Xe hơi sử dụng năng lượng phản ứng hóa học

Thông qua giáo án STEM môn Hóa – Kỹ thuật này, người học sẽ tìm hiểu về phản ứng hóa học và thiết kế một mô hình xe hơi có thể chạy bằng năng lượng phản ứng hóa học được sinh ra trong một phản ứng hóa học. Bên cạnh đó, hoạt động sẽ giúp người học nắm vững một số kiến thức cơ bản liên quan đến hóa học và kỹ thuật.

Chuyên đề STEM liên quan: Hoá học, Kỹ thuật

Bậc học: Tiểu học (Lớp 4-5), THPT (Lớp 9-12)

Mục tiêu chính

Mục tiêu trong thí nghiệm trong giáo án STEM môn Hóa – Kỹ thuật này là sử dụng một phản ứng hóa học để chuyển hóa năng lượng hóa học thành động năng. Người học sẽ được hướng dẫn và thực hiện thí nghiệm phản ứng hóa học để tạo ra nguồn năng lượng cần thiết. Sau đó, họ sẽ áp dụng quy trình này để tiến hành thiết kế, chế tạo rồi thí nghiệm và cải tiến một mô hình xe hơi chạy bằng năng lượng được tạo ra từ phản ứng hóa học đó.

Kiến thức tích hợp

Năng lượng hóa học là gì?

Là một dạng năng lượng tiềm ẩn chứa trong các chất hóa học mà chúng ta chỉ có thể nhìn thấy được khi có phản ứng hóa học xảy ra, chúng sẽ biến đổi các dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác có thể sử dụng được. Các dạng năng lượng thường thấy: hóa năng, cơ năng, động năng, nhiệt năng, quang năng, điện năng…

Năng lượng hóa học được tạo ra qua một quá trình phản ứng hóa học.

Định luật bảo toàn năng lượng có trong hoạt động

Các loại phản ứng hóa học liên quan 

 Gồm:

• Phản ứng kết hợp: Xảy ra khi hai hoặc nhiều chất nhỏ hơn kết hợp thành một hợp chất lớn hơn.
• Phản ứng phân hủy: Xảy ra khi một hợp chất lớn bị tách ra thành hai hoặc nhiều chất nhỏ hơn.
• Phản ứng thay thế (thay thế đơn/ thay thế kép): là kết quả khi một phần tử thay thế một phần tử khác trong hợp chất.

Thí nghiệm hóa học được sử dụng trong hoạt động

Để thí nghiệm tạo ra được đủ khí carbon dioxide chuyển hóa thành động năng giúp mô hình xe hơi chuyển động, chúng ta cần làm phản ứng hóa học giữa Baking soda (NaHCO3) và giấm ([CH3COOH + H2O]) :

Quy trình phản ứng hóa học nhằm tạo ra năng lượng hóa học trong hoạt động.

Thực hành thí nghiệm xe hơi sử dụng năng lượng phản ứng hóa học

Phần 1: Thí nghiệm và phân tích quy trình phản ứng hóa học sinh ra năng lượng phản ứng hóa học

Bước 1: Cho 50 mL giấm vào chai rỗng. Sau đó, cho khoảng 1g baking soda trên khăn giấy, gói lại và thả vào chai đựng giấm. Nhanh chóng bịt kín miệng chai bằng bong bóng. Bôi dầu hỏa xung quanh đáy của quả bóng bay để tạo ra một lớp màng kín. Để thúc đẩy quá trình phản ứng xảy ra nhanh hơn học sinh có thể lắc nhẹ chai. 

Bước 2: Sử dụng đồng hồ đếm giờ để tính thời gian phản ứng từ khi bong bóng bắt đầu phồng lên cho đến khi bị vỡ. Đo chu vi của bong bóng bằng cách quấn một sợi dây xung quanh quả bóng (Không cố định đầu dây để có thể nới dây theo độ căng của quả bóng) sau đó đo độ dài của đoạn dây bằng thước.

Bước 3: Ghi lại tỉ lệ lượng baking soda và giấm đã thêm vào, thời gian của quá trình xảy ra phản ứng và chu vi bong bóng.

Bước 4: Lặp lại quy trình thí nghiệm như trên với tỉ lệ baking soda giấm khác nhau.

Bước 5: Người học đánh giá xem với tỉ lệ baking soda và giấm như thế nào sẽ cho lượng khí nhiều nhất (chu vi bong bóng lớn nhất). Chúng ta sẽ sử dụng tỉ lệ đó để thử nghiệm cho xe hơi mô hình chạy ở phần 2.

Phần 2: Thiết kế một mô hình xe hơi có thể chạy bằng năng lượng phản ứng hóa học

Bước 1: Thiết kế và chế tạo một mô hình xe hơi đơn giản với thân xe là một chai rỗng (để làm buồng chứa hỗn hợp baking soda và giấm). 

Bước 2: Dùng nắp chai làm bánh xe, ống hút và trục gỗ làm trục bánh xe (trục gỗ nhỏ và có thể dễ dàng quay tròn trong ống hút). Để bánh xe quay, hãy cố định trục bánh vào thùng xe và cố định các bánh xe làm trục gỗ.

Bước 3: Kiểm tra và đo kết quả theo các tiêu chí:

• Khoảng cách xa nhất mà xe đạt được.
• Đặt mục tiêu khoảng cách xa nhất là 4 – 5m.
• Kiểm tra xem xe có chạy theo đường thẳng không?

Bước 4: Tiến hành chạy thử xe ở ngoài trời. Chia baking soda và giấm với tỉ lệ bằng nhau. Đổ giấm vào thùng xe (chai rỗng), trong khi đó muối được gói vào giấy rồi thả vào sau. Dùng tay bịt miệng chai và lắc nhẹ.  Sau đó, đặt xe xuống và thả ra khi bạn cảm thấy hỗn hợp trong thùng xe đã phản ứng và tạo ra luồng khí.

Phần 3: Cải tiến thiết kế

Sau khi chế tạo và thử nghiệm cho mô hình xe hơi chạy bằng năng lượng hóa học, để người học tự đánh giá kết quả và đưa ra những cải tiến tăng hiệu suất của xe. 

Câu hỏi

Cơ bản

1. Tỉ lệ của baking soda và giấm sẽ giúp phản ứng hóa học sinh ra nhiều khí nhất?
2. Tỉ lệ của baking soda so với giấm như thế nào thì phản ứng không còn tiến triển? (nếu giấm được giữ không đổi)
3. Làm thế nào/ khi nào thì phản ứng hóa học sẽ không sinh ra khí nữa?
4. Kết quả tốt nhất mà mô hình xe hơi đạt được?
5. Cần lưu ý những yếu tố nào khi thiết kế xe hơi?
6. Có những cải tiến nào cho thiết kế tiếp theo? Tại sao?

Nâng cao

1. Vai trò và tầm quan trọng của phản ứng hóa học trong hoạt động này?
2. Tìm và đưa ra phương pháp để đo được chính xác lượng khí được sinh ra trong phản ứng hóa học giữa baking soda và giấm?
3. Kết quả thí nghiệm tốt nhất khi tỉ lệ giữa baking soda và giấm là bao nhiêu?

Các thách thức

Người học sẽ tự tay thực hiện thí nghiệm phản ứng hóa học của baking soda và giấm. Phải đảm bảo thí nghiệm thành công và phải rút ra được với tỉ lệ baking soda và giấm như thế nào sẽ sinh ra nhiều khí nhất.

Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình xe hơi chạy bằng năng lượng hóa học. Tuy nhiên, hoạt động thành công hay không phải thông qua kết quả chạy thử nghiệm xe và phải đánh giá dựa trên 3 tiêu chí:

• Khoảng cách xa nhất mà xe có thể đạt được.
• Với mục tiêu 4 – 5m xe có đặt được không? Nếu không thì kết quả tốt nhất là bao nhiêu?
• Điều chỉnh sao cho xe chạy theo đường thẳng với đoạn đường dài nhất?

Tiêu chí đánh giá

Đánh giá kết quả hoạt động xe hơi sử dụng năng lượng phản ứng hóa học để chuyển động theo 2 phần:

Phần 1: Thực hiện thành công thí nghiệm quy phản ứng hóa học giữa baking soda và giấm. Tìm ra được với tỉ lệ nào thì phản ứng sẽ sản sinh ra nhiều khí nhất.

Phần 2: Thiết kế và chế tạo mô hình xe hơi chạy bằng năng lượng hóa học

• Thiết kế và chế tạo thành công mô hình xe hơi: Xe có thể lăn bánh, có thùng xe chứa được hỗn hợp baking soda và giấm, xe chắc chắn.
• Cho xe chạy thử và đạt kết tối ưu nhất theo các tiêu chí người dạy đưa ra.

Quan sát kết quả thực hành

Qua bài học trên, Sylvan Learning Việt Nam đã tạo ra “sân chơi” hấp dẫn. Giúp người học hiểu sâu và rõ các khái niệm về Năng lượng hóa học, các quy trình phản ứng,… bằng cách tự tay làm thí nghiệm, chế tạo sản phẩm. Nhờ hoạt động trên mà những kiến thức về hóa học và kỹ thuật trong giáo án STEM tiểu học không chỉ trở nên thu hút và thú vị hơn mà còn rèn luyện khả năng thực hành và tư duy cho người học một cách toàn diện.