‘Handwarme‘ scheikunde

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.

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?

2. 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.

3. 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:

• 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. 

   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

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 → 6O^2-.

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.