‘Handwarme‘ scheikunde Teach article

Vertaald door Piet Das. Help je leerlingen bij het onderzoeken van een exotherme reactie, waarbij ze echte warmtepleisters gebruiken.

Afbeelding met dank aan
Nicola Graf

Warmtepleisters die je urenlang op je huid kunt dragen worden steeds populairder als methode om pijn te bestrijden,  en dezelfde technologie kan ook je handen warm houden op koude dagen. Maar hoe worden deze pleisters warm? Deze activiteit maakt het uw leerlingen mogelijk om dit in een les te onderzoeken.

Introductie van de activiteit

Begin met uw leerlingen door ze een hypothetisch scenario voor te leggen, waarin ze werken voor een wetenschappelijk tijdschrift. Ze krijgen een ingezonden brief en het is de taak van uw leerlingen die te beantwoorden.

Geachte mevrouw,

Ik heb vaak last van pijnlijke schouders en nek vanwege mijn werk, daarom denk ik erover om warmtepleisters te proberen, die ik overdag kan dragen om de pijn te verminderen. Ik ben er nieuwsgierig naar hoe ze precies werken en of je ze opnieuw kunt gebruiken.

De informatie op de verpakking claimt dat ze eenvoudig door lucht geactiveerd worden. Is dat waar? Zijn ze ongevaarlijk of kunnen ze misschien toch problemen geven of bijwerkingen?

Zou u zo vriendelijk willen zijn om mij te helpen? Ik dank u bij voorbaat voor uw hulp.

Susanne Musterfrau, Keulen.

Choice of warmerpads
Afbeelding met dank aan
Gregor von Borstel

De uitdaging

Leg je leerlingen uit, dat het hun taak is om de functionaliteit van de warmte pleisters te onderzoeken en antwoorden te geven op de vragen van de briefschrijfster. Ze moeten:

  1. Vragen opschrijven die ze moeten beantwoorden om uit te leggen hoe de zelfverwarmende producten werken.

Ze kunnen bijvoorbeeld nadenken over het begrip “door lucht geactiveerd ‘. Zou  slechts een van de hoofdbestanddelen van  lucht de warmtepleisters kunnen activeren?

  1. Gebruik maken van de materialen die beschikbaar zijn voor het beantwoorden van hun vragen, en hun vorderingen bijhouden.

De proef die hieronder beschreven is, kan worden gebruikt om de ractie in kleine aantallen te testen.

  1. Schrijf een kort antwoord aan de briefschrijfster waarin ze de functionalitiet uitleggen van de warmtepleisters op een manier dat lezers met enige kennis van scheikunde het zullen begrijpen.

De proef

Materialen

Elke grope leerlingen heft nodig:

Putting the material in a syringe
Het material in een spuit
doen

Afbeelding met dank aan
Gregor von Borstel
  • Warmtepleister of zelfverwarmende compres
  • Keukenrol of navulbare theezakjes
  • Spatel
  • Zuurstof
  • Stikstof
  • Twee 50 mL spuiten
  • Stoppers voor de spuiten
  • Drieweg buis
  • Een stuk foam pijpisolatie
  • Temperatuursensor of thermometer
  • Scharen

Werkwijze

  1. Watching what happens to the plunger
    Bekijken wat er gebeurt met
    de zuiger

    Afbeelding met dank aan
    Gregor von Borstel

    Open de pleister of compres en haal er twee spatels vol van het vulsel uit, verpak dat in een stuk keukenrol of theezakje

  2. Haal de zuiger uit een van de spuiten en doe het ingepakte material in de spuit. Doe de zuiger er weer in.
  3. Verzegel het uiteinde van de spuit.
  4. Plaats een temperatuur sensor tegen de wand van de spuit en verpak de sensor en de spuit samen in de pijpisolatie.
  5. Bekijk de opstelling een paar minuten. Verandert de temperatuur?
  6. Wat gebeurt er met de zuiger van de spuit?
  7. Haal de verzegeling eraf en druk de zuiger helemaal in.
  8. Vul een tweede spuit met stikstof.
  9. Verbind de twee spuiten door middel van de drieweg buis en druk de zuiger van de tweede spuit in om zo de stikstof in de eerste spuit te brengen.
  10. Bekijk de opstelling een paar minuten. Verandert de temperatuur in de eerste spuit? Wat gebeurt er met de zuiger van de eerste spuit?
  11. Herhaal de stappen 8-10 met zuurstof in plaats van stikstof.

Wat er gebeurt

Measuring the temperature during the reaction
De temperatuur gedurende
de reactie meten

Afbeelding met dank aan
Gregor von Borstel

Je zult gemerkt hebben dat het materiaal van de warmtepleister warmte afgeeft wanneer hij wordt blootgesteld aan lucht en nog meer warmte produceert bij blootstelling aan zuivere zuurstof. Als het gas wordt opgebruikt bij de reactie, wordt de druk in de injectiespuit minder en  beweegt de zuiger naar beneden in de spuit. Het materiaal reageert niet met stikstof, daardoor ontstaan geen warmte of is er beweging van de plunjer. Dit komt omdat de warmtepleister werkt door oxidatie van ijzer:

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)

Dit is een exotherme reactive: er komt warmte vrij. Als je aan het eind van het experiment de inhoud van de spuit bekijkt zul je zien date r rode vlekjes (roest) bevatten.

Wat kunnen we zeggen over de koolstof en het zout die e rook inzitten? Roesten is een redox reactie, waarbij het ijzer wordt geoxideerd tot ijzer(III) ionen:

4Fe → 4Fe3+ + 12e

En de zuurstof wordt gereduceerd:

12e + 3O2 → 6O2-.

Het zout en de koolstof worden niet verbruikt, maar werken als elektrolyten; ze helpen de elektronenstroom tussen de elementen.

Verdere bespreking

De spuiten kunnen worden gebruikt om te meten hoeveel zuurstof wordt verbruikt bij de reactie, en je zou deze informatie kunnen gebruiken om de reactiesnelheid te bepalen. Misschien kun je met je leerlingen andere manieren bespreken om dit te beoordelen en andere exotherme reacties die kunnen worden gebruikt om een ​​warmtepleister te maken.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Leer meer over Lebensnaher Chemieunterricht en ontdek meer over hun activiteiten. Zie: www.lncu.de

Institution

Science on Stage

Author(s)

Manfred Eusterholz , Andreas Böhm , Gregor von Borstel en Andy Bindl zijn alle duitse scheikunde leraren die samenwerken als onderdeel van Lebensnaher Chemieunterrichtw1 (levensecht scheikunde onderwijs; Rau , 2011). In 2015 reisden ze naar Londen, Verenigd Koninkrijk, naar het Science on Stage Europe festival, waar ze een European Science Teacher Award voor hun werk wonnen (Howes, 2015).




License

CC-BY-NC-SA