Mikrokémia: iskolai kísérletek

Az ipari folyamatokkal összehasonlítva minden iskolai kísérletnél kis mennyiségű anyagot használunk fel – 50 ml itt, 1 g ott. Az utóbbi három évben mégis bevezettük az iskolánkban a mikrokémiai kísérleteket – minden reagensből csupán egy-két csöppet használunk fel.

Sok előnye van ennek a módszernek. Ha kevés anyagot használunk fel, azzal csökkentjük a kísérletek elvégzéséhez szükséges időt, pénzt és a veszteség mennyiségét, ezáltal fejlesztjük a tanulókban a környezeti tudatosságot. Bár ezeknél a kísérleteknél is be kell tartani a szükséges biztonsági szabályokat, azonban a kis vegyszermennyiségek esetében eleve kisebb a kockázat – és a tanulók is könnyebben dolgoznak kis mennyiségű vegyszerrel. Nincs szükség a szokásos laboratóriumi üvegeszközökre, a háztartásban is megtalálható egyszerű anyagokkal, például rágógumi csomagolással is végrehajthatók a kísérletek. Ezek olcsók, többször használhatók és kis helyen lehet őket tárolni.

A továbbiakban közöljük néhány olyan mikrokémiai kísérlet leírását, amelyeket 14-15 éves tanulókkal végeztünk el. A tanulók négy fős csoportokban dolgoztak. A tanár pedig úgy tudja bemutatni ezeket a mikrokísérleteket, hogy projektorral kivetíti.

Ezek a kísérletek szerepelnek a rendes görög tantervben ennél a korosztálynál, azonban általában nagyobb anyagmennyiségekkel.

Kísérletek

Ezeknél a kísérleteknél a szokásos méretű laboratóriumi eszközök helyett a rágógumi csomagolására használt, kis bemélyedésekkel rendelkező műanyag tartódobozt használjuk, amelyből természetesen előzetesen eltávolítjuk a védőfóliát és a rágógumikat (ld. a képen). Egyes gyógyszertabletták csomagolására használatos doboz is megfelelő lehet. A kísérletek a doboz egymástól elválasztott mélyedéseiben mennek végbe.

A kísérleti eljárások és az eredmények leírásához szükséges összes táblázatot Word® dokumentumként le lehet tölteni a Science in School weboldaláról^w1.

Előkészületek

A vöröskáposzta indikátor elkészítéséhez 10 g friss, feldarabolt káposztalevélre öntsünk 20 ml desztillált vizet, majd forraljuk fel. Addig forraljuk, míg a folyadék lila színű lesz. Hagyjuk kihűlni, majd szűrjük le a folyadékot, így megkapjuk az indikátor oldatot.

A nátrium-hidroxid (NaOH) oldat elkészítéséhez oldjon fel 0,4 g nátrium-hidroxidot 100 ml vízben.

A meszes víz (telített kálcium-hidroxid oldat) elkészítéséhez egy 500 ml-es főzőpoharat harmadáig töltsünk meg kálcium-hidroxiddal [Ca(OH)2] és adjunk hozzá annyi desztillált vizet, hogy elérje a 400 ml-es jelet. Jól keverjük össze, majd az így nyert szuszpenziót hagyjuk ülepedni néhány órán keresztül. A színtelen, telített oldatot (a meszes vizet) töltsük egy csepegtetős üvegbe, közben ügyeljünk arra, hogy ne keverjük fel az üledéket.

Hidrogén-klorid oldatot (15 m/m% ) néhány országban közönséges üzletekben is vásárolhatunk. Alternatívaként a laboratóriumban készíthetünk (körülbelül) 1 M-os oldatot.

(Ügyeljünk arra, hogy a hidrogén-klorid oldat töményebb legyen, mint a nátrium-hidroxid oldat, ugyanis ezzel biztosítjuk, hogy a sav-reakciók szabad szemmel is megfigyelhetők legyenek, míg a bázis-reakciókkal nem pazaroljuk a reagenseket.)

A kísérletekhez érdemes minden oldatot csepegtetős üvegbe önteni.

Célok

Az első kísérlet célja, hogy a tanulók észrevegyék, hogy mind a savak, mind a lúgok megváltoztatják a pH indikátorok színét, azonban egymástól eltérő módon.

A második kísérletben a diákok megfigyelhetik, hogyan reagálnak a savak a fémekkel. Figyeljék meg a buborékképződést (pezsgést) és azt is, hogy a magnézium reakciója erősebb, mint a vasé (több hő és buborék keletkezik) – bár kevesebb savat használnak. Magyarázzuk meg a tanulóknak, hogy a keletkező gáz hidrogén.

A harmadik kísérletben a diákok megfigyelhetik, hogyan reagálnak a savak a karbonátokkal. Figyeljék meg a buborékképződést (pezsgést). Magyarázzuk meg a tanulóknak, hogy a keletkező gáz szén-dioxid.

A negyedik kísérletben a diákoknak lehetőségük nyílik arra, hogy gyakorolják a pH indikátor papír használatát. Megtanulják, hogy az indikátorral meg lehet határozni az oldat pH-ját, és azt is, hogy az oldat lehet savas vagy lúgos.

Az ötödik kísérletben a tanulók megvizsgálják a desztillált víz, a sósav és a nátrium-hidroxid oldat elektromos vezetőképességét. Megtanulják, hogy míg a desztillált víz nem vezeti az elektromos áramot, a savak és a lúgos oldatok egyaránt vezetik.

1. kísérlet: Az indikátorok színváltozása

Eszközök

• Rágógumi csomagolás, mélyedésekkel (ld. a fönti képet)
• Szívószál, ferdén levágva (ld. a baloldali képet)
• Olló
• Egyszer használatos kesztyű
• Védőszemüveg

Anyagok

• Sósav (15 m/m%-os vagy 1 M-os)
• Ammónia tartalmú háztartási tisztítószer (pl. Ajax® ablaktisztító)
• Nátrium-hidroxid oldat (0,1 M-os, az elkészítését ld. előbb)
• Meszes víz
• Vöröskáposzta indikátor
• Lakmusz indikátor oldat
• Fenolftalein indikátor oldat
• Citromlé
• Összetört aszpirin tabletta
• Desztillált víz
  

  Módszer

1. Az 1. táblázat alapján mindegyik mélyedésbe csöppentsen vizsgálandó anyagot (pl. citromlevet) és pH indikátort (pl. lakmusz indikátor oldatot).

2. A második táblázatba írják be a megfigyelt színváltozásokat.
3. Milyen következtetést tudnak levonni az eredményekből?

2. kísérlet: A savak hatása a fémekre

Eszközök

• Rágógumi csomagolás, mélyedésekkel
• Szívószál, ferdén levágva
• Olló
• Egyszer használatos kesztyű
• Védőszemüveg

Anyagok

• Vas (Fe) por
• Magnézium (Mg) por
• Sósav (15 m/m%-os vagy 1 M-os)

Módszer

1. A 3. táblázat alapján mindegyik mélyedésbe szórjon fémport (pl. vasat) és csöppentsen sósavat (hidrogén-klorid oldat).

2. Mit figyelhetünk meg, amikor a sósavat a vasporra csöppentjük?
3. Meg tudná magyarázni a különbség okát?
4. Miben különbözik ez attól, amikor a savat magnéziumra csöppentjük?

3. kísérlet: A savak hatása a karbonátokra

Eszközök

• Rágógumi csomagolás, mélyedésekkel Chewing-gum blister packet
• Szívószál, ferdén levágva
• Olló
• Egyszer használatos kesztyű
• Védőszemüveg

Anyagok

• Krétapor (CaCO3)
• Szódabikarbóna (NaHCO3)
• Sósav (15 m/m%-os vagy 1 M-os)

Módszer

1. A 4. táblázat alapján mindegyik mélyedésbe szórjon karbonát-port (pl. krétaport) és csöppentsen hozzá sósavat.

2. Mit figyeltek meg, amikor a savat a karbonátra csöppentették?

4. kísérlet: a pH indikátor papír használata

Eszközök

• Papírtörülköző
• A4-es méretű fehér papír
• Olló
• Egyszer használatos kesztyű
• Védőszemüveg
• pH indikátor papír vagy univerzál indikátor csík

Anyagok

• Ecet
• Sósav (15 m/m%-os vagy 1 M-os)
• Ammónia tartalmú háztartási tisztítószer (pl. Ajax ablaktisztító)
• Meszes víz
• Desztillált víz

Módszer

1. Tegyen egy réteg papírtörülközőt az asztalra, majd helyezzen rá egy A 4-es papírlapot.
2. Vágjon le 4 cm hosszú darabokat az indikátor papírból (vagy használjon 5 univerzál indikátor csíkot) és egymástól jól elkülönítve helyezze azokat a fehér papírlapra.
3. Mindegyik indikátor papírra cseppentsen 2 cseppet a különböző vizsgálandó oldatból (pl. ecet vagy meszes víz).
4. Az indikátor papírok megváltozott színét hasonlítsa össze a megadott színskála színeivel és ennek alapján állapítsa meg a pH-t.
5. Az 5. táblázat alapján jegyezze fel az összes oldat pH-ját és döntse el, hogy az oldat savas vagy lúgos.

5. kísérlet: a desztillált víz, a sav és a bázis oldat vezetőképességének összehasonlítása

Eszközök

• Rágógumi csomagolás, mélyedésekkel
• Olló
• Egyszer használatos kesztyű
• Védőszemüveg
• Alumínium fólia
• 3 csatlakozó kábel krokodil csipeszekkel
• Ragasztó szalag
• 4,5 V-os telep
• LED (5 mm átmérőjű)

Anyagok

• Desztillált víz
• Sósav (15 m/m%-os vagy 1 M-os)
• Nátrium-hidroxid oldat (0,1 M-os, az elkészítésse a fentebb leírtak szerint)

Módszer

1. Vágjon le négy csíkot az alumínium fóliából. 6 cm-szer 0,5 cm méretűek legyenek..
2. Az elektródák kialakításához illessze bele az alufólia csíkokat az első mélyedésbe, azután a ragasztó szalaggal rögzítse a csíkokat az asztalhoz, hogy ne mozduljanak el. (balra).

A következő lépés az elektromos áramkör összeállítása. (balra).

3. A telep pozitív pólusát (P) kösse össze a LED anódjával (A), az egyik csatlakozó kábel felhasználásával. A második kábellel kapcsolja össze a LED katódját (B) az egyik alufólia csíkkal (C). A harmadik kábellel pedig a másik alufólia csíkot (D) kapcsolja rá a telep negatív pólusára (N).
4. Desztillált vízzel töltse félig az 1. mélyedést. Így kap egy zárt áramkört.

Világít a LED?

Milyen következtetésre jutott? Vezeti-e a desztillált víz az elektromos áramot?

5. Adjon 3 csepp sósavat az 1. mélyedésben lévő vízhez.

Most világít a LED?

Milyen következtetésre jutott? Vezeti-e a sósav oldat az elektromos áramot?

6. Kapcsolja le a kábeleket a két fólia csíkról.
7. Illesszen két új csíkot a 2. mélyedésbe és rögzítse azokat az asztalhoz (mint a 2. lépésben).
8. Kapcsolja hozzá a kábeleket az új fólia csíkokhoz (F és G).
9. Cseppenként addig adagoljon nátrium-hidroxid oldatot a 2. mélyedésbe, amíg el nem lepi a folyadék az alufóliák végét (nekünk hat cseppre volt szükségünk).

Világít a LED?

Milyen következtetésre jutott? Vezeti-e a nátrium-hidroxid oldat az elektromos áramot?

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetet mondanak Penelope Galanopoulou-nak, a 3. Pyrgos Lyceum Pierre de Coubertin angol tanárának azért, hogy ezt a cikket görögből angolra fordította.