ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ ΚΑΙ ΕΝΑΙΩΡΗΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ ΚΑΙ ΕΝΑΙΩΡΗΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Το πλάνο του μαθήματος έχει δημιουργηθεί για να βοηθήσει τους καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να κάνουν μια εισαγωγή στη νανοτεχνολογία στην τάξη και να χρησιμοποιήσουν τις πληροφορίες που δίνονται στην ιστοσελίδα ( ). Απευθύνεται σε Διάρκεια Θεματικές Ομάδες μαθητών ηλικίας ετών 90 λεπτά Φυσική-Χημεία Στόχος του μαθήματος Το μάθημα "Νανοσωματίδια Σιδήρου και Εναιωρήματα Μαγνητικών Νανοσωματιδίων" εξερευνά τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων σιδήρου και εστιάζει στο πώς θα φτιάξετε το δικό σας εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου. Το μάθημα εξηγεί στους μαθητές τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικές και χημικές ιδιότητες αλλάζουν στη νανοκλίμακα. Οι μαθητές μαθαίνουν για τα νανοσωματίδια σιδήρου και τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων και τις εφαρμογές τους στην καθημερινότητα. Σκοποί του μαθήματος Η κατανόηση των ιδιοτήτων του σιδήρου και του χάλυβα Η κατανόηση της παρουσίας μετάλλων στη φύση Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλλάζουν οι ιδιότητες στη νανοκλίμακα Η κατανόηση της διαδικασίας δημιουργίας εναιωρημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων Η κατανόηση των μαγνητικών ιδιοτήτων του σιδήρου, του χάλυβα, του νανοσωματιδίου σιδήρου και των εναιωρημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων Απαιτούμενες γνώσεις Θα πρέπει οι μαθητές να γνωρίζουν τους παρακάτω όρους οι οποίοι περιλαμβάνονται στο κείμενο: Έργο, ενέργεια και τη σχέση μεταξύ τους Μέταλλα και οι ιδιότητες τους, Νανοκλίμακα και ιδιότητες των νανοσωματιδίων Προσδοκώμενα Αποτελέσματα για τους Μαθητές Να κατανοήσουν τις διαφορές ανάμεσα στο σίδηρο και το χάλυβα Να κατανοήσουν ότι τα μέταλλα, εκτός από τα ευγενή μέταλλα, βρίσκονται σε ενώσεις στη φύση 1

2 Να κατανοήσουν τις μαγνητικές ιδιότητες του σιδήρου, του νανοσωματιδίου σιδήρου και των εναιωρημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων Σύντομη Περιγραφή της Δραστηριότητας και Συνοπτικό Θεωρητικό Υπόβαθρο Η εντροπία είναι μια έννοια μέσω της οποίας μετράται η αταξία/πολλαπλότητα ενός συστήματος. Η εντροπία αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της αταξίας. Η φύση τείνει προς τη μέγιστη εντροπία σε κάθε απομονωμένο σύστημα. Η τάξη μπορεί να παραχθεί με κατανάλωση ενέργειας, και η τάξη που συνδέεται με τη ζωή στη γη παράγεται με τη βοήθεια ενέργειας που λαμβάνεται από τον ήλιο. Ένα ορυκτό είναι μια στερεή χημική ουσία που παράγεται στη φύση μέσα από βιοχημικές διαδικασίες. Ένα ορυκτό έχει χαρακτηριστική χημική σύσταση, αυστηρά δομημένη ατομική δομή και συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες. Σε σύγκριση μεταξύ τους, ένα πέτρωμα είναι μια συσσωμάτωση ορυκτών και/ή ορυκτοειδών και δεν έχει συγκεκριμένη χημική σύσταση. Τα ορυκτά εκτείνονται σε σύσταση από καθαρά στοιχεία και απλά άλατα σε πολύ σύνθετες μορφές πυριτικού άλατος με χιλιάδες γνωστές μορφές. Η μελέτη των ορυκτών ονομάζεται ορυκτολογία. Για να μπορεί μια ουσία να θεωρηθεί πραγματικό ορυκτό, θα πρέπει να είναι στερεό και να έχει κρυσταλλική δομή. Θα πρέπει επίσης να παράγεται φυσικά, και να έχει ομοιογένεια με ορισμένη χημική σύσταση. Ο αιματίτης και ο μαγνητίτης είναι παραδείγματα ορυκτών που περιέχουν σίδηρο. Παρακάτω φαίνεται η αντίδραση που μετασχηματίζει το μαγνητίτη από FeCl3 σε FeCl2: 2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4H2O Fe3O4 + 8 NH4Cl Ένα εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου είναι ένα κολλοειδές αιώρημα το οποίο αποτελείται κυρίως από νανοσωματίδια μαγνητίτη και ένα διάλυμα-φορέα. Το διάλυμα-φορέας περιέχει επιφανειοδραστικά επικαλυμμένα νανοσωματίδια μαγνητίτη από τα οποία τα σωματίδια μαγνητίτη προστατεύονται από συσσώρευση. Η επιφανειοδραστική ουσία πρέπει να είναι διαλυτή στο φορέα. Τα νανοσωματίδια μαγνητίτη έχουν τυχαία διασπορά όταν δεν εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο στο εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου. Όμως, όταν υπάρχει μαγνητικό πεδίο, οι μαγνητικές ροπές των σωματιδίων ευθυγραμμίζονται με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.. Όσο προσεγγίζουμε ένα δοχείο που περιέχει εναιώρημα μαγνητικών νανοσωματιδίων με ένα μαγνήτη, αυξάνονται τόσο το ύψος όσο και ο αριθμός των μαγνητικών ακίδων που σχηματίζονται. Αυτό συμβαίνει επειδή αυξάνονται οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου που περνούν μέσα από το εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου. 2

3 Για να κατανοήσουν οι μαθητές καλύτερα τι είναι μαγνητισμός, δείξτε τους την παρακάτω ιστοσελίδα. Υλικά Υλικό ανάγνωσης για τους μαθητές Video πειραμάτων: (Video για Νανοσωματίδια Σιδήρου και Video για Εναιωρήματα Μαγνητικών Νανοσωματιδίων) Υλικά για τα πειράματα και τις δραστηριότητες Αξιολόγηση μαθητών Εργασία Quiz Προτεινόμενες συνδέσεις και βιβλιογραφία Πριν το μάθημα Ανάθεση εργασίας: Διαδικασία του μαθήματος Δώστε στους μαθητές το κείμενο για τα Νανοσωματίδια Σιδήρου και Εναιώρημα Μαγνητικών Νανοσωματιδίων και ζητήστε τους να το μελετήσουν. Προετοιμασίες πριν το μάθημα: Προετοιμασία των υλικών που χρειάζονται για τις δραστηριότητες που αναφέρονται παρακάτω. Προετοιμασία των υλικών που χρειάζονται για το πείραμα Διαρρύθμιση της τάξης ώστε να δείτε το video και να γίνουν οι δραστηριότητες. Κατά τη διάρκεια του μαθήματος Εισαγωγή : Βήμα-1 : Ο καθηγητής θα πρέπει να θέσει τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με το κείμενο. Ερώτηση 1: Ο όρος εντροπία εξηγείται με τα παραδείγματα Εφέσου-Μανχάταν και τακτοποιημένο-ακατάστατο δωμάτιο στις Οδηγίες για τους Μαθητές. Μπορείτε να βρείτε παραδείγματα από την καθημερινότητα σας; 3

4 Ο καθηγητής θα πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές να βρουν παραδείγματα της εντροπίας στην καθημερινότητα όπως είναι η εξάτμιση του νερού σε ένα ποτήρι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ερώτηση 2: Εκτός από τα ευγενή μέταλλα, με ποια μορφή βρίσκονται τα μέταλλα στη φύση; Τα μέταλλα υπάρχουν σαν ενώσεις στη φύση. Οι ενώσεις αυτές κατατάσσονται σαν ορυκτά. Μερικά γνωστά παραδείγματα ορυκτών είναι: ο αιματίτης, ο μαγνητίτης, το quartz, το talc, το διαμάντι, ο άστριος, το σμαράγδι, το ρουμπίνι, ο αμέθυστος κτλ. Ερώτηση 3: Τι πιστεύετε ότι θα συμβεί αν ένα αντικείμενο από σίδηρο αφεθεί μόνο του; Όσο περνάει ο χρόνος, και με καταλύτη την υγρασία που υπάρχει στην ατμόσφαιρα, ο σίδηρος θα οξειδωθεί και θα σκουριάσει. Το λαμπερό, γκρι μεταλλικό του χρώμα θα αλλάξει σε κοκκινωπό καφέ - το χρώμα της σκουριάς. Βήμα 2: Κάντε τη δραστηριότητα 2 στην τάξη ή ζητήστε από τους μαθητές να την κάνουν στο σπίτι και να γράψουν στο τέλος μια έκθεση. Σημειώστε ότι οι μαθητές θα πρέπει να ελέγχουν τα διαλύματα και τα καρφιά καθημερινά και να σημειώνουν τι παρατηρούν. Ερώτηση 4: Τι συνέβη στο καρφί που βάλαμε στο νερό; Το λαμπερό, μεταλλικό γκρι χρώμα των καρφιών άλλαξε σε κοκκινωπό καφέ. Αυτό συμβαίνει επειδή με την υγρασία σχηματίζονται ένυδρα οξείδια σιδήρου τα οποία δίνουν στη σκουριά το κοκκινωπό καφέ της χρώμα. 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O 4Fe OH - 4Fe(OH) 3 + 4H 2 O Ερώτηση 5: Τι συνέβη στο νερό που βάλαμε σε αλατισμένο νερό; Θα περίμενε κανείς η οξείδωση στο αλατισμένο νερό να γίνεται πιο γρήγορα αλλά δεν είναι έτσι. Ο λόγος είναι ότι το νερό έχει την τάση να σχηματίζει ένα πολύ λεπτό στρώμα το οποίο εμποδίζει τη σκουριά να έρθει σε επαφή με το νερό και το οξυγόνο. Στο αλατισμένο νερό δε δημιουργείται αυτό το λεπτό στρώμα και το καρφί σκουριάζει έως ότου όλος ο σίδηρος να χρησιμοποιηθεί στην αντίδραση. Βήμα-3: Ζητήστε από τα κορίτσια της τάξης σας να κάνουν τη δραστηριότητα 3 στο σπίτι να παρατηρήσουν τι συμβαίνει. Ερώτηση 6: Τι συνέβη όταν βάλατε το μαγνήτη πολύ κοντά στο νύχι σας αφού απλώσατε το βερνίκι; Ο καθηγητής πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές να καταλάβουν ότι κάθε μαγνήτης παράγει το δικό του μαγνητικό πεδίο, το οποίο σχηματίζει τα σχήματα στα νύχια τους. Ερώτηση 5: Συζητήστε τις διαφορές ανάμεσα στο χάλυβα και το σίδηρο. Ερώτηση 6: Ζητήστε από τους μαθητές να σας πουν αντικείμενα από σίδηρο και χάλυβα που χρησιμοποιούν ή βλέπουν καθημερινά. Βήμα-4: Υπενθυμίστε στους μαθητές σας τον όρο νάνο και πώς αλλάζουν οι ιδιότητες στη νανοκλίμακα κάνοντας αναφορά στις οδηγίες πειραμάτων για τη Νανοκλίμακα. Βήμα 5: Δείτε στην τάξη το video Νανοσωματίδια Σιδήρου. Ερώτηση 7: Ποια είναι η βασικότερη διαφορά ανάμεσα στην πούδρα σιδήρου και τη νανοπούδρα σιδήρου (νανοσωματίδια); 4

5 Η νανοπούδρα σιδήρου σχηματίζεται από νανοσωματίδια που έχουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από την πούδρα σιδήρου, το οποίο είναι χύμα υλικό. Επειδή το μέγεθος του σωματιδίου της νανοπούδρας σιδήρου είναι σε νανοκλίμακα, το εμβαδό επιφανείας είναι πολύ μεγάλο, άρα η χημική δραστηριότητα είναι πολύ μεγαλύτερη από την πούδρα σιδήρου. Μπορεί να οξειδωθεί με φλόγες αν δεν περιορίζεται. Ερώτηση 8: Στο video για τα Νανοσωματίδια Σιδήρου που είδατε πρόσφατα, παρουσιάζονταν μπάλες από ανοξείδωτο χάλυβα και η κορυφή ενός κατσαβιδιού από χάλυβα. Αναγνωρίσατε κάποια διαφορά μεταξύ τους; Ο καθηγητής μπορεί να ξαναπαίξει το video. Ο καθηγητής πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές να κατανοήσουν ότι το κατσαβίδι από χάλυβα εκτέθηκε στον αέρα και την υγρασία για κάποιο χρόνο και για αυτό το λόγο οξειδώθηκε. Ερώτηση 9: Τι είναι η αντίδραση καύσης; Η αντίδραση καύσης είναι μια εξώθερμη αντίδραση κατά την οποία τα υλικά αντιδρούν με το οξυγόνο (O 2 ). Με εξαίρεση την καύση του N 2, όλες οι καύσεις είναι εξώθερμες. Ερώτηση 10: Τι είναι αντίδραση οξείδωσης; Αντίδραση οξείδωσης είναι όταν αυξάνεται το οξυγόνο ή χάνονται ηλεκτρόνια. Mg Mg e * Βήμα -6: Δείτε το video για τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων Βήμα -7: Εργαστηριακό πείραμα -1-Διαδικασία: Προετοιμάστε το πείραμα όπως παρουσιάζεται στο video για τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων. Όλα τα βήματα περιγράφονται στο κείμενο Διαδικασία για το Πείραμα με τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων. Εκτελέστε το πείραμα στο εργαστήριο. Ερώτηση 11: Τι είναι η αντίδραση αναγωγής; Η αντίδραση αναγωγής είναι η αντίδραση της μείωσης του οξυγόνου ή αύξησης ηλεκτρονίων e.g. Mg e * Mg Ερώτηση 12: Ποια πιστεύετε ότι είναι η λειτουργία του άχυρου σιδήρου? Το άχυρο σιδήρου είναι το αναγωγικό μέσο που μειώνει τα ιόντα Fe +3 σε ιόντα Fe +2. Ερώτηση 13: Γιατί χρησιμοποιούμε ολεικό οξύ όταν παράγουμε εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων; Τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι κολλοειδή εναιωρήματα μαγνητικών σωματιδίων σε μέγεθος νάνο με διάμετρο περίπου 10 nm σε ισχυρά ρευστούς φορείς. Το ολεικό οξύ δρα σαν επιφανειοδραστικό υλικό για να εμποδίσει τα σωματίδια να συσσωρευτούν. Το επιφανειοδραστικό υλικό πρέπει να είναι διαλυτό σε υγρό ώστε να διατηρηθεί η ομοιογένεια στη διασπορά των εναιωρημάτωνμαγνητικών νανοσωματιδίων. Δείτε το video με τους μαθητές σας: Ερώτηση14: Για ποιο λόγο πιστεύετε ότι τα καρφιά κάνουν σχηματισμούς όταν ένας μαγνήτης κινείται προς το εναιώρημα μαγνητικών νανοσωματιδίων; Ο καθηγητής πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές να κατανοήσουν ότι τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν μαγνητικές ιδιότητες παρόμοιες με του σιδήρου. Όταν ένας μαγνήτης κινείται προς το εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου, δηλαδή, αν πλησιάσουμε ένα δοχείο που περιέχει εναιώρημα μαγνητικού νανοσωματιδίου με ένα μαγνήτη, θα αυξηθεί και το ύψος και ο αριθμός των καρφιών που σχηματίζονται. Αυτό 5

6 συμβαίνει επειδή αυξάνεται το μαγνητικό πεδίο των γραμμών του μαγνητικού πεδίου που περνούν μέσα από το εναιώρημα μαγνητικών νανοσωματιδίων. Ερώτηση15: Ποιο είναι το βασικό πλεονέκτημα των εναιωρημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων σε σχέση με άλλα μαγνητικά υλικά; Το βασικό πλεονέκτημα ενός μαγνητικού υγρού είναι ότι διατηρεί το συνδυασμό υγρού και μαγνητικών ιδιοτήτων, κάτι που επιτρέπει τον έλεγχο της θέσης του υγρού με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου. ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ A-Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1- Στα συστήματα φυσικών διεργασιών, να προσπαθείτε πάντα να...την ενέργεια τους ώστε να είναι πιο σταθερά. 2- Ένα από τα πιο κοινά προϊόντα του σιδήρου είναι Η πούδρα σιδήρου ή ο ίδιος ο σίδηρος μπορεί να...με το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα και να σχηματίσουν Τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι εναιωρήματα μικρών σωματιδίων με διάμετρο σχεδόν..nm σε ισχυρούς ρευστούς φορείς. B-Απαντήστε με (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος ( ) 1- Τα σωματίδια στα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων έχουν ένα μοναδικό μαγνητικό πεδίο ( ) 2- Λόγω της παρουσίας σιδήρου στο χάλυβα, θεωρείται ότι έχει μαγνητικές ιδιότητες ( ) 3- Ο σίδηρος είναι ένα στοιχείο που είναι εξίσου σημαντικό για τα βιολογικά συστήματα ( ) 4. Η οξείδωση των νανοσωματιδίων σιδήρου γίνεται με πολλές φλόγες και θερμότητα. Λύσεις A B 1- ελαχιστοποιήσετε 1- Σ 2- χάλυβας 2- Σ 3- οξειδωθεί, σκουριά 3- Σ 4- μαγνητικώνc, Σ 6