Загадка магічного піску Teach article
Переклад Валентини Дубовик. Використання звичайної іграшки може привнести загадку до класної кімнати та допомогу в поясненні хімії.
як іграшка
Зображення надане Johanna
Dittmar
Як побудувати пісчаний замок, якщо пісок неможливо намочити? Під час даного виду діяльності, учні віком від 12 до 16 років проводять 2-3 години досліджуючи добре відому забаву, магічний пісок, аби зрозуміти його хімічні властивості. Дане завдання допоможе учням дослідити гідрофобність та поверхневу хімію за допомогою п’яти кроків навчання: візьми участь, досліди, поясни, деталізуй та оціни.
Що ж таке магічний пісок?
Магічний пісок (також, гідрофобний пісок) зазвичай використовується як трюк, який купують в іграшкових чи інтернет магазинах (малюнок 1). Хоча вчителі хімії вже багато років знають про нього та його наукове підгрунтя, що також має цілий спектр широких застосувань.
аби мінімізувати контакт із
магічним піском
Зображення надане Steve
Jurvetson; джерело малюнку
Wikimedia Commons
На відміну від звичайного піску, магічний пісок має гідрофобну поверхню, що відштовхує воду та недає йому намокнути. Замість звичайного піску, магічний пісок згруповується під водою та поводить себе по іншому. Незважаючи на те, що він часто продається як іграшка, гідрофобний пісок також використовують у промисловості, як герметизацію від води (наприклад, при закладці фундаменту) або для усунення масляних домішок чи невеликих виливів. Інше цікаве використання магічного піску можна знайти в зоомагазинах під назвою Набір для Кота (Kit4Cat). Даний продукт використовують для збирання котячої сечі в медичних цілях, у спосіб, що є менш стресовим ніж використання катетеру. Численні відео щодо магічного піску можна знайти на Youtubew1.
Одним із способів створення магічного піску є обробка звичайного піску парою триметилсиланолу ((CH3)3SiOH). Триметилсиланол утворює ковалентні зв’язки із гідроксильними групами (-ОН) на поверхні молекул піску, замінюючи таким чином гідрофільні –ОН групи на гідрофобні силоксанові.
поверхня звичайного піску
Зображення надане Ingo Eilks
Іншим методом є покриття часточок звичайного піску надзвичайно тонкими шарами гідрофобного матеріалу, такими як віск, смола, бітумен (асфальт) чи пластик. В результаті даного способу гідрофобне покриття формує міжмолекулярні зв’язки (не ковалентні) і тому є менш стійким до дії гідрофобних розчинників (таких як ацетон). Даний метод є більш економним та у випадку, якщо ви не можете знайти де б купити магічний пісок, його завжди можна зробити власноручно використавши звичайний пісок та водовідштовхувальний спрей.
Загадка магічного піску
В рамках науково-освітницького проекту TEMI (Навчальний розгляд Питань із Включенням Історій) була створена історія, що спрямована на привертання уваги та інтересу учнів. Дана історія має особистісний контекст, що й робить навчання більш змістовним. Команда ТЕМІ в Ізраїлі запропонувала історію Джеймса (дивитись Історія Джеймса).
Матеріали
Для кожного учня чи групи учнів необхідно:
- Одна столова ложка (15 мл) звичайного піску
- Одна столова ложка (15 мл) магічного піску
- 50 мл води
- Дві склянки по 100 мл
- Дві піпетки
На прохання учнів можна також використати різні розчинники, такі як ацетон, етанол, гексан чи рідке мило.
Техніка безпеки
деякі з розчинників є легкозаймистими, тому працювати з ними потрібно відповідно до місцевих правил техніки безпеки. Дивіться також загальні правила безпеки від Science in School.
Послідовність дій
- Ознайомте учнів із загадкою магічного піску розповівши історію Джеймса (дивитись Історія Джеймса). Це фаза «привертання уваги та інтересу».
- Дайте учням зразки звичайного та магічного піску, кожен у різній скланці на 100 мл.
- Забезпечте учнів водою та піпетками. Попросіть їх намочити пісок та побудувати з обох зразків пісчані замки. Як альтернативу, вчитель може сам продемонструвати поведінку магічного піску, як показано тутw1.
- Завдяки історії Джеймса учні почнуть порівнювати магічний пісок зі звичайним. Під час даної фази «дослідження» (більше інформації про фази навчання дивіться в інформаційному параграфі) учні вивчають поведінку магічного піску використовуючи воду та інші рідини, розвиваючи таким чином відчуття різниці між гідрофільними та гідрофобними речовинами.
- Забезпечте доступ учнів і до інших рідин запропонованих вище, щоб вони змогли побачити взаємодію двох видів піску із ними.
Історія Джеймса
Rochon; джерело малюнку:
Wikimedia Commons
Джеймс вже дорослий чоловік, але ще з дитячого садку він обожнює будувати пісчані замки. Протягом років, вони стали більшими, деталізованішими та вдосконаленішими, з казковими фігурами, тваринами та будівлями. Джеймс навіть став чемпіоном по будуванню пісчаних замків. Але одного дня він прийняв участь у змаганні, що було трохи іншим. На узбережжі йому призначили невеличкий клаптик піску, з яким він міг працювати. Набравши відро води та виливши його на пісок, відбулось щось надзвичайно дивне. Пісок зовсім не мочився. То як же можна побудувати пісчаний замок, якщо пісок залишається сухим?
Джеймс був впевненим, що програє змагання, але в кінці кінців, йому вдалось побудувати пісчаний замок.
Тепер ваша черга. Джеймс дав мені зразок того піску, який я тепер даю вам. Як ви вважаєте, яким чином йому вдалось побудувати пісчаний замок? І чи зможете це зробити ви?
Що ж відбувається?
Під час фази «поясни», допоможіть учням розібратись у міжмолекулярних взаємодіях. Особливу увагу приділіть водневим зв’язкам. Звичайний пісок здатний формувати такі зв’язки, так як його поверхня є полярною (дивитись малюнок 2). Таким чином вода утворює зв’язки між частинками піску, що й тримає їх разом.
Але магічний пісок інший. Поверхня його частинок є гідрофобною (аполярною), тому водневі зв’язки між гранулами піску та молекулами води утворитись не можуть. Хоча пісок і відштовхує воду, його все ж можна «намочити» неполярними рідинами, такими як рослинна олія, яка формує ван-дер-Ваальсові взаємодії з поверхнею магічного піску.
Ідеї щодо подальшої роботи
Під час фази «поглиблення» учні можуть знайти оптимальні способи будування пісчаного замку. Вони можуть задавати питання та проектувати свої власні експерименти, щоб потім дати на них відповіді. Наприклад, який розчинник найкраще використовувати та в якому співвідношенні? Вони також можуть дослідити промислове використання гідрофобного піску, що було коротко згадано на початку статті. Учні потім можуть написати звіт про магічний пісок, його хімічні властивості та використання, або створити корисну інструкцію щодо застосувань магічного піску.
Проект ТЕМІ (Навчальний розгляд Питань із Включенням Історій)
Дана активність була створена як частина проектів Навчальний розгляд Питань із Включенням Історій (ТЕМІ (the Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated)), та Науково-освітницький Розгляд Питань (IBSE (an inquiry-based science-education)) фінансований Великобританією при 7-ій Формувальній Програмі (the 7th Framework Programme) від 2013-2016 років. ТЕМІ забезпечує вчителів всіма необхідними матеріалами для викладання IBSE використовуючи неочікувані та дивуючі явища, та запроваджуючи новаторську модель навчання.
IBSE зосереджується на допитливісті учнів, як головній рушійній силі навчання. Процес викладання побудований навколо питань та проблем, що задаються учнями. Тому процес навчання більше відбувається через науковий досвід, аніж через просту передачу вчителем наукових знань.
Вирішення проблем при ТЕМІ основане на 5Е моделі навчання, яка розділяє даний процес на п’ять фаз: візьми участь (engage), досліди (explore), поясни (explain), деталізуй (extend) та оціни (evaluate). Дана модель була запропонована в Америці у 1980х роках, та з того часу вплинула на наукове викладання в багатьох країнах (Bybee et al, 2006).
Більш детальну інформацію щодо цих аспектів, інструкцій та прикладів можна знайти на офіційній сторінці проектуw2. Їхня інтернет-сторінка також містить інструкції по плануванню занять, відео різних загадкових явищ, та додаток на телефон для незалежного вивчення надзвичайних наукових явищ.
References
- Bybee RW, Taylor JA, Gardner A et al (2006) The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO, USA: Biological Sciences Curriculum Study
Web References
- w1 – подивитись відео про Загадку Магічного Піску від Рен Перега (Ran Peleg) можна на сайті Youtube.
- w2 – інші джерела можна знайти на офіційній сторінці проекту ТЕМІ (доступний на кількох мовах).
Resources
- Інші ідеї щодо використання магічного піску дивіться тут:
- Anonymous (2000) Magic sand. Journal of Chemical Education 77: 40A. doi: 10.1021/ed077p40A
- Goldsmith RH (2000) Illustrating the properties of magic sand. Journal of Chemical Education 77: 41. doi: 10.1021/ed077p41
- Vitz E (1990) Magic sand: modeling the hydrophobic effect and reversed-phase liquid chromatography. Journal of Chemical Education 67: 512–515. doi: 10.1021/ed067p512
Review
Робота від Рен Пелега (Ran Peleg) та його колег описує статтю від проекту ТЕМІ, що має за мету викладання науки з використанням підходу IBSE, де все починається з маленьких загадок, таємниць чи міфів. Запропонований метод є не лише дружнім та спонукачим, але й таким, що ефективно скеровує учнів через весь процес навчання, де вони можуть досліджувати методологію подібну до справжніх наукових експериментів. Більше того, обговорені теми (такі як хімічні зв’язки, властивості молекул води, та органічна хімія), що зазвичай сприймаються учнями як складні та не цікаві, тепер сприймаються як частина загадки магічного піску.
Саме тому, дана стаття є рекомедованою для вчителів, що шукають натхненний спосіб викладання органічної хімії учням віком від 14 до 18 років. Інші цінні матеріали від проекту ТЕМІ можна також знайти через інтернет. Таким чином, дана активність стимулюватиме вчителів подавати науковий матеріал у вигляді цікавих історій.
Giulia Realdon, Італія