Külmakott ja keemiline soojendaja
Talvel kasutab pere matkal kahte erinevat soojendusvahendit. Esimene on külmakott: 25,0 g ammooniumnitraati valatakse 150 g veele; kraadiklaas näitab temperatuuri langust 21,4 °C-lt 7,8 °C-le umbes kahe minuti jooksul. Teine on korduskasutamatu keemiline soojendaja, mis sisaldab rauapulbrit, aktiivsütt ja soola; kotike avatakse õhu käes ja temperatuur tõuseb 20 °C-lt 55 °C-le, püsides seal ligi 15 minutit. Perevanem väidab, et mõlemal juhul on tegemist „lihtsalt aine lahustumisega vees“ ja et jahtumine ning soojenemine on sama nähtuse kaks külge. Keemiaõpetaja palub seda väidet kontrollida. Õpilasel on kasutada termomeeter, kaal (0,1 g täpsusega) ja teave, et ammooniumnitraadi lahustumissoojus on ligikaudu +26 kJ/mol ning vee erisoojusmahtuvus 4,18 J/(g·°C). Õpilane peab oma järelduse põhjendama nii osakeste tasandil kui ka arvutusega.
1. Hinda perevanema väidet: kas mõlemal juhul toimub sama protsess? Põhjenda keemilise ja füüsikalise muutuse erinevust ning too välja tõendid, mille järgi neid eristada.
Read the worked answer
Väide on ekslik – tegemist on kahe erineva protsessiga.
Külmakott – füüsikaline muutus. Ammooniumnitraadi ioonsõre laguneb ja ioonid hüdraatuvad vees. Aine ise jääb NH₄NO₃-ks: kui vesi aurustada, saame sama soola tagasi, seega protsess on pöörduv. Soojusefekt tuleneb kahest vastassuunalisest osast: võre lagundamiseks kulub energiat rohkem, kui hüdraatumisel eraldub, ning summaarne efekt on endotermiline (umbes +26 kJ/mol).
Soojendaja – keemiline muutus. Raud oksüdeerub õhuhapnikuga, lihtsustatult 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃. Tekib uus aine, reaktsioon on pöördumatu ja seotud elektronide üleminekuga. Tõendid: rauapulber muutub pruunikaks, protsess ei peatu jahtudes ja seda ei saa uuesti „laadida“.
Eristamise kriteerium on uue aine teke, mitte soojuse eraldumine või neeldumine – mõlemad efektid võivad esineda mõlemat tüüpi muutustes.
2. Arvuta, kui palju soojust külmakott neelas, ja leia katse põhjal ammooniumnitraadi lahustumissoojus. Võrdle tulemust kirjanduse väärtusega ja selgita erinevuse põhjusi.
Read the worked answer
Arvutus samm-sammult
- Temperatuurilangus: Δt = 21,4 − 7,8 = 13,6 °C.
- Soojus neeldub kogu segus: m = 150 g + 25,0 g = 175 g.
- q = c·m·Δt = 4,18 J/(g·°C) · 175 g · 13,6 °C ≈ 9,9·10³ J ≈ 9,9 kJ.
- Ainehulk: n(NH₄NO₃) = 25,0 g / 80,0 g/mol = 0,312 mol.
- Lahustumissoojus: 9,9 kJ / 0,312 mol ≈ 32 kJ/mol.
Kui arvestada ainult vee massiga (150 g), saame 8,5 kJ ja umbes 27 kJ/mol. Katse annab seega 27–32 kJ/mol, kirjanduse väärtus on +26 kJ/mol – suurusjärk ja märk (endotermiline) klapivad.
Erinevuse põhjused: kasutasime vee erisoojusmahtuvust, kuid kontsentreeritud soolalahuse oma on väiksem, mistõttu q on pigem üle hinnatud; termomeetri ja anuma soojusmahtuvus on arvestamata; osa soojust vahetub ruumiga; tabeliväärtus kehtib lahjale lahusele. Ligikaudse koolikatse puhul on 20% erinevus ootuspärane.
3. Selgita, miks sisaldab keemiline soojendaja lisaks rauale ka soola ja aktiivsütt, ning miks saab külmakotti uuesti kasutada, soojendajat aga mitte.
Read the worked answer
Sool (naatriumkloriid) toimib elektrolüüdina: ioonidena lahuses moodustab ta suletud elektriahela raua pinnal, mis võimaldab elektronidel liikuda ja kiirendab raua elektrokeemilist korrosiooni. Ilma soolata oksüdeeruks raud väga aeglaselt.
Aktiivsüsi on suure eripinnaga elektrit juhtiv materjal, mis aitab hapnikku jaotada ja hoiab rauaosakesed üksteisega kontaktis; teda võib vaadelda katalüsaatorina, sest ta kiirendab reaktsiooni, ise kulumata. Koti poorne kangas reguleerib hapniku juurdevoolu, mistõttu soojus eraldub ühtlases tempos, mitte plahvatuslikult.
Korduskasutamine: külmakotis toimuv lahustumine on pöörduv – vee aurustamisel või koti kuumutamisel saab soola taas tahkestada ja kott on jälle töövalmis. Soojendajas tekkinud raud(III)oksiidi ei saa kodustes tingimustes rauaks tagasi redutseerida, seega on see ühekordne. Sama loogika selgitab ka, miks kulunud soojendaja lõpuks lihtsalt jahtub: raud on otsas.