О))= -985,1-(-635,1-285,83)= = -64,17 кДж/моль

Ее + СиС12 = ГеС12 + Си

ДН°298 = ДН0298(РеС12)- ДН°298(СиС12) = -341,7+205,85 =135,85 кДж/моль 2А1 + ЗСи804 = А12(80)3 + ЗСи

ДН°298 = ДН0298(А12(8О)3)- ДН°298(Си804)*3= -3441,8 -(3*( - 770,9))=-1129,1 2А1 + 4Н20 => 2АЮ(ОН) + ЗН2 ДН°298= ДН°298(А10(0Н))*2 - ДН°298(Ы20)*4 =

ЗСиС12+2А1=2А1С13+ЗСи.

ДН°298 = ДН°298(А1С13)*2 - ДН°298(СиС12)*3-585,2 *2 - (-205,85 *3) = - 552,45

4. Эксперимент.

Для определения практического выхода тепла разных реакций, проведу эксперимент. В

одинаковых условиях пронаблюдаю теплотворную  способность смесей и время остывания.

        г

Вывод, наибольший выход тепла наблюдается при взаимодействии алюминия с

хлоридом меди. На основе этой смеси грелка будет работать наиболее эффективно, но надо подобрать пропорции реагентов

5.0пределение теплового эффекта реакции В 50 г воды добавили 5 грамм СиСl2*2Н0 и немного порошка алюминия. По

изменению температуры воды определа тепловой эффект реакции.

б.Рецепт химической грелки

Для создания химической греки надо приготовить смесь.

На 1 столовую ложку медного купороса взять 1 столовую ложку соли и добавить 1 чайную ложку порошка алюминия. Температура грелки поднимется до 100° и пудет

постепенно понижаться.

Заключение.

Благодаря проведенным опытам был сделан вывод, что наиболее оптимальной для создания термохимической грелки является реакция вытеснения металла из соли более сильным металлом.

Главной задачей практической работы являлось создать портативный нагреватель из доступных реактивов , который будет использоваться в холодное время года и служить грелкой в походных условиях.

Для создания грелки были проведены некоторые реакции:

1. .Взаимодействие хлорида меди (||) с алюминием

Приготовлена смесь из хлорида меди, угля и древесных опилок. Засыпала порошок алюминия. Добавила воды. С помощью прибора была измерена максимальная температура нагревания(100®с) и время понижения температуры до 22®с( примерно 1,5 -2 часа)

2. .Взаимодействие хлорида меди(||)с железом

Приготовила смесь хлорида меди(сухого), угля и древесных опилок. Засыпала порошок железа. Добавила воды. С помощью прибора выяснила, что вещества плохо взаимодействуют . Температура с 25®с поднялась до 35®, и продержалась не более 40 минут.

3. Гашение извести

Для реакции был взят оксид кальция. Добавила воды. Реакция не произошла( скорее всего, из за длительного хранения, оксид кальция превратился в карбонат кальция).

Исходя из проведенных опытов , был сделан вывод, что для создания грелки, наиболее оптимальной является реакция вытеснения из солей металла более активным металлом.

На опыте выяснилось , что многие экзотермические реакции происходят агрессивно , с бурным выделением газа , с маленьким тепловым эффектом и не подходят для создания термохимической грелки.

Список используемой литературы:

http://elekroauto.r...c.php?f

http://www.deltaterm.net.ua/delta

http://ru.wikipedia.org/

FindPatent.RU2012-2013