Загадка магічного піску

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.

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 Youtube^w1.

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.

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.

Послідовність дій

1. Ознайомте учнів із загадкою магічного піску розповівши історію Джеймса (дивитись Історія Джеймса). Це фаза «привертання уваги та інтересу».
2. Дайте учням зразки звичайного та магічного піску, кожен у різній скланці на 100 мл.
3. 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 тут^w1.
4. 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.
5. Забезпечте доступ учнів і до інших рідин запропонованих вище, щоб вони змогли побачити взаємодію двох видів піску із ними.

Історія Джеймса

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.