Απλή σταθμική χημική ανάλυση – ζυγίζοντας μόρια με τεχνικές μικροκλίμακας Teach article

Μάθετε πως μπορείτε να κάνετε ποσοτική χημεία αξιοποιώντας τεχνικές μικροκλίμακας με καπάκια μπουκαλιών και φτηνούς λύχνους οινοπνεύματος, τους οποίους μπορείτε να φτιάξετε σχετικά εύκολα και γρήγορα.

Η χρήση σταθμικής ανάλυσης στην ποσοτική χημεία δίνει στους μαθητές την ευκαιρία να έρθουν σε επαφή με τις χημικές αντιδράσεις, να παρατηρήσουν χημικές μεταβολές, και να προσδιορίσουν τον χημικό τύπο μίας ένωσης αξιοποιώντας μετρήσεις μάζας. Αυτό μπορεί να γίνει μέσω αντιδράσεων καύσης, που έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της μάζας (όπως η αντίδραση του μαγνησίου με το οξυγόνο), ή με την απομάκρυνση νερού από ένα ένυδρο άλας μέσω θέρμανσης, που έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της μάζας^[1]. Αυτές οι πρακτικές δραστηριότητες σε μικροκλίμακα είναι σχετικά εύκολες και γρήγορες και μπορούν να βοηθήσουν τους μαθητές να επικεντρωθούν στη χημεία και να περιορίσουν την επιβάρυνση της εργασιακής μνήμης. Παρά τις μικρές ποσότητες, τα στοιχεία που λαμβάνονται από πειράματα σε μικροκλίμακα δίνουν ισοδύναμα ή καλύτερα αποτελέσματα από αυτά που λαμβάνονται με τον παραδοσιακό εξοπλισμό, παρόλο που η σύγκριση τεχνικών είναι μία χρήσιμη άσκηση στην ανάλυση σφαλμάτων. Η εμφάνιση φθηνών, ισχυρών ψηφιακών ζυγών, με ακρίβεια μέτρησης έως 0,01 g, επέτρεψε επίσης σε αυτές τις μεθόδους να είναι πιο προσβάσιμες και προσιτές από πριν. 

1^η Δραστηριότητα : Προσδιορίζοντας τον χημικό τύπο του οξειδίου του μαγνησίου

Ο προσδιορισμός του χημικού τύπου του οξειδίου του μαγνησίου με καύση του μαγνησίου μπορεί να οδηγήσει σε διάφορα αποτελέσματα. Τα πορσελάνινα χωνευτήρια κοστίζουν και μπορεί να σπάσουν κατά τη διάρκεια του πειράματος, και το μαγνήσιο μπορεί να διαφύγει όταν θα σηκώσουμε το καπάκι. Αυτή η απώλεια προϊόντος μπορεί να μειώσει την ακρίβεια του αποτελέσματος.

Στο πείραμα σε μικροκλίμακα χρησιμοποιείται μία φθηνή εναλλακτική στα ακριβά χωνευτήρια. Ο φυσικός σχεδιασμός των καπακιών επιτρέπει την καλή ροή του αέρα με ελάχιστη απώλεια προϊόντος.

Η δραστηριότητα διαρκεί περίπου 30 λεπτά και είναι κατάλληλη για μαθητές ηλικίας 14 – 18 ετών.

Υλικά

• Ταινία μαγνησίου, μήκους περίπου 10 – 15 εκ. (κίνδυνος : εύφλεκτο)
• Λύχνος Bunsen
• Δύο μεταλλικά καπάκια (βεβαιωθείτε ότι έχει απομακρυνθεί η πλαστική επένδυση από τα καπάκια. Η απομάκρυνση γίνεται εύκολα με έναν λύχνο Bunsen και μία λαβίδα σε έναν απαγωγό αερίων)
• Ζυγός
• Προστατευτικά ματιών
• Σύρμα νιχρωμίου, μήκους περίπου 15 εκ.
• Μικρό τρίγωνο πύρωσης
• Τρίποδας
• Λαβίδα
• Αντιθερμική επιφάνεια
• Φύλλο εργασίας 1^ης δραστηριότητας

Διαδικασία

1. Προσδιορίστε τη συνολική μάζα από δύο μεταλλικά καπάκια και ενός σύρματος νιχρωμίου μήκους 15 εκ. (Μ1) με τη βοήθεια ενός ζυγού. Καταγράψτε τη μάζα στο φύλλο εργασίας του μαθητή.

2. Τυλίξτε ένα κομμάτι ταινίας μαγνησίου μήκους 10 – 15 εκ γύρω από ένα μολύβι και τοποθετήστε την ταινία σε ένα από τα καπάκια.
3. Υπολογίστε τη μάζα των δύο καπακιών, του σύρματος νιχρωμίου και της ταινίας μαγνησίου (Μ2) και καταγράψτε την στο φύλλο εργασίας.

4. Τοποθετήστε τον λύχνο Bunsen και τον τρίποδα πάνω σε μία αντιθερμική επιφάνεια. Στον τρίποδα στηρίξτε ένα τρίγωνο πύρωσης κατάλληλο για την στήριξη του «πακέτου» των καπακιών.
5. Τοποθετήστε την ταινία μαγνησίου ανάμεσα στα δύο καπάκια (με τα οδοντωτά άκρα τους προς την ίδια πλευρά). Τυλίξτε το σύρμα γύρω από τα καπάκια ώστε να τα κρατήσετε μαζί.
6. Τοποθετήστε τα καπάκια με ασφάλεια πάνω στο τρίγωνο πύρωσης.

7. Θερμάνετε τα μεταλλικά καπάκια με έντονη οξειδωτική φλόγα για 10 λεπτά.

8. Σβήστε τον λύχνο Bunsen και αφήστε τα καπάκια να κρυώσουν (για περίπου 5 λεπτά).
9. Υπολογίστε τη μάζα των καπακιών, του σύρματος νιχρωμίου και του οξειδίου του μαγνησίου. Καταγράψτε τη μάζα ως Μ3.
10. Χρησιμοποιήστε τις μάζες του μαγνησίου και του οξυγόνου για να υπολογίσετε τον αριθμό των molκάθε συστατικού. Από την αναλογία των mol μπορεί να προσδιοριστεί ο χημικός τύπος της ένωσης.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Αυτή η δραστηριότητα είναι κατάλληλη και για μικρότερους μαθητές που δεν έχουν ακόμα διδαχτεί υπολογισμούς με mol ως εισαγωγή στη διατήρηση της μάζας. Ζητήστε τους να προβλέψουν αν η μάζα του μαγνησίου κατά τη θέρμανσή του θα μειωθεί, θα παραμείνει σταθερή ή θα αυξηθεί, και να ελέγξουν την πρόβλεψή τους. Μερικοί θα θεωρήσουν ότι η μάζα του μαγνησίου θα ελαττωθεί, καθώς θα υποθέσουν ότι θα «καεί» όπως ο άνθρακας όταν αντιδρά με το οξυγόνο και παράγεται διοξείδιο του άνθρακα. Συχνά εκπλήσσονται όταν διαπιστώνουν ότι τα άτομα του οξυγόνου έχουν μάζα, που μπορεί να μετρηθεί με έναν ζυγό ύστερα από την καύση του με ένα μέταλλο.

Πλήρης εξήγηση των υπολογισμών δίνεται στο υποστηρικτικό υλικό.

Υπόδειγμα αποτελέσματος και υπολογισμού :

Μ1 = η συνολική μάζα των μεταλλικών καπακιών και του σύρματος νιχρωμίου = 3,87 g

Μ2 = η συνολική μάζα των μεταλλικών καπακιών, του σύρματος νιχρωμίου και της λωρίδας μαγνησίου = 4,11 g

Μ3 = η συνολική μάζα των μεταλλικών καπακιών, του σύρματος νιχρωμίου και του οξειδίου του μαγνησίου = 4,26 g

Μάζα ταινίας μαγνησίου που καταναλώθηκε  (M2 − M1 = 4,11 − 3,87) = 0,24 g

Mol μαγνησίου = μάζα Mg / σχετική ατομική μάζα Mg = 0,24 ⁄ 24,5 = 0,0098

Μάζα οξυγόνου που καταναλώθηκε  = M3 − M2 = 4,26 − 4,11 = 0,15

Mol οξυγόνου = μάζα Ο / σχετική ατομική μάζα  O = 0,15 ⁄ 16 = 0,0094

Λόγος μαγνησίου προς οξυγόνο = moles Mg/moles O = 0,0098 ⁄ 0,0094  = 1,04

Η τιμή θα πρέπει να είναι κοντά στο ένα, δίνοντας μία αναλογία ατόμων περίπου ένα μαγνήσιο προς ένα οξυγόνο,  που δείχνει ότι ο χημικός τύπος του οξειδίου του μαγνησίου είναι πράγματι MgO.

2^η Δραστηριότητα : Σταθμικός προσδιορισμός του χημικού τύπου του ένυδρου θειικού χαλκού (ΙΙ)

Ο προσδιορισμός των mol νερού που υπάρχουν σε ένα ενυδατωμένο σύμπλεγμα μέσω της σταθμικής ανάλυσης συνηθώς απαιτεί την προζύγιση ενός δείγματος και τη θέρμανσή έως ότου σταθεροποιηθεί η μάζα του σε λύχνο Bunsen χρησιμοποιώντας ένα χωνευτήριο και έναν ξηραντήρα προς αποφυγή της επαναρρόφησης νερού από τον αέρα.

Η μέθοδος αυτή είναι ταχύτερη και χρησιμοποιεί καπάκια μπουκαλιών αντί χωνευτηρίου, όπως περιγράφεται στην 1^η Δραστηριότητα, καθώς και λύχνους οινοπνεύματος.

Σε αυτό το πείραμα, η χρήση λύχνου οινοπνεύματος περιορίζει τον βαθμό στον οποίο ο θειικός χαλκός θα διασπαστεί και θα απελευθερωθεί διοξείδιο του θείου που είναι τοξικό :

CuSO₄·5H₂O(s) (απαλό μπλε στερεό) ⇌ CuSO₄(s) (λευκό στερεό) + 5H₂O(s)

Ο ένυδρος θειικός χαλκός (CuSO₄.5H₂O) χάνει τα τέσσερα από τα πέντε μόρια νερού του στους 100^οC περίπου. Το τελευταίο μόριο νερού χάνεται στους 150 ^οC. Στη φλόγα του λύχνου Bunsen, η θερμοκρασία πλησιάζει τους 650 ^οC, που οδηγεί στην αποσύνθεση του ένυδρου θειικού χαλκού· το στερεό γίνεται σκούρο και απελευθερώνονται τοξικά αέρια διοξειδίου και τριοξειδίου του θείου. Εκτός από την επικινδυνότητα, η αποσύνθεση επηρεάζει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Με μία φλόγα χαμηλότερης θερμοκρασίας, όπως αυτή που παράγεται από τον λύχνο οινοπνεύματος, αποφεύγεται αυτή η αποσύνθεση.

Η δραστηριότητα διαρκεί περίπου 30 λεπτά και είναι κατάλληλη για μαθητές ηλικίας 14 – 18 ετών.

Υλικά

• Μεταλλικά καπάκια από τα οποία έχει αφαιρεθεί η πλαστική επένδυση, όπως περιγράφεται στην 1^η Δραστηριότητα
• Λύχνος οινοπνεύματος (λεπτομέρειες για την κατασκευή του δίνονται στο υποστηρικτικό υλικό)
• Ένυδρος θειικός χαλκός (ΙΙ) (CuSO₄.5H₂O)
• Ζυγός
• Σπαθίδα
• Λαβίδα
• Προαιρετικά : ένα μουσλέτο (πρόκειται για το συρμάτινο πλαίσιο μίας φιάλης σαμπάνιας ή άλλου αφρώδους οίνου) ως τρίποδα μικρής κλίμακας
• Φύλλο εργασίας 2^ης Δραστηριότητας

Διαδικασία

1. Τοποθετήστε το καπάκι – χωνευτήριο στο ζυγό και ρυθμίστε το ζυγό στο 0,0 g με το κουμπί απόβαρου.
2. Προσθέστε περίπου 1,2 g ένυδρο άλας του θειικού χαλκού στο χωνευτήριο. Καταγράψτε τη μάζα στο φύλλο εργασίας του μαθητή.
3. Προαιρετικά : τοποθετήστε το μουσλέτο στον λύχνο οινοπνεύματος. Αυτό θα λειτουργήσει ως τρίποδας σε μικροκλίμακα για το καπάκι.
4. Τοποθετήστε το καπάκι – χωνευτήριο στο μουσλέτο – τρίποδο και θερμάνετε σε έναν αναμμένο λύχνο οινοπνεύματος έως ότου το μπλε χρώμα χαθεί και απομένουν λευκά / άχρωμα στερεά υπολείμματα. Εναλλακτικά, συγκρατήστε το καπάκι με μία λαβίδα και θερμάνετε όπως παραπάνω. 

5. Απομακρύνετε το χωνευτήριο από τον λύχνο οινοπνεύματος (και σβήστε τη φλόγα).
6. Αφήστε το χωνευτήριο να κρυώσει.
7. Υπολογίστε τη μάζα του χωνευτηριού μαζί με το άνυδρο άλας και καταγράψτε τη.
8. Χρησιμοποιώντας τη μάζα του ένυδρου και άνυδρου θειικού χαλκού υπολογίστε τον αριθμό των molθειικού χαλκού και νερού που υπάρχουν στο ένυδρο σύμπλοκο. Ο λόγος των mol θα μπορεί να αξιοποιηθεί κατά τον υπολογισμό του χημικού τύπου του ένυδρου θειικού χαλκού (ΙΙ).

Αποτελέσματα

Πλήρης εξήγηση των υπολογισμών δίνεται στο υποστηρικτικό υλικό.

Υπόδειγμα αποτελέσματος και υπολογισμών :

Μάζα ένυδρου θειικού χαλκού (ΙΙ) που χρησιμοποιήθηκε = 1,2 g

Μάζα άνυδρου θειικού χαλκού (ΙΙ) μετά τη θέρμανση = 0,78 g

Μάζα του νερού που απομακρύνθηκε με τη θέρμανση = 1,20 – 0, 78 = 0,42 g

Αριθμός mol θειικού χαλκού (CuSO₄) μετά την απομάκρυνση του νερού = 0,78 / 159,6 = 0,0049

Αριθμός mol νερού που απομακρύνθηκα με τη θέρμανση = 0,42 / 18 = 0,023

Λόγος mol νερού προς αυτά του θειικού χαλκού = 0,023 / 0,0049 = 4,9, ίσος με 5 αν στρογγυλοποιηθεί στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό.

Ο εκπαιδευτικός μπορεί να δείξει στους μαθητές την ετικέτα συσκευασίας ένυδρου θειικού χαλκού και να συγκρίνουν τα αποτελέσματά τους με τα στοιχεία της ετικέτας προκειμένου να τα επιβεβαιώσουν. Οι τιμές θα πρέπει να είναι περίπου πέντε, ώστε η γραμμομοριακή αναλογία να είναι πέντε γραμμομόρια νερού ανά ένα γραμμομόριο θειικού χαλκού (ΙΙ), που υποδηλώνει ότι ο χημικός τύπος του ένυδρου θειικού χαλκού (ΙΙ) είναι CuSO₄·5H₂O.

Συμπέρασμα

Ο Adrian και ο BoB έχουν ολοκληρώσει πλέον αυτή τη σειρά άρθρων για τη χημεία σε μικροκλίμακα. Αυτό που ξεκίνησε ως αντίδοτο στις ανησυχίες των διευθυντών εκπαίδευσης και της βρετανικής  Υπηρεσίας Υγείας και Ασφάλειας σχετικά με την ασφάλεια των χημικών στα σχολεία (αποθήκευση, χρήση, απόρριψη), γύρω στο 1993, προσελκύει τώρα περισσότερους οπαδούς λόγω των εκπαιδευτικών και οικονομικών οφελών που παρέχουν οι τεχνικές. Τώρα μπορούμε να προσθέσουμε την προώθηση της αειφορίας, σύμφωνα με τις οδηγίες των Ηνωμένων Εθνών, με τη χρήση των αρχών της πράσινης χημείας^[4], όπως διατυπώθηκαν το 1998 από τους Paul Anastas και John C. Warner. Τουλάχιστον 6 από τις 12 αρχές της πράσινης χημείας μπορούν να εφαρμοστούν στη διδασκαλία της χημείας στα σχολεία.^[5]

• Πρόληψη παραγωγής αποβλήτων : σταγονίδια διαλυμάτων που έχουν προστεθεί σε μία πλαστική επιφάνεια με τη χρήση πιπετών μεταφοράς απομακρύνονται απλά με μία χαρτοπετσέτα.
• Λιγότερο επικίνδυνες χημικές συνθέσεις : προετοιμασία κρυστάλλων θειικού χαλκού αποφεύγοντας εγκαύματα, καψίματα και την έκλυση τοξικών αερίων · μικρηλεκτρόλυση διαλύματος χλωριούχου χαλκού
• Ασφαλέστεροι διαλύτες και βοηθητικά : χρήση νερού ως κύριου διαλύτη, καθώς και υιοθέτηση διαδικασιών αλατοποίησης.
• Σχεδίαση για ενεργειακή απόδοση : λύχνοι οινοπνεύματος και ζεστό νερό από έναν βραστήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποφευχθεί η χρήση ορυκτών καυσίμων (π.χ. λύχνος Bunsen) · χρήση περισσότερο αποδοτικών ενεργειακά LED.
• Κατάλυση : χρήση μαγιάς για την παραγωγή οξυγόνου από υπεροξείδιο του υδρογόνου.
• Εγγενώς ασφαλέστερη χημεία για την πρόληψη ατυχημάτων : μειωμένες συγκεντρώσεις, εύρεση εναλλακτικής διαδικασίας για την πραγματοποίηση της ηλεκτρόλυσης τήγματος βρωμιούχου μολύβδου και διεξαγωγή μικρής κλίμακας καταλυτικής πυρόλυσης για την αποφυγή αναρρόφησης.

Αυτή την τελευταία αρχή εφαρμόζουν οι CLEAPSS και SSERC στο Ηνωμένο Βασίλειο από το 1963.

Συχνά μας κατηγορούν ότι αφαιρούμε τις στιγμές «ουάου» που δημιουργεί η σχολική χημεία. Με την προσέγγιση που προσφέρει η μικροχημεία, εξακολουθούν να υπάρχουν εκρήξεις (σαπουνόφουσκες δυναμίτης), και τώρα υπάρχουν περισσότερες στιγμές «ουάου», όπως η ομορφιά του φάσματος των χρωμάτων στην τέχνη των σταγονιδίων.^[6] Τώρα προσφέρονται εντελώς νέες επιδείξεις. Ο Bobπρόσφατα πραγματοποίησε μία επίδειξη παρουσιάζοντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα τήγματος χλωριούχου νατρίου, μία παρατήρηση που αναφέρεται σε πολλά σχολικά κείμενα ως απόδειξη του ιοντικού δεσμού, αλλά ποτέ δεν είχε παρουσιαστεί μέχρι τώρα, χρησιμοποιώντας τεχνικές μικροκλίμακας^[7] και το χωνευτήριο από καπάκια μπουκαλιών όπως περιγράφεται σε αυτό το άρθρο.

Acknowledgements

Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε και να αναγνωρίσουμε τον Howard Tolliday στην Ακαδημία Dornoch, Ηνωμένο Βασίλειο, για τις συμβουλές του και την συνδρομή του στην ανάπτυξη του εξοπλισμού και τη βοήθεια του στη συγκέντρωση των φωτογραφιών και των βίντεο που συνοδεύουν αυτό το άρθρο.

---

Supporting materials

Φύλλο εργασίας 1ης δραστηριότητας

1η Δραστηριότητα Λεπτομέρειες υπολογισμού

κατασκευή ενός λύχνου οινοπνεύματος

Φύλλο εργασίας 2ης Δραστηριότητας

2η Δραστηριότητα Λεπτομέρειες υπολογισμού

Download

Download this article as a PDF

---

Share this article

• twitter
• facebook
• linkedin

---

Subscribe to our newsletter

Subscribe to our newsletter

Subscribe