Mikrokémia: iskolai kísérletek Teach article

Author(s): Elias Kalogirou, Eleni Nicas

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. Elias Kalogirou és Eleni Nicas válogatást mutat be a nagyon kis mennyiségű anyagot felhasználó iskolai kísérletekből.

A képet tap10 / iStockphoto
szíves hozzájárulásával
közöljük

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 reakcióedényünk: rágógumi
csomagolás
A képet Elias Kalogirou és Eleni
Nicas szíves hozzájárulásával
közöljük

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.

 

Biztonsági előírások:

  • Az itt leírt kísérletek nagy részéhez sósav és nátrium-hidroxid szükségesek, amelyek használatánál kesztyűt és védőszemüveget kell viselni.
  • Ilyen kis mennyiségnél és alacsony töménységnél a megmaradt vegyszereket bele lehet önteni a lefolyóba.

 

A kísérleti eljárások és az eredmények leírásához szükséges összes táblázatot Word® dokumentumként le lehet tölteni a Science in School weboldalárólw1.

Előkészületek

Vöröskáposzta
A képet Tamara Kulikova /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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

Aszpirin tabletták
A képet alexeynovikov /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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

Vágja le ferdén a szívószál
végét, így az alkalmas lesz
arra, hogy kis mennyiségű
port adagoljunk vele
A képet Elias Kalogirou és Eleni
Nicas szíves hozzájárulásával
közöljük

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).
1. táblázat: Az 1. kísérlet lépései

1. mélyedés

  • 10 csepp citromlé
  • 2 csepp vöröskáposzta indikátor

2. mélyedés

  • 10 csepp meszes víz
  • 2 csepp vöröskáposzta indikátor

3. mélyedés

  • 1 szívószál-hegynyi aszpirin por (ld. a fenti képet)
  • 10 csepp víz
  • 2 csepp lakmusz indikátor oldat

Keverje össze az anyagokat

4. mélyedés

  • 10 csepp ammónia tartalmú háztartási tisztítószer
  • 2 csepp lakmusz indikátor oldat
     

 

5. mélyedés

  • 10 csepp sósav oldat
  • 2 csepp fenolftalein

6. mélyedés

  • 10 csepp nátrium-hidroxid oldat
  • 1 csepp fenolftalein
  1. A második táblázatba írják be a megfigyelt színváltozásokat.
  2. Milyen következtetést tudnak levonni az eredményekből?
Indikátor Az indikátor eredeti színe A sav hozzáadása utáni szín Colour after base is added
2. táblázat: Az 1. kísérlet eredményei
Vöröskáposzta   1. mélyedés: 2. mélyedés:
Lakmusz indikátor oldat   3. mélyedés: 4. mélyedés:
Fenolftalein   5. mélyedés: 6. mélyedés:

2. kísérlet: A savak hatása a fémekre

Egy szívószál levágott
végével felvett vaspor
A képet Elias Kalogirou és Eleni
Nicas szíves hozzájárulásával
közöljük

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).
3. táblázat: Az 2. kísérlet lépései

1. mélyedés

  • 1 szívószál-hegynyi vaspor
  • 10 csepp sósav oldat

2. mélyedés

  • 1 szívószál-hegynyi magnéziumpor
  • 2 csepp sósav oldat
  1. Mit figyelhetünk meg, amikor a sósavat a vasporra csöppentjük?
  2. Meg tudná magyarázni a különbség okát?
  3. Miben különbözik ez attól, amikor a savat magnéziumra csöppentjük?
A képet DOConnell /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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.
4. táblázat: A 3. kísérlet lépései

1. mélyedés

  • 1 szívószál-hegynyi krétapor
  • 5 csepp sósav oldat
 2. mélyedés

  • 1 szívószál-hegynyi szódabikarbóna
  • 5 csepp sósav oldat
  1. 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

A képet Diffydave /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük
  • 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. táblázat: a 4. kísérlet eredményei
Megoldás Ecet Sósav Ammónia Meszes víz Desztillált víz
pH          
Sav vagy bázis          

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

Az elektródák
csatlakoztatása
  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).

  1. 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).
  2. Desztillált vízzel töltse félig az 1. mélyedést. Így kap egy zárt áramkört.
Az elektromos áramkör
összekapcsolása
A képeket Elias Kalogirou és
Eleni Nicas szíves
hozzájárulásával közöljük

Világít a LED?

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

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

Most világít a LED?

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

  1. Kapcsolja le a kábeleket a két fólia csíkról.
  2. Illesszen két új csíkot a 2. mélyedésbe és rögzítse azokat az asztalhoz (mint a 2. lépésben).
  3. Kapcsolja hozzá a kábeleket az új fólia csíkokhoz (F és G).
  4. 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.

Web References

  • w1 – A táblázatok, amelyek az összes kísérlet műveleteit és eredményeit tartalmazzák, Word dokumentumként innen letöllthetők here.

Resources

  • Williams KL, Little JG (1997) Microscale Experiments for General Chemistry. Boston, MA, USA: Houghton Mifflin. ISBN: 9780669416060
  • Zubrick JW (2003) The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques 6th edition. New York, NY, USA: John Wiley & Sons. ISBN: 9780471215202
  • Skinner J (1998) Microscale Chemistry: Experiments in Miniature. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN: 9781870343497
  • A görögül beszélők számára a következő könyvek lehetnek hasznosak:
    • Κ. Γιούρη – Τσοχατζή (2003) Σχολικά Πειράματα Χημείας, Από τη Μακρο- στη Μικροκλίμακα. Θεσσαλονίκη , Ελλάδα : Εκδόσεις Ζήτη . ΙSBN: 9604318608
  • Vörös káposzta indikátorral végzett további kísérleteket találhat:

Author(s)

Elias Kalogirou középiskolai tanár. Felelős a Fizikai Tudományok Laboratóriumi Központjáért (Laboratory Centre of Physical Sciences), ahol középiskolai természettudomány tanárokkal foglalkoznak annak érdekében, hogy segítsék a kísérletezés elterjesztését a természettudomány oktatásában. Különösen a mikrokémiai kísérletek iskolai elterjesztését szorgalmazza.

Eleni Nicas biológusként végzett és az utóbbi hat évben biológiát, kémiát és fizikát tanított középiskolásoknak (13 – 15 éveseknek), jelenleg Pyrgosban tanít a 4-es számú középiskolában. Az utóbbi három évben mikrokémiai kísérleteket alkalmazott az óráin a Fizikai Tudományok Laboratóriumi Központjának helyi csoportjával együttműködésben. Jelenleg fizikából posztgraduális tanulmányokat folytat.

Review

A természettudomány tanárok fontos feladata, hogy ne csak a tudományos elméletet tanítsák meg tanítványaiknak, hanem a kísérletezés technikáját is. Ezért a hagyományos gyakorlati munkát nem lehet és nem szabad elhagyni. Azonban érdemes figyelembe venni a gazdasági és környezetvédelmi tényezőket is, a ‘zöld kémia’ korában. Ha a hagyományos gyakorlati munkák közé beiktatunk valamennyi mikrokémiai kísérletet, az segítheti ennek a szemléletnek a fejlesztését. A mikrokémia kísérletek a fiatalabb gyerekek számára is hasznosak lehetnek.

Marie Walsh, Ír Köztársaság

License

CC-BY-NC-SA