„W POSZUKIWANIU NICI ARIADNY”

dr inż. Mariusz Tryznowski

Część I

Podobnie jak mityczny Tezeusz korzystając z nici Ariadny wydostał się z labiryntu tak i uczeń podczas wykładu stopniowo zostaje wprowadzony w zagadnienia dotyczące chemii i fizyki.

Pierwsza cześć wykładu dotyczy fundamentalnych pojęć z zakresu chemii.

Pierwszy eksperyment dotyczący trzech soli w cylindrze polegał na uświadomieniu słuchaczom, że w chemii możemy mieć do czynienia zarówno z chaosem jaki następującą po nim równowagą. Obserwując zawartość cylindra podczas mieszania możemy wywnioskować, że umieszczone w nim substancje poruszają się w sposób chaotyczny. Analizując, pod kontem stężenia jednej z trzech soli, niewielki fragment cylindra możemy stwierdzić, że panuje tam chaos. W tym miejscu można omówić roztwory jednorodne i niejednorodne. W przypadku trzech soli mamy roztwór niejednorodny, który po dodaniu odpowiedniej ilości wody staje się jednorodny.

Kolejny eksperyment ściśle jest powiązany z tym pierwszym. Jest rozwinięciem zjawisk które zachodzą podczas zjawiska rozpuszczania. Czyli otrzymywania roztworów jednorodnych. W prosty sposób zostały podane zjawiska fizyczne które towarzyszą efektowi rozpuszczania. W zależności od przewagi odpowiedniego zjawiska (solwatacja, niszczenie sieci krystalicznej itp.) w wyniku rozpuszczania możemy spowodować odpowiednie efekty energetyczne.

Trzeci eksperyment dotyczący stężenia jonów wodorowych w roztworze. Przed eksperymentem zostały podane podstawowe informacje dotyczące stałej równowagi, pH i wskaźników. Podano zakresy pH w których następuje zmiana barwy czterech przykładowych wskaźników. Następnie w wyniku zmieszania tych wskaźników otrzymujemy uniwersalny wskaźnik Yamady występujący na przykład w uniwersalnym papierku wskaźnikowym. Silnie kwaśny roztwór umieszczony w cylindrze z dodatkiem wskaźnika Yamady przybiera kolor czerwony. Następnie w wyniku dodawania wodorotlenku potasu następuje zmiana barwy. Proszę zwrócić uwagę, że podczas mieszania zawartości cylindra również mamy do czynienia ze swoistym chaosem dążącym do stanu równowagi. Chaos występuje na granicy gradientów stężeń uwidocznionych po przez odpowiednie barwy pojawiające się w cylindrze. Każda nowa porcja wodorotlenku potasu wprowadza gradient stężeń oraz tymczasowy chaos, który dąży do stanu równowagi czego potwierdzeniem jest powstanie jednolitej barwy w całej objętości cylindra. Próbki cieczy pobrane z cylindra kolorystycznie przypominają skalę barw występującą na uniwersalnym papierku wskaźnikowym.

Na przykładzie zestalonego dwutlenku węgla można omówić stany skupienia materii oraz zjawisko sublimacji. Eksperyment z zestalonym dwutlenkiem węgla umieszczonym w cylindrze z zasadowym wodnym roztworem wskaźnika Yamady pozwala udowodnić właściwości kwasowe dwutlenku węgla. Można w tym miejscu wspomnieć o rozpuszczalności dwutlenku węgla w wodzie, napojach gazowanych, wiązaniu wapna w wyniku pochłaniania dwutlenku węgla. Porównując zabarwienie w cylindrze powstałe w wyniku dodania kolejnej porcji suchego lodu z uniwersalnym papierkiem wskaźnikowym uczniowie mogą się zastanowić jaki jest odczyn roztworu.

Część II

W drugiej części wykładu na przykładzie trzech mieszanin: wodoru, dwutlenku węgla oraz mieszaniny wodoru z azotem wykazano wpływ gęstości gazu na zachowanie się balonu. Wodór, który ma niższą gęstość od powietrza powodował unoszenie się balonika. Szybkość z jaką spadały baloniki na ziemię jest ściśle powiązana z gęstością gazu znajdującego się w poszczególnych balonach.

Reakcje syntezy i analizy omówiono na przykładzie spalania wodoru. Reakcja spalania wodoru jest procesem gwałtownym, połączonym z wydzieleniem dużej ilości energii. Rozcieńczenie wodoru inertnym azotem sprawia, że reakcja syntezy wody przebiega mniej intensywniej niż w pierwszym przypadku. Reakcją odwrotną do syntezy jest reakcja analizy np. elektroliza wody do wodoru i tlenu. Należy zauważyć, że dla skutecznego przeprowadzenia elektrolizy, trzeba zwiększyć przewodnictwo elektrolitu przez dodanie do wody npkwasu siarkowego VI. Można omówić reakcje elektrodowe podczas elektrolizy takiego roztworu.

Celem eksperymentu dotyczącego chromatografii cienkowarstwowej jest przytoczenie kolejnej metody rozdziału składników mieszanin jednorodnych występujących w kolorowych flamastrach. W wyniku rozdziału otrzymujemy różnokolorowe składniki, które zostały wykorzystane do przygotowania danego flamastra.

Na wykładzie (czas 09:54) padło stwierdzenie, że barwą podstawową jest kolor czarny. Należy w tym miejscu zwrócić się do uczniów czy zgadzają się z tym stwierdzeniem. Oczywiście czarny nie jest barwą podstawową.

Podczas omawiania rozdziału barwników występujących we flamastrach wprowadzono pojęcie polarności i podzielono rozpuszczalniki na dwie grupy: polarne i niepolarne. W eksperymencie z barwnikiem sudan III wykazano zasadę, że podobne rozpuszcza podobne. Czyli związki polarne rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych i odwrotnie. Niepolarny barwnik sudan III nie rozpuszcza się w polarnej wodzie. Dodanie niepolarnego oleju powoduje przejście barwnika sudan III do warstwy organicznej (oleju). Warstwa organiczna zabarwia się na kolor czerwony pochodzący od barwnika sudan III. Dolna warstwa wodna, zawierająca zasadowy roztwór błękitu bromotymolowego, barwi się na kolor niebieski. Wprowadzenie kwasu powoduje zakwaszenie warstwy wodnej połączone ze zmianą zabarwienia warstwy dolnej na kolor żółty.

Następnie na przykładzie Całunu Turyńskiego omówiono reakcje samorzutne. Reakcje kontrolowane w sposób kinetyczny i termodynamiczny można opisać na wiele sposobów. Jako ciekawostkę podano opis chemiczny oraz matematyczno-chemiczny.

Eksperyment samozapłonu w reakcji manganianu(VII) potasu z glicerolem pozwolił wykazać, że stopień rozdrobnienia substancji ma kolosalny wpływ na reaktywność. Reakcja samozapłonu przebiega w sposób samorzutny. Drobno utarty manganian(VII) potasu posiada znacznie bardziej rozwiniętą powierzchnię. To właśnie wysoki stopień rozwinięcia powierzchni pozwala gwałtownie utlenić glicerol z wytworzeniem płomienia.

Reakcje manganianu(VII) potasu z nadtlenkiem wodoru oraz jodku sodu z nadtlenkiem wodoru przebiegają gwałtownie z wydzieleniem dużej ilości energii cieplnej oraz tlenu. To właśnie wydzielający się tlen jest przyczyną powstania dużej ilości piany w eksperymencie zatytułowanym „Słoń”.

W eksperymencie „ogień bez zapalniczki” Pod wpływem kwasu siarkowego (VI) manganian(VII) potasu rozkłada się do Mn₂O₇, który następnie dysproporcjonuje do dwóch cząsteczek tlenku manganu (IV) i jednej cząsteczki ozonu. Podczas zbliżenia waty nasyconej alkoholem etylowym ozon gwałtownie utlenia alkohol powodując samozapłon.

Podręcznik dla nauczyciela

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

3

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---