Gazowana zabawa: CO2 w nauczaniu podstawowym Teach article

Tłumaczenie Ola Jeglińska. Marlene Rau prezentuje gazowane ćwiczenia z użyciem dwutlenku węgla, stworzone przez Chemol i Science on the Shelves.

Introduction

Dwutlenek węgla (CO₂) jest nie tylko jednym z najważniejszych gazów cieplarnianych, lecz także znajduje się wszędzie wokół nas: w powietrzu (0.0388%), którym oddychamy; w powietrzu (4%), które wydychamy; w napojach gazowanych, w ciastach, które wyrastają dzięki dwutlenkowi węgla uwalnianemu przez proszek do pieczenia; oraz przy spalaniu takich związków organicznych jak parafina, papier, drewno i ropa naftowa. Używany jest w postaci płynnej w gaśnicach oraz jako środek zamrażający w przemyśle spożywczym (na przykład przy przechowywaniu i transporcie lodów).

Duże stężenia dwutleneku węgla mogą stanowić zagrożenie dla ludzi i zwierząt, będąc zarazem źródłem życia: podczas fotosyntezy rośliny potrzebują dwutlenku węgla i światła do produkcji cukrów, skrobii, tłuszczów i białek, a także tlenu, którego potrzebujemy, aby przeżyć.

Następujące ćwiczenia edukacyjne stworzone przez Chemol^w1 i Science on the Shelves^w2 (zobacz ramkę) są wprowadzeniem do nauki o tym ważnym gazie, przeznaczonym dla uczniów szkół podstawowych. Aby ćwiczenia były pouczające, w bibliografii zawarto więcej źródeł na tematy takie jak chemia, wykrywanie i występowanie dwutlenku węgla oraz jego fizjologiczne znaczenie^w3.

NB: ilości dwutlenku węgla wyprodukowanego podczas tych ćwiczeń nie są wystarczające, aby stanowić zagrożenie.

Gazowane balony

Gdy wrzucasz musującą tabletkę do szklanki z wodą, lub dodajesz do wody proszek do pieczenia powstają bąbelki: produkowany jest gaz. Możesz wykorzystać ten gaz do nadmuchania balonu. Jaki to gaz? Zbierzmy go i zbadajmy.

Materiały

• Balony
• Lejek
• Tabletki musujące (np. witamina C) lub proszek do pieczenia
• Przezroczysta butelka o objętości 500 ml
• Woda
• Zlewki albo kubki
• Świeczka do lampionów
• Zapałki
• Szczypce kuchenne (albo drewniany patyczek do szaszłyków)
• Woda wapienna: należy wymieszać łyżeczkę cementu lub zaprawy murarskiej w 250 ml wody. Odczekać aż na dnie pojawi się osad, następnie odsączyć za pomocą dwóch papierowych filtrów do kawy. Przefiltrowana woda to woda wapienna.
• Szeroka słomka

Sposób wykonania

Pierwsze sześć kroków jest wspólne dla wszystkich ćwiczeń – potem następują dwie opcje do wyboru.

1. Nadmuchaj balon, a następnie spuść z niego powietrze, żeby guma stała się bardziej elastyczna.
2. Za pomocą lejka przesyp jedną saszetkę (około 20 g) do nienadmuchanego balonu. Zamiast proszku do pieczenia możesz użyć pięciu pokruszonych tabletek musujących.
3. Napełnij butelkę tak, żeby woda sięgała 2-3 cm wysokości butelki.
4. Załóż balon na szyjkę butelki i przesyp znajdujący się w jego wnętrzu proszek do wody w butelce. Przytrzymaj balon osadzony na szyjce butelki, żeby się z niej nie zsunął.
5. Delikatnie potrząśnij butelką. Balon napełni się gazem wyprodukowanym przez musujący w wodzie proszek.

6. 

   Gdy balon przestanie napełniać się, zakręć jego koniec, żeby gaz nie uciekł i zdejmij balon z butelki.

A) Jaki to gaz?

7. Nalej trochę wody wapiennej do kubka albo zlewki.
8. Umieść słomkę w otworze balonu, następnie powoli i z uwagą uwolnij gaz z jego wnętrza tak, by zmieszał się z wodą wapienną. Woda wapienna stanie się mętna.

Ten sposób wykrycia dwutlenku węgla z użyciem wody wapiennej został odkryty przez chemika Josepha Blacka (1728 – 1799). Zarówno cement jak i zaprawa murarska zawierają wodorotlenek wapnia (Ca(OH)₂). Gdy dwutlenek węgla dodany jest do rozwodnionego Ca(OH)₂, wydzielają się maleńkie cząsteczki węglanu wapnia (CaCO₃) powodując, że woda wapienna mętnieje.

Skąd wziął się dwutlenek węgla? Zarówno proszek do pieczenia, jak i tabletki musujące zawierają sodę oczyszczoną czyli wodorowęglan sodu (NaHCO₃) oraz kwas krystaliczny (taki jak kwas cytrynowy). W zetknięciu z wodą, soda oczyszczona wchodzi w reakcję z kwasem powodując powstanie wody i dwutlenku węgla. Gaz ten powoduje formowanie się bąbelków po rozpuszczeniu tabletki musującej; powoduje on też, że ciasto wyrasta.

B) Gaz jest ciężki

7. Przytrzymaj szyjkę balonu we wnętrzu kubka lub zlewki i wypuść gaz. Nic nie widać, ale można sprawdzić czy zaszła jakaś reakcja. Odstaw kubek na bok.
8. Zapal świeczkę i za pomocą szczypców kuchennych umieść ją w innym – pustym – kubku lub zlewce (możesz też użyć patyczka do szaszłyków – wbij go w świeczkę i w ten sposób przenieś ją do wnętrza kubka). Świeczka powinna cały czas się palić.
9. Następnie przenieś świeczkę do pierwszego kubka, który zawiera gaz wypuszczony z balonu. Co się dzieje?

Świeczka powinna zgasnąć ponieważ gaz (CO₂) stłumi jej płomień.

10. Powtórz kroki 1-7 aby uzyskać więcej gazu CO₂ Przy użyciu naczyń, które nie zostały użyte w poprzednim eksperymencie, „przelej” niewidoczną zawartość balonu z jednego do drugiego kubka. Umieść zapaloną świeczkę we wnętrzu drugiego kubka. Co się dzieje?

Tak jak poprzednio świeczka gaśnie, co dowodzi, że gaz przelany został z jednego kubka do drugiego, tak jakby był cieczą. Świadczy to, że dwutlenek węgla jest cięższy niż powietrze.

Napój gazowany albo oranżada w proszku własnej roboty

Wymieszaj 3 łyżki sody oczyszczonej i 1 łyżkę spożywczego kwasu cytrynowego. Aby nadać mieszaninie lepszy smak dodaj 2-4 łyżki cukru pudru, albo 1 łyżkę proszku do galaretki i 1 łyżkę cukru. Oranżada w proszku jest gotowa.

Kryształy kwasu cytrynowego rozpuszczają się na języku i wchodzą w reakcję z sodą oczyszczoną. Powstają bąbelki gazu, który powoduje musowanie odczuwane na języku. Aby zrobić napój musujący, należy wymieszać proszek w szklance wody.

Musujące eksplozje

Rakiety i materiały wybuchowe działają na zasadzie emisji dużych ilości gazu w krótkim czasie. Możesz stworzyć własną rakietę za pomocą kwasu cytrynowego i proszku do pieczenia lub tabletek musujących.

Musująca armata

Materiały

• Pusta tubka z nakrywką po tabletkach musujących albo plastikowe opakowanie po rolce z filmem do aparatu; to będzie armata
• Tabletka musująca albo proszek do pieczenia i kwas cytrynowy
• Woda
• Przezroczysta plastikowa tuba lub pojemnik, w którym „armata” może stać prosto; to będzie platforma startowa rakiety

Sposób wykonania

1. Nalej około 2 cm wody do tubki lub opakowania po filmie, dodaj tabletkę musującą albo wymieszaj okolo ¼ łyżeczki sody oczyszczonej i kwasu cytrusowego i dodaj kilka kropli wody.
2. Szybko zatkaj tubkę nakrywką, umieść armatę na platformie startowej i obserwuj z odległości co najmniej 1-2 metrów.

Kiedy kwas cytrynowy i soda oczyszczona rozpuszczą się w wodzie, zachodzi między nimi reakcja, której produktem jest dwutlenek węgla. Tabletki musujące zawierają oba składniki (sodę oczyszczoną i kwas), między którymi zajdzie reakcja po dodaniu do wody. Otrzymany gaz zacznie rozpierać ścianki i nakrywkę armaty. W momencie gdy ciśnienie osiągnie siłę większą niż najsłabszy punkt pojemnika (nakrywka), armata efektownie wystrzeli wysyłając nakrywkę nawet 5 metrów w górę i wypuszczając gaz.

3. Ponownie zatkaj pojemnik nakrywką i powtórz eksperyment.

Zmierz czas między startem a wybuchem armaty, a następnie eksperymentuj z ilościami: na przykład postaraj się, żeby wybuch armaty nastąpił dokładnie po 1 minucie.

Dwutlenek węgla w pracy – na Ziemi i w kosmosie

Dwutlenek węgla może być niebezpieczny jeśli zgromadzi się w wystarczająco wysokim stężeniu. Aby monitorować ten i inne niebezpieczne gazy w miejscu pracy, EFDA-JET^w4 stosuje różne urządzenia – zarówno instalowane w budynkach, jak i przenośne – wykrywające gazy, które obniżają stężenie tlenu i mogą prowadzić do uduszenia. Monitorowane gazy to nie tylko dwutlenek węgla, lecz także azot (stosowany przy gaszeniu pożarów), heksafluorek siarki (SF₆, gaz o własnościach izolacyjnych) oraz opary chłodziw takich jak Galden^®. Przed rozpoczęciem pracy w obszarach zagrożonych tymi gazami pracownicy muszą sprawdzić zainstalowane urządzenia monitorujące lub zrobić pomiar za pomocą urządzenia przenośnego.

Dwutlenek węgla może być groźny także 350 km ponad powierzchnią Ziemi – dla astronautów na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS – International Space Station), wspólnego projektu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA – European Space Agency^w5 i innych partnerów międzynarodowych.

Gdy istoty ludzkie oddychają, wdychają tlen i wydychają dwutlenek węgla. W rezultacie, jeśli przebywają na zamkniętych obszarach takich jak statki podwodne, samoloty czy stacje kosmiczne, poziom tlenu spada, a dwutleneku węgla rośnie, stając się źródłem zagrożenia dla załogi (tak jak w filmie Apollo 13).

W chwili obecnej ISS stosuje metodę „otwartą”: zamykając dwutlenek węgla w specjalnych pojemnikach (zawierają one na przykład wodorotlenek litu (LiOH), który reaguje z dwutlenkiem węgla, dając węglan litu i wodę) i transportując pojemniki z tlenem z Ziemi. W przyszłości ISS stosować będzie zamkniętą metodę „zamkniętą”, opartą na recyklingu: odzyskując tlen z dwutlenku węgla poprzez zastosowanie techniki z pogranicza fizyki i chemii (w zasadzie „odcinając” tlen od węgla) albo przy użyciu alg i innych roślin (fotosynteza).

EFDA-JET i ESA są członkami EIROforum^w6, wydawcy Science in School.

Gejzer z CO₂

„Gejzer” pochodzi od staronordyjskiego słowa geysa znaczącego „tryskać”. Użyte było po raz pierwszy w nazwie gejzeru Geysir – gorącego źródła w dolinie Haukadalur, w Islandii, które wyrzucało wodę na wysokość niemal 70 metrów. Obecnie termin stosowany jest bardziej ogólnie do opisu źródeł sporadycznie wyrzucających słupy wody. Oprócz gejzerów zasilanych gorącą wodą istnieją też zimne gejzery, zasilane dwutlenkiem węgla. Wyrastający z głębin Ziemi gaz gromadzi się na dnie podziemnych zbiorników wodnych, a jego ciśnienie rośnie. Gaz jest regularnie uwalniany przybierając postać fontanny zimnej wody. Tego typu gejzer może znajdować się bliżej, niż mogłoby się wydawać – na przykład w Herl’any na Słowacji albo w Walleborn oraz w okolicach Andernach, w Niemczech.

W przeciwnym razie możesz samodzielnie stworzyć mały gejzer przy użyciu plastikowej butelki po płynie do mycia naczyń (z ruchomą zatyczką, zobacz obraz poniżej). Do pustej butelki wlej 200 ml wody. Dodaj czubatą łyżeczkę sody oczyszczonej i wstrząśnij.

Następnie dodaj około 35 ml płynu do mycia naczyń, ponownie wstrząśnij. Przy użyciu lejka szybko dodaj trzy czubate łyżeczki kwasu cytrynowego. Bardzo szybko zatkaj butelkę, wstrząśnij i pociągnij zatyczkę, żeby ją otworzyć.

Fontanna z piany siegająca nawet 5 metrów wysokości wystrzeli w powietrze. Możesz też poczekać, aż zakrętka sama się otworzy. Tak czy inaczej, po chwili ciśnienie uwolni się, a fontanna przestanie tryskać. Zamknij butelkę; po około 30 sekundach ciśnienie znów będzie wystarczająco wysokie, żeby ponownie uruchomić gejzer. Eksperyment można powtórzyć kilka razy.

Web References

• w1 – Więcej o Chemol (w języku niemieckim): www.chemol.uni-oldenburg.de
• w2 – Więcej o Science on the Shelves: www.york.ac.uk/res/sots
• w3 – Następujące materiały mogą być użyteczne przy wykonywaniu ćwiczeń opisanych w artykule:

  • Informacje podstawowe o dwutlenku węgla (w formacie PDF lub Word^®)

  • Prawdziwe historie o tragicznych efektach dwutlenku węgla (w formacie PDF lub Word^®)

• w4 – SPołożony w Culham, w Wielkiej Brytanii, JET jest europejskim reaktorem syntezy termojądrowej. Badania naukowe przy użyciu JET prowadzone są przez Europejskie Porozumienie o Rozwoju Termojądrowym (EFDA – European Fusion Development Agreement). Aby uzyskać więcej informacji, zobacz: www.jet.efda.org
• w5 – ESA jest europejską bramą w przestrzeń kosmiczną z siedzibą główną w Paryżu, we Francji. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz: www.esa.int
• w6 – Więcej o EIROforum: www.eiroforum.org

Resources

• O różnych odmianach musujących rakiet:

  • 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

• Portugalski project Pollen udostępnił zestaw ćwiczeń edukacyjnych z użyciem produktów spożywczych, które można ściągnąć w językach angielskim i portugalskim. Zobacz: www.cienciaviva.pt/projectos/pollen
• Na stronie zawierającej gastronomiczne ćwiczenia naukowe Norweski chemik Erik Fooladi oferuje zestaw eksperymentów porównujących działanie proszku do pieczenia, „amoniaku do pieczenia” i sody oczyszczonej przy pieczeniu pierników (w języku norweskim). Zobacz: www.naturfag.no lub : http://tinyurl.com/3spkkwm
• Ćwiczenia dla uczniów szkół podstawowych dotyczące dwutlenku węgla i tlenu poruszające temat ocieplenia klimatu:

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

• W tym numerze Science in School publikujemy pozytywne artykuły na temat ocieplenia klimatu – w jaki sposób można mu realistycznie zapobiegać.

  • 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)

Dr Marlene Rau urodziła się w Niemczech i wychowała w Hiszpanii. Po uzyskaniu doktoratu z biologii rozwoju w Laboratorium Biologii Molekularnej (Molecular Biology Laboratory) w Heidelberg, w Niemczech, studiowała dziennikarstwo i zajęła się komunikacją naukową. Od 2008 roku pracuje jako członek zespołu redakcyjnego Science in School.

Review

Artykuł ten prezentuje proste sposoby na odkrycie tajemnic nauki. Umożliwia lepsze zrozumienie zjawisk naturalnych i kryjących się za nimi faktów, tak codziennych czynności (jak oddychanie), jak i sporadycznych (erupcje wulkanówa). Może zainspirować on uczniów do dalszych eksperymentów. Zarówno na skali globalnej (ocieplenie klimatu), jak i znacznie mniejszej (eksperymenty) artykuł unaocznia uczniom istniejące zagrożenia oraz konieczność zapobiegania im.

Artykuł nawiązuje do współczesnych wydarzeń i lokalnych zjawisk naturalnych takich jak wybuch wulkanu w Islandii lub źródeł geotermalnych. Może przyczynić się też do wzbudzenia szacunku dla przyrody. Poruszając problemy ekologiczne i środowiskowe, nawiązuje do różnych dziedzin: chemii i fizyki, biologii (oddychanie), geologii, matematyki (pomiary i proporcje) oraz alfabetyzmu (rozumienie instrukcji i reguł).

Młodszym dzieciom spodobają się musujące balony i gejzery; ćwieczenia z wybuchami nadają się dla starszych uczniów.

Maria João Lucena, Portugalia

License

CC-BY-NC-SA