Supporting materials
Κατασκευή ηλεκτρολυτικής συσκευής σε μικροκλίμακα (PDF)
Download
Download this article as a PDF
Enhance your students’ knowledge of electrolysis using quick, safe, and easy microscale chemistry techniques.
Η ηλεκτρόλυση είναι μια βασική διεργασία για την παραγωγή δραστικών μετάλλων, όπως είναι το αλουμίνιο, λίθιο και μαγνήσιο. Για παράδειγμα, η ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος χλωριούχου νατρίου είναι η διεργασία χλωραλκαλίων, κατά την οποία παράγονται χλώριο και υπεροξείδιου του νατρίου, χρήσιμα για την καταπολέμηση ιών και βακτηρίων.
Οι τεχνικές μικροκλίμακας είναι πολύ χρήσιμες για τη διδασκαλία της αγωγιμότητας και της ηλεκτρόλυσης, λόγω της ταχύτητας στην οποία οι μαθητές μπορούν να δουλέψουν, καθώς και την ευκαιρία που δίνεται στους δασκάλους να αντιμετωπίσουν τις παρανοήσεις τους στην κατανόηση που προκύπτουν .
Ο μετρητής αγωγιμότητας είναι μια απλή συσκευή, η οποία επιτρέπει στους μαθητές να διερευνήσουν την αγωγιμότητα από ένα εύρος στερεών υλικών (όπως χαλκός και γυαλί) και ενώσεων σε διαφορετικές καταστάσεις(όπως στερεό χλωριούχο νάτριο καιδιάλυμα χλωριούχου νατρίου). Αυτή η συσκευή, η οποία είναι μια παραλλαγήτης αντίστοιχης GL16609(1) από CLEAPSS, αρχικά κατασκευασμένη από τον Matthias Ducci από το Pädagogische Hochschule Καρλσρούης. Η προετοιμασία της συσκευής μπορεί να γίνει είτε από το δάσκαλο είτε από τον τεχνικό, μολονότι και οι μαθητές μπορούν να τη στήσουν ως μέρος της δραστηριότητας στην τάξη ή σε ομίλους φυσικών επιστημών (science clubs)μέσα σε 30 min.
Ολόκληρο το στήσιμο της διεργασίας μπορεί να το δεί κανείς στο βίντεο:
Εάν βάλετε μαύρη κάρτα/χαρτί πίσω από τη λυχνία LED, θα μπορέσετε να δείτε καλύτερα το φώς.
Οι ράβδοι ανθρακονημάτων (διαμέτρου 2 mm) μπορούν εύκολα να προμηθευτούν από το διαδίκτυο (και συνήθως φθηνότερα σε σχέση με ράβδους γραφίτη) . Συνήθως χρησιμοποιούνται για το σκελετό αετών και μοντέλων αεροπλάνων, καθώς είναι εξαιρετικά ισχυροί και χρειάζεται κόφτης για να τους κόψει .
Μέταλλα και κράματα, όπως χαλκός, σίδηρος (συνδετήρες), σύρματα ψευδαργύρου, αλουμινίου και νικρομίου θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρόδια, ωστόσο τα προιόντα ηλεκτρόλυσης μπορεί να διαφέρουν. Για παράδειγμα, διάλυμα θειικού χαλκού με ηλεκτρόδια από χαλκό παράγουν χαλκό στα αρνητικά ηλεκτρόδια. Στην περίπτωση που χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια από άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα παράγεται στο θετικό ηλεκτρόδιο. Στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, εναποτίθεται χαλκός και αέριο υδρογόνου εμφανίζεται, καθώς η συγκέντρωση των ιόντων χαλκού μειώνεται.
Η αγωγιμότητα των διαλυμάτων επιτρέπει συζητήσεις με τους μαθητές για θέματα, όπως η παρουσία ιόντων σε διαλύματα, την παραγωγή χρήσιμων χημικών, και την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Η παρούσα δραστηριότητα διδάσκει τους μαθητές ότι πρέπει να υπάρχουν ιόντα στο διάλυμα για να μπορεί το διάλυμα να άγει το ρεύμα. Διευκρινίζει σημαντικές έννοιες σχετικές με την ατομική δομή, το σχηματισμό ιόντων, καθώς και τον ιοντικό και ομοιοπολικό δεσμό.
Συζητήστε τις παρακάτω ερωτήσεις με τους μαθητές:
Όταν κρύσταλλοι χλωριούχου νατρίου διαλύονται σε μια σταγόνα νερού, τα ιόντα είναι ελεύθερα να κινηθούν και να διαχυθούν μέσα στο υγρό. Όταν, τα ιόντα συναντούν τα ηλεκτρόδια, το κύκλωμα κλείνειόπως φαίνεται και από την αναμμένηλυχνίαLED. Επομένως, ο μετρητής αγωγιμότητας ανιχνεύει την παρουσία ιόντων στο διάλυμα. Το νερό βρύσης περιέχει μια μικρή ποσότητα ιόντων, η οποία θα προκαλέσει το άναμα της λυχνίας LED, σε αντίθεση με το απεσταγμένο νερό. Η άσπρη ζάχαρη αποτελείται από σουκρόζη, η οποία ως ομοιοπολική μοριακή ένωση δεν παράγει ιόντα κατά τη διάλυση της στο νερό, με αποτελέσμα η λυχνία LED να μην φωτίζεται έντονα. Η μαλακή καφέ ζάχαρη (μολάσσα) περιέχει ακαθαρσίες, οι οποίες θα παράγουν ιόντα στο νερό, με αποτέλεσμα η λυχνία LED να φωτίζεται πιο έντονα. Σε μερικές περιπτώσεις, η καφέ ζάχαρη μπορεί να μην δίνει κανένα σήμα, πράγμα που σημαίνει ότι μάλλον η ζάχαρη έχει κάποια πρόσθετη χρωστική.
Αν και αυτό το μέρος της συσκευής είναι γνωστό ως μετρητής αγωγιμότητας, μπορεί να θεωρηθεί και ως ανιχνευτής μετρητής ιόντων. Κάθε διάλυμα το οποίο περιέχει ιόντα μπορεί να άγει ηλεκτρισμό, επομένως δεν θα ήταν καλή ιδέα να κολυμπήσει κανείς στη θάλασσα κατά τη διάρκεια καταιγίδας ή η χρήση μιας ηλεκτρικής συσκευής στο μπάνιο.
Τοποθετείστε μερικούς κρυστάλλους υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4) στην άκρη μιας σταγόνας από απεσταγμένο νερό.
Προσοχή: το υπερμαγγανικό κάλιο είναι επικίνδυνα οξειδωτικός παράγοντας.
Τοποθετείστε τα ηλεκτρόδια μέσα στη σταγόνα, καθώς το μώβ χρώμα διαχέεται, και παρατηρείστε. Το μώβ χρώμα κινείται από το θετικό ηλεκτρόδιο λόγω του αρνητικού φορτίου των ιόντων MnO4−. Αυτό μπορεί να γίνει και με κρυστάλλους θειικού χαλκού σε μια σταγόνα αμμωνίας συγκέντρωσης 2Μ: ο χαλκός θα εμφανιστεί στο θετικό ηλεκτρόδιο. Άλλα άλατα μπορούν επίσης να εφαρμοστούν.
Εναλλακτικά, προσθέστε έναν universal δείκτη σε μια σταγόνα από νερό και τοποθετείστε τα ηλεκτρόδια. Κρατείστε τα ακίνητα για ένα λεπτό και στη συνέχεια αφαιρέστε τα προσεκτικά. Μια πορτοκαλοκόκκινη όξινη περιοχή θα σχηματιστεί γύρω από το θετικό ηλεκτρόδιο, ενώ γύρω από το αρνητικό ηλεκτρόδιο θα σχηματιστεί μια μπλέ-μώβ αλκαλική περιοχή . Αυτό οφείλεται λόγω της ηλεκτρόλυσης στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων.
Το θέμα της ασφάλειας είναι σημαντικό όταν άλατα χλωρίουχου χαλκού ηλεκτρολύονται δίνοντας χλώριο. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, είχαν παρατηρηθεί περιστατικά όπου μαθητές πήγαν στο νοσοκομείο με αναπνευστικά προβλήματα λόγω της τοξικής φύσεως του χλωρίου ως προιόν ηλεκτρόλυσης. Η χρήση τριβλίου Petri στη συσκευή μπορεί να μειώσει τον παραγόμενο όγκο χλωρίου σε 6 cm3, το οποίο είναι αρκετό για αντιδράσεις λεύκανσης και οξείδωσης. Πλήρεις οδηγίες για την κατασκευή ηλεκτρολυτικής συσκευής σε μικροκλίμακα (microscale electrolysis apparatus) δίνονται στο συμπληρωματικό υλικό.
Όταν ηλεκτρολύεται χλωρίουχος χαλκός (ΙΙ), παρατηρείται σχηματισμός χαλκούστο αρνητικό ηλεκτρόδιο, και φυσαλίδες χλωρίου στο θετικό ηλεκτρόδιο που μπορούμε ελαφρά να το οσφρηθούμε.
Η ηλεκτρόλυση είναι μια έννοια δύσκολη, η οποία δεν είναι ξεκάθαρη όπως πιθανόν τα βιβλία μπορεί να σε κάνουν να νομίσεις, και απλοποιήσεις μπορεί να αποκρύψουν αυτό που συμβαίνει. Παρακάτω είναι κάποια σημεία που χρήζουν προσοχής, όταν γίνονται πειράματα ηλεκτρόλυσης με μαθητές:
1. Στην οξειδοαναγωγική αντίδραση της ηλεκτρόλυσης, δεν συμμετέχει μόνο το αλάτι, αλλά μπορεί να συμμετέχει και ο διαλύτης.
2. Τα ηλεκτρόδια άθρακα, ιδιαίτερα το θετικό ηλεκτρόδιο, μπορεί να συμμετάσχουν στις αντιδράσεις, σε αντίθεση με τα αδρανή ηλεκτρόδια λευκόχρυσου.
3. Συχνά μίγμα προιόντων μπορεί να σχηματίζονται σε κάθε ηλεκτρόδιο λόγω ανταγωνιστικών αντιδράσεων.
4. Τα προιόντα εξαρτώνται συνήθως από τη συγκέντρωση άλατος στο διαλύτη.
[1] Andre C (2016) Chemie? Aber sicher! Experimente kennen und können! Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung (ALP), Dillingen. https://www.deutsche-digitale-bibliothek.de/item/IWYNTP6YBCLOMKKRJBVUFEALZ2DRJMQO
[2] Worley B, Paterson D (2021) Understanding chemistry through microscale practical work p 70. Association for Science Education. ISBN: 9780863574788
Στο Wellington College, οι μαθητές χρησιμοποιούν χημεία μικροκλίμακας στα πλαίσια του IB μαθήματος, και αυτό είναι ένα παράδειγμα που προσφέρεται για την δημιουργία νέων πεδίων έρευνας με τη δημιουργία του μετρητή αγωγιμότητας σε μικροκλίμακα. Δεν είμαι έκπληκτη που βλέπω τον Bob Worley ώς έναν από τους συγγραφείς, και απο τη δική μου οπτική γωνία ο Bob Worley είναι ο νονός της χημείας μικροκλίμακας, ο οποίος έχει κυρίαρχη επίδραση στα σχολικά πειράματα και είχε μεγάλη συμβολή στην προσβασιμότητα των πειραμάτων σε μεγάλο ποσοστό σχολείων. Το περιεχόμενο του άρθρου επιτρέπει στους δασκάλους και στους μαθητές να είναι δημιουργικοί, να προκαλούν την κατανόηση τους σχετικά με ιόντα/δεσμούς ενώ παράλληλα αποσαφηνίζουν τυχόν παρανοήσεις που υπάρχουν στα πεδία της ηλεκτρόλυσης/δεσμών . Ατέλειωτες συζητήσεις σχετικά με τέτοια πειράματα μπορεί να προκύψουν συμπεριλαμβανομένου από το “τί είναι η ηλεκτρόλυση¨ ώς τη χημεία πίσω από το μαγγάνιο. Είμαι ενθουσιασμένη να βάλω αυτά τα πειράματα στην επόμενη ακαδημαική χρονιά εκτιμώντας τη λεπτομερέστατη δουλειά των συγγραφέων που παρέχουν για να το κάνουν εφικτό.
Caroline Evans, Head of Chemistry, Wellington College, Ηνωμένο Βασίλειο
Κατασκευή ηλεκτρολυτικής συσκευής σε μικροκλίμακα (PDF)
Download this article as a PDF