Διασκέδαση με αφρούς: το CO2 στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση Teach article

Μεταφρασμένο από την Παρασκευή Θάνου (Paraskevi Thanou). Η Marlene Rau παρουσιάζει μερικές αφρίζουσες και διασκεδαστικές δραστηριότητες που περιλαμβάνουν το διοξείδιο του…

Εισαγωγή

Το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) δεν είναι μόνο ένα από τα πιο σημαντικά αέρια του φαινομένου του θερμοκηπίου, αλλά βρίσκεται παντού γύρω μας: στον αέρα (0,0388 % κ.ο.) που αναπνέουμε, στον αέρα που εκπνέουμε (4 % κ.ο.), στα αεριούχα ποτά, στα γλυκίσματα που διογκώνονται χάρη στο CO₂, το οποίο παράγεται από τις διογκωτικές ύλες (baking powder), και όταν οργανικές ουσίες όπως η παραφίνη, το χαρτί, το ξύλο ή το πετρέλαιο καίγονται. Σε υγρή μορφή, χρησιμοποιείται στους πυροσβεστήρες και ως ψυκτικό μέσο στη βιομηχανία τροφίμων (για παράδειγμα στην αποθήκευση και τη μεταφορά των παγωτών).

Σε υψηλές συγκεντρώσεις, το CO₂ μπορεί να αποβεί επικίνδυνο για τους ανθρώπους και τα ζώα, αλλά είναι επίσης η πηγή της ζωής: κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, τα φυτά χρησιμοποιούν CO₂ και φως για να συνθέσουν σάκχαρα, άμυλο, λίπη και πρωτεΐνες, καθώς επίσης και οξυγόνο που είναι απαραίτητο για να επιβιώσουμε.

Οι ακόλουθες δραστηριότητες από το Chemol^w1 και το Science on the Shelves^w2 (βλ. πλαίσιο) παρουσιάζουν στα παιδιά της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης αυτό το σημαντικό αέριο. Για την υποστήριξη των δραστηριοτήτων, περισσότερες βασικές πληροφορίες για τη χημεία, τη φυσιολογική σημασία, την ανίχνευση και την εμφάνιση του CO₂ είναι διαθέσιμες στις πηγές παρακάτω^w3.

Σημείωση: οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα που παράγονται σε αυτές τις δραστηριότητες δεν είναι αρκετά υψηλές ώστε να είναι επικίνδυνες.

Αφρίζοντα μπαλόνια

Αν προσθέσετε νερό σε αναβράζοντα δισκία ή σε baking powder, σχηματίζονται φυσαλίδες: παράγεται ένα αέριο. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό το αέριο για να φουσκώσετε ένα μπαλόνι χωρίς να φυσήξετε εσείς. Τι είδους αέριο είναι αυτό; Ας το συλλέξουμε και ας το αναλύσουμε.

Υλικά

• Μπαλόνια
• Χωνί
• Αναβράζοντα δισκία (πχ δισκία βιταμίνης C) ή baking powder
• Διαφανής φιάλη των 500 ml
• Νερό
• Ποτήρια ζέσεως
• Κεράκι
• Σπίρτα
• Λαβίδα (ή ένα ξύλινο σουβλάκι)
• Ασβεστόνερο: αναμίξτε μια κουταλιά τσιμέντου ή ασβέστη με περίπου 250 ml νερού. Αφήστε το εναιώρημα σε ηρεμία και στη συνέχεια διηθήστε το χρησιμοποιώντας δύο φίλτρα του καφέ. Το διήθημα είναι το ασβεστόνερο.
• Χοντρό καλαμάκι

Διαδικασία

Τα πρώτα έξι βήματα είναι κοινά και για τις δύο δραστηριότητες – στη συνέχεια έχετε δύο επιλογές για να συνεχίσετε.

1. Φουσκώστε ένα μπαλόνι και αφήστε τον αέρα να βγει πάλι για να κάνετε το λάστιχο πιο ελαστικό.
2. Χρησιμοποιήστε το χωνί για να γεμίσετε το μπαλόνι με ένα πακέτο baking powder (20 g) ή πέντε κονιοποιημένα αναβράζοντα δισκία.
3. Χύστε 2-3 cm νερού στη φιάλη.
4. Καλύψτε το λαιμό της φιάλης με το μπαλόνι και ρίξτε το baking powder / τα αναβράζοντα δισκία μέσα στη φιάλη. Ίσως χρειαστεί να κρατήσετε το μπαλόνι στο λαιμό της φιάλης για να το εμποδίσετε να γλιστρήσει.
5. Ανακινήστε ελαφρώς τη φιάλη. Το μπαλόνι γεμίζει με αέριο που παράγεται κατά τον αφρισμό.

6. 

   Όταν το μπαλόνι σταματήσει να φουσκώνει, στρίψτε το για να κλείσει, ώστε να μην μπορεί να διαφύγει αέριο, και τραβήξτε το από τη φιάλη.

Α) Τι είδους αέριο είναι;

7. Τοποθετήστε λίγο ασβεστόνερο σε ένα ποτήρι ζέσεως.
8. Τοποθετήστε το καλαμάκι στο στόμιο του μπαλονιού, έπειτα αργά και προσεκτικά απελευθερώστε το αέριο από το μπαλόνι στο ασβεστόνερο. Το ασβεστόνερο θα θολώσει.

Η δοκιμασία του ασβεστόνερου για την ανίχνευση του CO2 αναπτύχθηκε από το χημικό Joseph Black (1728–1799). Το τσιμέντο και ο ασβέστης περιέχουν υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2). Όταν το CO2 προστίθεται στο υδατικό διάλυμα του Ca(OH)2, παράγονται πολύ μικρά σωματίδια ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) και αυτό είναι που θολώνει το ασβεστόνερο.

Από πού προήλθε τοCO2 Τόσο το baking powder όσο και τα αναβράζοντα δισκία περιέχουν όξινο ανθρακικό νάτριο (NaHCO3) και ένα στερεό οξύ (όπως κρυσταλλικό κιτρικό οξύ ή δισόξινο φωσφορικό ασβέστιο). Σε επαφή με το νερό, το όξινο ανθρακικό νάτριο και το οξύ αντιδρούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας τελικά νερό και CO2. Αυτό το αέριο προκαλεί τις φυσαλίδες που σχηματίζονται, όταν ένα αναβράζον δισκίο διαλύεται στο νερό. Αυτό διογκώνει επίσης τα γλυκίσματα.

Β) Το αέριο είναι βαρύ

7. Κρατήστε το στόμιο του μπαλονιού σε ένα ποτήρι ζέσεως και αφήστε το αέριο να βγει έξω. Δεν μπορείτε να δείτε τίποτα, αλλά θα διαπιστώσουμε αν έγινε κάτι τελικά. Παραμερίστε προσωρινά το ποτήρι.
8. Ανάψτε ένα κεράκι και χρησιμοποιήστε μια λαβίδα για να το τοποθετήσετε σε ένα δεύτερο, άδειο, ποτήρι ζέσεως (εναλλακτικά, μπορείτε να καρφώσετε το ξύλινο σουβλάκι στο κερί και να το χρησιμοποιήσετε για να σηκώσετε το κεράκι και να το τοποθετήσετε μέσα στο ποτήρι). Πρέπει να συνεχίσει να καίγεται.
9. Τοποθετήστε τώρα το κεράκι στο πρώτο ποτήρι, το οποίο περιέχει το αέριο από το μπαλόνι. Τι συμβαίνει;

Το κεράκι θα πρέπει να σταματήσει να καίγεται, γιατί το αέριο (CO2) θα σβήσει τη φλόγα.

10. Επαναλάβετε τα βήματα 1 έως 7 για να συλλέξετε περισσότερο CO2 σε ένα ποτήρι ζέσεως. Τώρα αδειάστε το αόρατο περιεχόμενο αυτού του ποτηριού σε ένα άλλο άδειο ποτήρι. Τοποθετήστε ένα αναμμένο κεράκι σε αυτό το ποτήρι. Τι θα συμβεί;

Ξανά η φλόγα σβήνει, αποδεικνύοντας ότι καταφέραμε να αποχύσουμε το αέριο από το ένα ποτήρι στο άλλο, σαν να ήταν υγρό. Αυτό δείχνει ότι το CO2 είναι βαρύτερο από τον αέρα.

Φτιάχνοντας το δικό σας “sherbet” ή αεριούχο ποτό

Αναμίξτε 3 κουταλιές όξινου ανθρακικού νατρίου και 1 κουταλιά κρυσταλλικού κιτρικού οξέος (κατάλληλου για τρόφιμα). Για να βελτιώσετε τη γεύση, προσθέστε είτε 2-4 κουταλιές άχνης ζάχαρης είτε 1 κουταλιά σκόνης ζελέ και 1 κουταλιά ζάχαρης. Το “sherbet” είναι έτοιμο προς κατανάλωση.

Οι κρύσταλλοι του κιτρικού οξέος διαλύονται στη γλώσσα σας και αντιδρούν με το όξινο ανθρακικό νάτριο. Η αντίδραση αυτή παράγει φυσαλίδες αερίου διοξειδίου του άνθρακα, που προκαλούν την αίσθηση του αναβρασμού στη γλώσσα σας. Για να φτιάξετε ένα αναψυκτικό, αναμίξτε το “sherbet” με νερό.

Αναβράζοντα εκρηκτικά

Οι πύραυλοι και τα εκρηκτικά λειτουργούν παράγοντας τεράστιους όγκους αερίων σε σύντομο χρόνο. Μπορείτε να δημιουργήσετε τους δικούς σας πυραύλους χρησιμοποιώντας κιτρικό οξύ και μαγειρική σόδα ή αναβράζοντα δισκία.

Το κανόνι αερίου

Υλικά

• Ένα άδειο σωληνάριο (με καπάκι) από αναβράζοντα δισκία, ή ένα μικρό πλαστικό κουτάκι φωτογραφικού φιλμ, αυτό θα είναι το κανόνι σας
• Ένα αναβράζον δισκίο ή μαγειρική σόδα και κρυσταλλικό κιτρικό οξύ
• Νερό
• A transparent plastic tube or glass in which the tube or canister can stand upright; this is your Ένας διαφανής πλαστικός σωλήνας ή ένα ποτήρι, όπου μπορεί να σταθεί όρθιο το σωληνάριο ή το κουτάκι, αυτό θα είναι η εξέδρα εκτόξευσης pad

Διαδικασία

1. Τοποθετήστε περίπου 2 cm νερού στο σωληνάριο ή στο κουτάκι του φιλμ, έπειτα προσθέστε το αναβράζον δισκίο. Εναλλακτικά, αναμίξτε περίπου ¼ κουταλάκι μαγειρικής σόδας και ίδια ποσότητα κρυσταλλικού κιτρικού οξέος στο σωληνάριο και προσθέστε λίγες σταγόνες νερό.
2. Κλείστε γρήγορα το καπάκι, τοποθετήστε το κανόνι στην εξέδρα εκτόξευσης και σταθείτε αρκετά μακριά (τουλάχιστο 1-2 m).

Όταν οι κρύσταλλοι του κιτρικού οξέος και η μαγειρική σόδα διαλύονται στο νερό, αντιδρούν μεταξύ τους και παράγεται αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Τα αναβράζοντα δισκία περιέχουν ήδη και τα δύο συστατικά (όξινο ανθρακικό νάτριο και ένα οξύ), τα οποία θα αντιδράσουν μεταξύ τους όταν προστεθεί νερό. Το παραγόμενο αέριο διαστέλλεται, πιέζοντας τα τοιχώματα και το καπάκι του κανονιού. Όταν η πίεση γίνει μεγαλύτερη από αυτή που αντέχει το ασθενέστερο σημείο των τοιχωμάτων (το καπάκι), το κανόνι θα εκραγεί και το καπάκι θα εκτιναχθεί έως 5 μέτρα στον αέρα, απελευθερώνοντας το αέριο.

3. Αντικαταστήστε το καπάκι και επαναλάβετε το πείραμα.

Χρονομετρήστε το διάστημα που χρειάζεται για να ανοίξει το καπάκι και στη συνέχεια πειραματιστείτε με τις ποσότητες: για παράδειγμα, προσπαθήστε να επιτύχετε να πετάγεται το καπάκι έπειτα από ακριβώς 1 λεπτό.

Το διοξείδιο του άνθρακα στο χώρο εργασίας – στη Γη και στο διάστημα

Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να αποτελέσει κίνδυνο αν βρίσκεται σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις. Για να παρακολουθήσει τόσο αυτό όσο και άλλα επικίνδυνα αέρια στο χώρο εργασίας, το EFDA-JET^w4 χρησιμοποιεί μια ποικιλία οργάνων, φορητών καθώς και εγκατεστημένων σε κτίρια, για να ανιχνεύσει αέρια που μειώνουν τη συγκέντρωση του οξυγόνου και επομένως μπορούν να οδηγήσουν σε ασφυξία. Τα αέρια που καταγράφονται περιλαμβάνουν όχι μόνο το διοξείδιο του άνθρακα και άλλα κρυογόνα αέρια όπως το ήλιο, αλλά επίσης το άζωτο (που χρησιμοποιείται για την καταστολή της φωτιάς), το εξαφθοριούχο θείο (SF6, ένα αέριο που χρησιμοποιείται για ηλεκτρική μόνωση) και οι ατμοί των ψυκτικών υγρών όπως το Galden®. Πριν δουλέψει το προσωπικό σε χώρους, στους0 οποίους αυτά τα αέρια αποτελούν απειλή, πρέπει να ελέγξει τα εγκατεστημένα όργανα ή να ζητήσει μια μέτρηση με ένα φορητό όργανο, για να διαπιστωθεί ότι η ατμόσφαιρα είναι ασφαλής.

Το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί επίσης έναν πιθανό κίνδυνο σε υψόμετρο 350 km πάνω από την επιφάνεια της Γης – για τους αστροναύτες που βρίσκονται στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (International Space Station, ISS), μια συνεργασία μεταξύ του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (European Space Agency, ESA)^w5 και άλλων διεθνών συνεργατών.

Όταν οι άνθρωποι αναπνέουν, καταναλώνουν οξυγόνο και παράγουν διοξείδιο του άνθρακα. Ως αποτέλεσμα, σε κλειστό περιβάλλον, όπως στα υποβρύχια, τα αεροπλάνα και τον ISS, τα επίπεδα του οξυγόνου θα πέσουν και το διοξείδιο του άνθρακα θα συσσωρευτεί, θέτοντας σε κίνδυνο το πλήρωμα (όπως περιγράφεται στην ταινία Apollo 13). Τα επίπεδα και των δύο αερίων πρέπει να ρυθμίζονται.

Προς το παρόν, ο ISS χρησιμοποιεί μια ανοιχτή προσέγγιση: το διοξείδιο του άνθρακα παγιδεύεται με ειδικές παγίδες αερίων (πχ υδροξείδιο του λιθίου, LiOH, το οποίο ενώνεται με το CO₂ σχηματίζοντας ανθρακικό λίθιο και νερό), και φιάλες οξυγόνου μεταφέρονται από τη Γη. Στο μέλλον ο ISS θα χρησιμοποιεί ένα κλειστό σύστημα ανακύκλωσης: θα ανακτεί το O₂ από το CO₂, χρησιμοποιώντας είτε φυσικοχημικές τεχνικές (ουσιαστικά “κόβοντας” το οξυγόνο από τον άνθρακα) ή φύκη και άλλα φυτά (φωτοσύνθεση).

Το EFDA-JET και o ESA είναι μέλη του EIROforum^w6, του εκδότη του Science in School.

Ο πίδακας (geyser) CO₂

Η λέξη geyser (θερμοπίδακας) προέρχεται από την αρχαία σκανδιναβική λέξη geysa, που σημαίνει αναβλύζω. Πρωτοχρησιμοποιήθηκε για το Great Geysir, μια θερμή πηγή στην κοιλάδα Haukadalur, Ισλανδία, που εκτοξεύει βραστό νερό στον αέρα έως ύψος 70 m, αλλά τώρα ο όρος χρησιμοποιείται γενικότερα για πηγές με περιοδικές εκρήξεις νερού μορφής πίδακα. Όπως υπάρχουν πίδακες βραστού νερού, υπάρχουν ψυχροί πίδακες CO₂. Αναδυόμενο από τα βάθη της Γης, το αέριο συλλέγεται στον πυθμένα μιας υπόγειας δεξαμενής υδάτων και η πίεση αυξάνεται. Συνήθως εκτονώνεται με τη μορφή ενός συντριβανιού ψυχρού νερού. Ίσως υπάρχει κάποιο πιο κοντά στο σπίτι σας από ό,τι νομίζετε – για παράδειγμα στο Herl’any, στη Σλοβακία, ή στο Wallenborn και κοντά στο Andernach, στη Γερμανία.

Αν όχι, μπορείτε να φτιάξετε ένα μόνοι σας. Τοποθετήστε 200 ml νερού σε μία πλαστική φιάλη με πώμα που μπορεί να ανεβοκατεβαίνει (για παράδειγμα, μια φιάλη από υγρό απορρυπαντικό βλ. εικόνα παρακάτω), προσθέστε ένα γεμάτο κουταλάκι όξινου ανθρακικού νατρίου και ανακατέψτε καλά.

Προσθέστε περίπου 35 ml υγρού απορρυπαντικού και ανακινήστε καλά. Χρησιμοποιώντας ένα χωνί προσθέστε γρήγορα τρία γεμάτα κουταλάκια κρυσταλλικού κιτρικού οξέος. Πολύ γρήγορα, βιδώστε το κλειστό καπάκι στη φιάλη, ανακινήστε για λίγο και τραβήξτε το καπάκι προς τα πάνω για να το ανοίξετε.

Ένα συντριβάνι αφρού ψηλό έως 5 m θα εκτοξευθεί στον αέρα. Εναλλακτικά, μπορείτε να περιμένετε έως ότου το καπάκι ανοίξει μόνο του. Σε κάθε περίπτωση, μετά από λίγο, η πίεση θα μειωθεί και το συντριβάνι θα σταματήσει. Κλείστε τη φιάλη πιέζοντας το καπάκι προς τα κάτω. Μετά από 30 δευτερόλεπτα, η πίεση θα είναι πάλι αρκετά υψηλή για να ξεκινήσει ο πίδακας. Μπορείτε να το επαναλάβετε πολλές φορές.

Web References

• w1 – Για περισσότερες πληροφορίες για το Chemol (στα Γερμανικά), δείτε: www.chemol.uni-oldenburg.de
• w2 – Για να μάθετε περισσότερα για το Science on the Shelves, δείτε: www.york.ac.uk/res/sots
• w3 – Τα ακόλουθα υλικά υποστηρίζουν τις δραστηριότητες σε αυτό το άρθρο:

  • Βασικές πληροφορίες για το CO₂ (σε μορφή PDF ή Word^® format)

  • Αληθινές ιστορίες για τις θανατηφόρες συνέπειες του διοξειδίου του άνθρακα (σε μορφή PDF ή Word^®)

• w4 – Με έδρα το Culham, UK, το JET είναι η ευρωπαϊκή συσκευή σύντηξης. Την επιστημονική εκμετάλλευση του JET έχει αναλάβει η European Fusion Development Agreement (EFDA). Για να μάθετε περισσότερα, δείτε: www.jet.efda.org
• w5 – Ο ESA είναι η πύλη της Ευρώπης για το διάστημα και έχει τα κεντρικά της στο Παρίσι, Γαλλία. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε: www.esa.int
• w6 – Για να μάθετε περισσότερα για το EIROforum, δείτε: www.eiroforum.org

Resources

• Για παραλλαγές στους πυραύλους, δείτε:

  • de Vries T (2002) Vitamintabletten einmal anders. Chemkon 9(3): 144-146. doi: 10.1002/1521-3730(200207)9:3<144::AID-CKON144>3.0.CO;2-K

• Το πορτογαλικό πρόγραμμα Pollen έχει αναπτύξει ένα φυλλάδιο επιστημονικών εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων με τρόφιμα (The Fun-Flavoured Way to Learn Science), διαθέσιμο για κατέβασμα στα αγγλικά και στα πορτογαλικά. Δείτε: www.cienciaviva.pt/projectos/pollen
• Ο Νορβηγός χημικός Erik Fooladi προσφέρει μια σειρά πειραμάτων, όπου συγκρίνει τη χημεία της μαγειρικής σόδας, του όξινου ανθρακικού αμμωνίου και του baking powder στα Χριστουγεννιάτικα γλυκίσματα, στη σελίδα του με γαστρονομικές επιστημονικές δραστηριότητες (στα νορβηγικά). Δείτε: www.naturfag.no ή ακολουθήστε τον άμεσο σύνδεσμο: http://tinyurl.com/3spkkwm
• Για εκπαιδευτικές δραστηριότητες για την πρωτοβάθμια εκπαίδευση με το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο, στο θέμα της κλιματικής αλλαγής, δείτε:

  • Johnson S (2008) Planting ideas: climate-change activities for primary school. Science in School 10: 55-63. www.scienceinschool.org/2008/issue10/psiclimate

• Σε αυτό το τεύχος, θα βρείτε μια θετική προσέγγιση της κλιματικής αλλαγής – τι πραγματικά μπορούμε να κάνουμε για να τη σταματήσουμε:

  • Shallcross D, Harrison T (2011) Is climate change all gloom and doom? Introducing stabilisation wedges. Science in School 20: 60-64. www.scienceinschool.org/2011/issue20/wedges

Institutions

Author(s)

Η Dr Marlene Rau γεννήθηκε στη Γερμανία και μεγάλωσε στην Ισπανία. Αφού απέκτησε το Διδακτορικό της Δίπλωμα στην αναπτυξιακή βιολογία στο European Molecular Biology Laboratory στη Χαϊδελβέργη, Γερμανία, σπούδασε δημοσιογραφία και ασχολήθηκε με την επικοινωνία της επιστήμης. Από το 2008, είναι μία από τους εκδότες του Science in School.

Review

Αυτό το άρθρο προσφέρει απλούς τρόπους για να ξεδιαλύνει τα μυστήρια της επιστήμης. Βοηθάει τον καθένα να καταλάβει τα φυσικά φαινόμενα και γεγονότα, τόσο τα καθημερινά (αναπνοή) όσο και τα περιστασιακά (ηφαιστειακή δραστηριότητα). Μπορεί να εμπνεύσει την τάξη να αναπτύξει περαιτέρω πρακτικά πειράματα. Τόσο σε παγκόσμιο επίπεδο (κλιματική αλλαγή) όσο και σε πιο περιορισμένο (πειράματα), επιτρέπει στους μαθητές να συνειδητοποιήσουν ότι κίνδυνοι υπάρχουν και ότι είναι απαραίτητο να πάρουμε μέτρα για να τους αποφύγουμε.

Το άρθρο μπορεί να συνδυαστεί με πρόσφατα γεγονότα ή τοπικά φυσικά φαινόμενα όπως είναι οι εκρήξεις του Ισλανδικού ηφαιστείου ή οι γεωθερμικές δεξαμενές. Μπορεί επίσης να συμβάλει στην αφύπνιση της οικολογικής συνείδησης. Διαθεματικές συνδέσεις μπορούν να γίνουν μεταξύ περιβαλλοντικών και οικολογικών θεμάτων στη χημεία και στη φυσική, τη βιολογία (αναπνοή), τις γεωεπιστήμες, τα μαθηματικά (μέτρα και αναλογίες) και τη λογοτεχνία (οδηγίες και κανόνες).

Τα μικρότερα παιδιά θα λατρέψουν τα μπαλόνια και τους πίδακες. Θα συνιστούσα τις πιο εκρηκτικές δραστηριότητες για τους μεγαλύτερους μαθητές.

Maria João Lucena, Πορτογαλία

License

CC-BY-NC-SA