Mikroskalakemi: Eksperimenter i skolen Teach article

Author(s): Elias Kalogirou, Eleni Nicas

Oversat af: Morten Schunck. Elias Kalogirou og Eleni Nicas præsenterer her et udvalg af eksperimenter i mikroskalakemi til grundskolen.

Billedet udlånt af tap10 /
iStockphoto

I forhold til de industrielle standarder er al kemien i skolerne i en lille skala- 50 ml hér, 1 g. dér. Men i de sidste tre år har vi lavet mikroskalakemi, på vores skole ved kun at bruge en- to dråber af hver reagens.

At arbejde i denne målestok har mange fordele. Ved at bruge mindre mængder reagenser reducerer man tiden, omkostningerne og affaldsmængden, og ansporer eleverne til at tænke på miljøet og dets beskyttelse. Selv om sikkerhedsforanstaltninger stadig er nødvendige, er risikoen lavere ved mindre mængder – og eleverne har ikke haft vanskeligheder ved at arbejde med så små mængder. I denne skala, behøver man ikke normalt laboratorieglasudstyr til eksperimenterne, men kan udføre dem ved hjælp af simple husstandsmaterialer som for eksempel tyggegummi- blisterpakker; disse er billige, kan genbruges flere gange, og kræver kun lidt opbevaringsplads.

Nedenfor er vejledninger til nogle af de mikroskala eksperimenter, som vi udfører med 14 – 15-årige elever. Vore elever har udført eksperimenterne i grupper á fire. Alternativt kan læreren gennemføre eksperimenterne ved at placere opstillingen på en overhead projektor.

Vores reagensglas: En
tyggegummi- blisterpakke
Billed udlånt af Elias Kalogirou
og Eleni Nicas

Forsøgene er en del af det almindelige græske uddannelsessystems læseplaner for denne aldersgruppe af elever, men vil normalt blive gennemført i en større skala.

Eksperimenter

I stedet for at bruge normalt, fuld-skala laboratorieudstyr, bliver disse forsøg udført i en tyggegummi-blisterpakke, hvorfra foliet og tyggegummiet er blevet fjernet (se billede). Tablet- blisterpakker kan også være anvendelige, hvis tabletterne har været store nok. Hvert forsøg finder sted i et separat rum af pakken.

 

Sikkerhedsforanstaltninger:

  • Saltsyre og natriumhydroxid, som anvendes i de fleste af forsøgene, beskrevet i denne artikel, bør kun anvendes, iført handsker og sikkerhedsbrillers.
  • Med så små mængder og lave koncentrationer, kan de resterende reagenser simpelthen skylles ud i vasken.

 

Tabellerne med fremgangsmåder og resultater for alle forsøgene kan downloades som et Word® dokument fra websitet Science in Schoolw1.

Forberedelse

Rødkål
Billede udlånt af Tamara
Kulikova / iStockphoto

For at fremstille rødkålsindikatoren, dækkes 10 g friske, hakkede rødkålsblade med 200 ml destilleret vand og bringes i kog. Kog indtil væsken bliver lys lilla. Efter afkøling sies væsken fra; dette er indikatorvæsken.

For at forberede natriumhydroxiden (NaOH), opløses 0,4 g natriumhydroxid i 100 ml vand.

For at forberede kalkvandet (mættet calciumhydroxid opløsning), fyldes et 500 ml bægerglas en tredjedel med calciumhydroxid [Ca(OH)2] hvorefter der tilsættes destilleret vand op til 400 ml mærket. Rør blandingen godt rundt og lad opløsningen bundfælde sig i nogle timer. Den farveløse, mættede opløsning (kalkvand) hældes på flaske gennem en tragt, uden at få bundfaldet med.

Saltsyre (15% w / w) kan i nogle lande købes i supermarkeder. Alternativt kan de r fremstilles en 1 M opløsning (ca.) i laboratoriet.

(Bemærk at den anvendte saltsyre opløsning er mere koncentreret end natriumhydroxid-opløsningen, for at sikre, at syrereaktionerne kan iagttages med det blotte øje, mens basereaktionen er meget tydelig.)

Ved forsøgenes udførelse, bør de anvendte opløsninger, håndteres i en pipette.

Målsætninger

Formålet med Eksperiment 1 er at eleverne erfarer at både syrer og baser ændrer farven på pH indikator en, og at farveændringen er forskellig for syrer og baser.

Aspirin tabletter
Billedet udlånt af:
alexeynovikov / iStockphoto

I Forsøg 2, observerer eleverne, hvordan syrer reagerer med metaller. De bør observere udviklingen af bobler (opbrusningen), og også at magnesium reagerer kraftigt (producerer mere varme og flere bobler) med syre end jern gør – selv om der anvendes mindre syre. Vi forklarer vore elever, at den producerede gas er hydrogen (brint).

I Forsøg 3, observerer eleverne, hvordan syrer reagerer med karbonater. De bør bemærke udviklingen af bobler (opbrusningen). Vi forklarer, at gassen i boblerne er kuldioxid.

Eksperiment 4 giver eleverne mulighed for at øve anvendelse og aflæsning af pH indikator papir. De skal lære, at pH i en opløsning kan bestemmes med indikator papir og opløsningerne, klassificeres som enten syre eller base.

I Forsøg 5, undersøger eleverne ledningsevne i destilleret vand, saltsyre og natriumhydroxid opløsninger. De skal lære, at destilleret vand faktisk ikke leder elektricitet, men at både syrer og baser gør.

Eksperiment 1: Farveskift af indikatorer

Skær sugerøret diagonalt, så
det kan bruges til at måle de
små mængder pulver
Billedet venligst udlånt af Elias
Kalogirou og Eleni Nicas

Udstyr

  • Tyggegummi blisterpakke (se ovenstående billede)
  • Sugerør- klippet skråt (se billede til venstre)
  • Saks
  • Engangshandsker
  • Sikkerhedsbriller

Materialer

  • Saltsyre (15% w/w eller 1M)
  • Ammoniumholdigt rengøringsmiddel for eksempel Ajax® Vinduesrens
  • Natriumhydroxid (NaOH) 0.1M. For fremstilling se ovenfor
  • Mættet kalkvand
  • Rødkålsindikator
  • Lakmusopløsning
  • Phenolphthalein
  • Citronsaft
  • En knust Asprin eller et brev Aspirin
  • Destilleret vand

Fremgangsmåde

  1. Se tabel 1: Tilsæt en testopløsning f. eks. citronsaft og en pH indikator f. eks. lakmusopløsning til hvert kammer.
Tabel 1: Fremgangsmåde for eksperiment 1

Kammer 1

  • 10 dråber 10 citronsaft
  • 2 dråber rødkålsindikator

Kammer 2

  • 10 dråber mættet kalkvand
  • 2 dråber rødkålsindikator

Kammer 3

  • 1 sugerørspids knust aspirin (Se billedet ovenfor)
  • 10 dråber vand
  • 2 dråber lakmusindikator

Omrør blandingen

Kammer 4

  • 10 dråber ammoniumholdigt rengøringsmiddel
  • 2 dråber lakmusindikator

 

Kammer 5

  • 10 dråber saltsyre (HCl)
  • 2 dråber phenolphthalein

Kammer 6

  • 10 dråber Natriumhydroxid
  • 1 dråbe phenolphthalein
  1. Notér farveskiftene i tabel 2s.
  2. Hvad kan du konkludere udfra resultatet?
Indikator Oprindelig indikatorfarve Farve efter tilsætning af syre Farve efter tilsætning af base
Tabel 2: Resultater af eksperiment 1
Rødkål   Kammer 1: Kammer 2:
Lakmusopløsning   Kammer 3: Kammer 4:
Phenolphthalein   Kammer 5: Kammer 6:
En sugerørspids jern pulver
Billedet udlånt af Elias
Kalogirou og Eleni Nicas

Eksperiment 2: Syrers effekt på metaller

Udstyr

  • Tyggegummi- blisterpakke
  • Sugerør, skåret skråt
  • Saks
  • Engangshandsker
  • Sikkerhedsbriller

Materialer

  • Jernspåner (Fe)
  • Magnesiumpulver (Mg)
  • Saltsyre (HCl) 15 % w/w eller 1M

Fremgangsmåde

  1. Se tabel 3. Læg noget metal f. eks. jernspåner i hvert kammer og tilsæt syre (HCl).
Tabel 3: Fremgangsmåde for eksperiment 2

Kammer 1

  • 1 Sugerørsspids jernspåner
  • 10 dråber saltsyre

Kammer 2

  • 1 sugerørsspids magnesiumpulver
  • 2 dråber saltsyre
  1. Hvad observerer du, når saltsyre tilsættes jernspånerne?
  2. Kan du forklare årsagen til forskellen?
  3. Hvorledes adskiller dette sig fra effekten af syre på Magnesium?
Billedet udlånt af DOConnell /
iStockphoto

Eksperiment 3: Syrers effekt på carbonater

Udstyr

  • Tyggegummi- blisterpakke
  • Sugerør, skåret skråt
  • Saks
  • Engangshandsker
  • Sikkerhedsbriller

Materialer

  • Knust kridt (CaCO3)
  • Natriumbicarbonat (NaHCO3)
  • Saltsyre (15% w/w eller 1 M)

Fremgangsmåde

  1. Se tabel 4. Læg noget carbonat f. eks. knust kridt i hvert kammer og tilsæt syre (HCl).
Table 4: Fremgangsmåde for eksperiment 3

Kammer 1

  • 1 Sugerørsspids knust kridt
  • 5 dråber saltsyre

Kammer 2

  • 1 sugerørsspids Natriumbicarbonat (NaHCO3)
  • 5 dråber saltsyre (HCl)
  1. What do you observe when the acid is added to the carbonate?

Eksperiment 4: Anvendelse af pH indikatorpapir

Udstyr

  • Papirklude
  • Hvidt papir str. A4
  • Saks
  • Engangshandsker
  • Sikkerhedsbriller
  • pH indikatorpapir eller pH universalstrips

Materialer

  • Eddike
  • Saltsyre (HCl) 15% w/w eller 1 M
  • Ammoniumholdigt rengøringsmiddel for eksempel Ajax® Vinduesrens
  • Mættet kalkvand
  • Destilleret vand
Billedet udlånt af Diffydave /
iStockphoto

Fremgangsmåde

  1. Læg en papirklud på bordet og et ark A4 papir ovenpå.
  2. Klip fem strimler pH indikatorpapir ca. 4 cm lange, og læg dem udstrakt på A4 arket. (Alternativt kan anvendes fem indikatorstrips)
  3. På hver strimmel indikatorpapir dryppes to dråber af testopløsningen f. eks. eddike eller mættet kalkvand.
  4. Sammenlign stripens farve med den tilhørende skala, for at bestemme pH værdien.
  5. I tabel 5 noteres pH værdierne for hver opløsning, og det konkluderes om opløsningen er sur eller basisk.
Table 5: Resultater for eksperiment 4
Opløsning Eddike Saltsyre (HCl) Ammonium Mættet kalkvand Destilleret vand
pH værdi          
Syre eller base          

Eksperiment 5: Ledeevne for destilleret vand, syre og base

Udstyr

  • Tyggegummi blisterpakke
  • Saks
  • Engangshandsker
  • Sikkerhedsbriller
  • Alufolie/ sølvpapir
  • 3 ledninger med krokodillenæb
  • Tape
  • 4.5 V batteri eller variabel strømforsyning
  • LED (Ø 5 mm) Lysdiode

Materialer

  • Destilleret vand
  • Saltsyre (HCl) 1M
  • Natriumhydroxid (0. 1 M Opløsning som tidligere beskrevet)

Fremgangsmåde

Fastgørelse af elektroderne
 
  1. Klip fire strimler alufolie á 6x 0.5 cm.
  2. Lav to elektroder ved at lægge to strimler alufolie i kammer 1, og fastgør dem til bordet med tape, så ikke de flytter sig.

Næste trin er at forbinde det elektriske kredsløb (Venstre).

  1. En af ledningerne tilsluttes den positive pol på batteriet (P) og anoden på dioden (A). Med den andet ledning, tilsluttes lysdiodens katode (B) til en af alufolie- strimlerne (elektrode) (C). Den tredje ledning, tilsluttes imellem den anden alufolie- strimmel (D) og den negative pol på batteriet (N).
  2. Fyld kammer 1 halvt op med destilleret vand. Nu er kredsløbet færdigt.
Forbindelse af kredsløbet
Billedet udlånt af Elias
Kalogirou og Eleni Nicas

Lyser LED’en?

Hvad kan du konkludere? Kan destilleret vand lede strøm?

  1. Tilsæt 3 dråber saltsyre (HCl) til kammer 1.

Lyser LED’en?

Hvad kan du konkludere? Kan saltsyre (HCl) lede strøm?

  1. Afbryd kredsløbet ved at fjerne ledningerne fra elektroderne.
  2. Lav to nye elektroder til kammer 2 og sæt dem fast på bordet. (Som i trin 2).
  3. Tilslut ledningerne til de nye elektroder (F og G).
  4. Dråbevis tilsættes natriumhydroxid til kammer 2, indtil alufoliet er dækket (Vi brugte seks dråber).

Lyser LED’en?

Hvad kan du konkludere? Kan natriumhydroxid lede strøm?

Taksigelser

Forfatterne vil gerne takke Penelope Galanpoulou, der underviser i engelsk på tredje Pyrgos Lyceum Pierre de Coubertin, for at oversætte denne artikel fra græsk til engelsk.

Web References

  • w1 – Tabellerne (fremgangsmåder og resultater) til alle forsøgene kan her hentes som Word dokument.

Resources

  • Williams KL, Little JG (1997) Microscale Experiments for General Chemistry. Boston, MA, USA: Houghton Mifflin. ISBN: 9780669416060
  • Zubrick JW (2003) The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques 6th edition. New York, NY, USA: John Wiley & Sons. ISBN: 9780471215202
  • Skinner J (1998) Microscale Chemistry: Experiments in Miniature. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN: 9781870343497
  • Græsktalende personer vil måske finde denne bog anvendelig:
    • Κ. Γιούρη – Τσοχατζή (2003) Σχολικά Πειράματα Χημείας, Από τη Μακρο- στη Μικροκλίμακα. Θεσσαλονίκη , Ελλάδα : Εκδόσεις Ζήτη . ΙSBN: 9604318608
  • Et andet forsøg hvori rødkålsindikator anvendes:

Author(s)

Elias Kalogirou er fysiklærer i gymnasiet-. Han er ansvarlig for the Laboratory Centre of Physical Sciences, der arbejder med at få naturfagslærere i gymnasiet til at fremme brugen af eksperimentelt arbejde i naturfags-undervisningen. Han tilskynder navnlig brugen af mikroskala eksperimenter i skolen.

Eleni Nicas er uddannet biolog og har de seneste seks år undervist i biologi, kemi og fysik i Middle School (alder 13-15 år), for tiden på 4. Junior High School of Pyrgos. I de sidste tre år, har hun brugt mikroskala eksperimenter i sine kemi lektioner, i samarbejde med det regionale laboratorium Centre of Physical Sciences. Hun studerer for tiden til en ph.d.-grad i fysikundervisning.

Review

En vigtig del af jobbet som naturfagslærer er, at lære ikke blot videnskabelig teori, men også at opnå eksperimenterende færdigheder. Af denne grund, kan de traditionelle praktiske øvelser ikke og bør ikke erstattes. Men, overvejelser såsom økonomiske faktorer og miljøbevidsthed og -beskyttelse er også vigtige i vor tid med »grøn kemi “. At integrere mikroskala kemi i traditionel laboratorieundervisning vil bidrage til at udvikle disse idéer. At arbejde med mikroskala mængder er også velegnet til yngre elever.

Marie Walsh, Republikken Irland

License

CC-BY-NC-SA