Tilraunir í efnafræði Lokaverkefni í 10.bekk Réttarholtsskóla vorið 2011

Transcript

1 Réttarholtsskóli 2011 Tilraunir í efnafræði Lokaverkefni í 10.bekk Réttarholtsskóla vorið 2011 Adrien Eiríkur Skúlason 10. KN Björn Jón Þórsson 10. KN Emil Sölvi Ágústsson 10. KN Karl Ólafur Hallbjörnsson 10. KN Leiðsögukennari: Valdimar Helgason

2 2

3 Efnisyfirlit Inngangur... 2 Varnaðarorð... 2 Tilraun 1 - Byssupúður (Svart púður)... 3 Efnafræðin Hvað gerðist?... 4 Efnin:... 4 Tilraun 2 - Reykpúður... 5 Efnafræðin - Hvað gerðist?... 5 Tilraun 3 - Oobleck... 6 Efnafræðin Hvað gerðist?... 6 Tilraun 4 - Fílatannkrem... 7 Efnafræðin Hvað gerðist?... 8 Efnaformúlan er:... 8 Stutt kynning á efnafræði... 9 Lotukerfið

4 Inngangur Þessi bæklingur er unnin sem lokaverkefni í 10. bekk Réttarholtsskóla vorið Við völdum að taka saman nokkrar einfaldar en skemmtilegar tilraunir í efnafræði og fjalla bæði um hvað þarf til, hvernig ber að standa að framkvæmdinni og útskýra jafnframt þá efnafræði sem liggur að baki hverrar tilraunar því án þess væri þetta í raun bara brellubók. Það er eitt að framkvæma efnafræðitilraun, og annað að skilja hvað gerist með fræðilegum hætti. Við látum því fylgja með hverri tilraun efnafræðilegar útskýringar. Auk þess getur lesandi fræðst um nokkur hugtök og grunndvallaratriði efnafræðinnar aftast í bókinni í kaflanum Kynning að efnafræði. Efnafræði er vísindagrein sem fjallar um efni, einkenni þeirra og hegðun. Efnahvörf eru meðal þessarra einkenna og því nauðsynlegt að hafa nokkurn skilning á þeim svo fræðin í þessum bæklingi komist til skila. Forfeður okkar byrjuðu að nýta sér eiginleika efna s.s. efnahvörf strax og þeir fóru að nota eld þótt efnafræðilegur skilningur væri ekki til staðar. Með eldinum gátu menn eldað matinn og án þess að vita það losnað við ýmsar sýkingar s.s. bakteríur og ýmis önnur sníkjudýr. Eldurinn gerði þeim einnig fært að lýsa umhverfi sitt í myrkri o.fl. Þeir hafa eflaust verið stórundrandi á þessu merkilega en jafnframt hættulega fyrirbæri og sumir líklega gert sér ýmsar hugmyndir um hvað væri að gerast þ.e. þeir sem hugsuðu. Frá og með uppgötvun elds hefur þekking og tækni manna fleytt fram jafnt og þétt með ógnarhraða nú síðustu áratugi. Gera má ráð fyrir að menn hafi prófað að setja ýmislegt í eldinn og þannig lært smám saman hvaða áhrif eldur hafði á ólíka hluti. Einn daginn gerðist það að silfraður vökvi lak út úr einum steininum. Þeir höfðu uppgötvað málm og málmbræðslu. Tæknin hefur síðan þróast með undraverðum hraða.. Við vonum að þessi bæklingur geti orðið til þess að vekja áhuga þinn á þeirri merkilegu vísindagrein sem nefnist efnafræði. Gangi þér vel að framkvæma tilraunirnar. Auk þess höldum við það að markmiði að gera þig nógu áhugasama(n) til þes að þú haldir áfram að lesa þér til um fagið. Varnaðarorð Þessi bók inniheldur leiðbeiningar að ýmsum einföldum efnafræðitilraunum, svo sem Svörtu púðri, Fílatannkremi, og svo framvegis. Gæta skal ýtrustu varúðar við framkvæmd tilraunanna. Nauðsynlegt er að mæla efnin í réttum hlutföllum til þess að tilraunin heppnist. 2

5 Tilraun 1 - Byssupúður (Svart púður) Kolefni SaltPétur Brennisteinn Efni: Kolefni (C) Fæst sem grafítstangir eða viðarkol meðal annars í bensínstöðvum, varist samt að kaupa ekki steinkol, saltpétur (KNO 3 ) Fæst í Hagkaup eða öðrum matvöruverslunum ódýrt, brennisteinn (S) Fáanlegur í A4, sem selur skólum efni og fleira. Áhöld/Tæki: Mortél, vog, dagblað, hnífur/skæri, kveikjari, límband. Aðferð: Byrjaðu á því að mæla saman Kolefnið, Saltpéturinn, og Brennisteininn í hlutföllunum 3(C) : 2(KNO 3 ) : 1(S). Blandaðu öllu saman í mortélið og merðu saman vel og rækilega þannig að úr verði grátt púður. Passaðu upp á að engir kögglar verði í púðrinu, það á að vera fínna en sandkassasandur. Ef þú ert ekki viss, merðu þá meira þangað til þú ert viss. Valfrjálst: Bættu 8% vatni út í blönduna. Það bætir brunann. Þegar að því er komið að þú hefur malað allt vel, leggðu þá mortélið frá þér og skerðu/klipptu stóran, ferningslaga bút úr dagblaði. Hann skal vera nokkuð vel stór. Helltu púðrinu í miðju ferningsins, og brjóttu hann svo saman eins og þú myndir gera við jólagjöf eða eitthvað álíka. Beittu svo límbandi og lokaðu fyrir öll op, en passaðu þó að hafa einhvern hluta blaðsins berann. Taktu innpakkað púðrið og leggðu það á jörðina þar sem engin hætta er á að kvikni í utanaðkomandi hlut, og þar sem enginn verður ónáðaður (Það framkallast sæmilegt magn reyks við ferlið). Þegar þú ert tilbúinn, notaðu þá kveikjarann og berðu eld að bera svæði pakkans. Engin sprenging framkallast við brennslu efnablöndunnar, en stígðu að minnsta kosti fimm skref í burtu frá pakkanum. Fylgstu svo með. 3

6 Efnafræðin Hvað gerðist? Efnaformúlan fyrir efnahvarfið er: 2KNO 3 + S + 3C Δ K 2 S + N 2 + 3CO 2 K: Potassium (Kalín) S: Sulfur (Brennisteinn) C: Carbon (Kolefni) Þegar efni brennur, er súrefni að hvarfast við það. Ef við nýtum okkur þessa vitneskju, þá getum við dregið þá ályktun að ryð, FeO 2, sé ekkert annað en brunnið járn. Í tilfelli púðursins er það ekki svo einfalt. Þegar efnablandan brennur þá er það Saltpéturinn sem gefur súrefnið sem nauðsynlegt er í ferlið, og kolefnið er einfaldlega eldsneytið sem þarf. Brennisteinninn lækkar hitastigið sem þarf fyrir brunann, og er líka eldsneyti, en þó að mjög litlu marki. Bruninn skilur eftir sig efnin koltvíoxíð (CO 2 ), og nitur (N 2 ). Auk þess skilur hann eftir sig fast efni, potassium-sulfide (K 2 S), eða kalín-súlfíð. Eftir okkar reynslu er það hvítt á litinn, og er alveg meinlaust efni. Efnin: Brennisteinn er ekki efni sem þú getur hoppað út í búð og keypt eins og ekkert sé. Kennarinn okkar sá til þess að við gætum eignast efnin sem við notuðum, en aðeins eftir að við höfðum reynt að koma höndum yfir þau sjálfir. Við fórum í A4, sem selja efnin til skóla og kennara, en þeir harðbönnuðu okkur að eiga viðskipti við þá. Brennisteinn er ekki nauðsynlegur í púðrið, en hann er til staðar aðallega til þess að lækka nauðsynlegan hita. Uppskrift að brennisteinslausu púðri: 100 C : 24 KNO 3. Minni reykur verður til við bruna brennisteinslauss púðurs. 4

7 Tilraun 2 - Reykpúður Efni: Saltpétur (KNO 3 ), strásykur/súkrósi (C 12 H 22 O 11 ) Áhöld: Mortél, dagblað, kveikjari, vog, límband, hnífur/skæri. Lýsing: Blandaðu saman í mortélið saltpétri og sykri í hlutföllunum 10 (KNO 3 ):1 (C 12 H 22 O 11 ), og merðu það saman í fínt púður. Ef viðarsagi er bætt í púðurblönduna Saltpétur og strásykur verður reykurinn hvítur, samanborið við hann gráan án viðarsagsins. Skerðu/klipptu ferning úr dagblaðinu, og helltu púðrinu í miðju hans. Brjóttu saman eins og þú myndir brjóta saman jólagjöf, og límdu fyrir öll op. Passaðu samt að hafa dágott svæði ólímt, til þess að kveikjarinn geti unnið sitt verk. Farðu með jólagjöfina á stað sem engin hætta er á að kvikni í nokkru, eða að nokkur ónáðist. Við íkveikju verður til mikið magn reyks, enda er nafnið dregið af því. Enginn vill fá reyk inn í garð eða hús hjá sér, þannig að fylgstu vel með því að þú kveikir í pakkanum á auðu svæði. Berðu eld að ólímda svæði pakkans, og taktu nokkur skref í burtu. Athugið að láta vindinn ekki standa framan í ykkur, annars fyllast öll vit af heldur óvelkomnum reyk. Efnafræðin - Hvað gerðist? Efnaformúlan fyrir efnahvarfið er: 9.6KNO 3 + 5C 12 H 22 O 11 Δ 24K 2 CO CO H 2 O + 24N 2 Þegar eldur er borinn að blöndunni verður til kalín-karbónat (K 2 CO 3 ), sem er í föstu formi, eflaust litlaust og lyktarlaust salt, en þegar það er sett í vatn verður útvermið efnahvarf. Auk þess kemur koltvíoxíð, vatn, og nitur út úr efnahvarfinu, öll í loftkenndum ham. 5

8 Tilraun 3 - Oobleck Efni: Kornsterkja (C 6 H 10 O 5 ) Fæst ódýrt í venjulegum matvörubúðum t.d. Bónus eða Hagkaup og vatn (H 2 O) Ekki erfitt að finna það Áhöld/Tæki: Ílát (skál), skeið, matarlitur (valfrjálst) Kornsterkja Aðferð: Byrjaðu á því að hella kornsterkju í skál og bættu svo vatni við. Hlutföllin eiga að vera 1 hluti vatn á móti 2 hlutum kornsterkju. Taktu skeið og hrærðu í þangað til að vökvinn sýnir mótstöðu þegar þú hrærir. Athugið hins vegar að hræra ekki mikið eftir að efnið verður hart vegna þess að þá getur skeiðin einfaldlega bognað eða jafnvel brotnað (Við lentum einu sinni í því). Þegar efnið er orðið tiltölulega hart ertu kominn með hvítan/ljósgulan vökva sem er í fljótandi formi en breytist í fast form við hreyfingu. Þegar Oobleckið er tilbúið getur verið mjög skemmtilegt að leika sér að því. T.d. getur þú látið höndina á þér rólega í efnið og síðan reynt að kippa henni upp úr því. Ef þú hnoðar það upp í kúlu og hendir því svo upp í loftið heldur það ekki formi sínu heldur verður það flatt í loftinu. Einnig getur þú sett plastfólíu yfir hátalara og hellt vökvanum yfir hátalarann. Ef þú spilar bassamikla tónlist mun efnið hreyfast eins og fast efni vegna bassans, og jafnvel líta út fyrir að vera á lífi. Náttúrulegi litur Ooblecks er hvítur en þér til skemmtunar getur þú látið matarlit í það til þess að lita það. Oobleck er hættulaust efni enda er það bara kornsterkja og vatn. Efnafræðin Hvað gerðist? Efnaformúlan fyrir Oobleck er 2(C 6 H 10 O 5 ) + H 2 O C 12 H 22 O 11 (2 hlutar kornsterkja + 1 hluti vatn Oobleck) Við þessi efnahvörf verður til nýtt efni, Oobleck, en það hefur það einstaka sérkenni að þegar að krafti er beitt á breytist það úr fljótandi formi yfir í fast form. Engin útskýring er til fyrir efni eins Oobleck eins og er, en ótal vísindamenn, m.a. Einstein, hafa verið að rannsaka Oobleck árum saman til að reyna að finna útskýringuna á þessu dularfulla efni. Við vitum þó eitt: Það er skemmtilegt að leika sér með það! Önnur efni sem hafa þennan eiginleika eru til dæmis leikfangaslím, kæld karamella, og tómatsósa (Þó svo að tómatsósan hafi einmitt öfug einkenni við Oobleck, hún verður vatnskenndari eftir því meiri krafti sem beitt er). Að neðan er mynd af lituðu Ooblecki. 6

9 Tilraun 4 - Fílatannkrem Efni: Vatnsefnisperoxíð (H 2 O 2 ) Fáanlegt í apótekum, notað sem sótthreinsir, kalín-joðíð (KI) tiltölulega ófáanlegt, þó hægt að fá í A4 (Notað sem mótefni gegn geislavirkni), uppþvottasápa. Áhöld: 250ml flaska (T.d. Kók í gleri), mæliglas (20ml), vigt, múffuform Lýsing: Mældu Vatnsefnisperoxíð og Kalín-Joðíð í hlutföllunum 4 (H 2 O 2 ):1 (KI). Við notuðum 20 ml vatnsefnisperoxíð á móti 5 g kalín-joðíð, og það virkaði mjög vel. Helltu vatnsefnisperoxíðinu í flöskuna, og helltu síðan við dreitli af uppþvottasápunni. Auk þess gæti verið góð hugmynd að bæta matarlit við blönduna, og þá verður froðan öðruvísi á litinn. Notaðu múffuformið til að mæla kalín-joðíðið, og þegar þú ert tilbúinn, helltu því þá út í. Gæta skal varúðar á þessum tímapunkti, þar sem efnin munu hvarfast á mjög hraðan hátt. Efnahvarfið er svokallað útvermið efnahvarf, og við það myndast nokkur hiti. Við mælum með því að þú klæðist hönskum við ferlið, bara til að vera alveg öruggur. Einnig er rétt að benda á að froðan sem framkallast er sterkt litarefni, og skal framkvæma tilraunina einhversstaðar þar sem engin hætta er á því að gólf eða borð eyðileggist. Vatnsefnis-peroxíð sameind, H 2 O 2 Fílatannkrem með bláum matarlit. 7

10 Efnafræðin Hvað gerðist? Efnaformúlan er: H 2 O 2 + KI - IO - + H2O Það sem er að gerast í grófum dráttum er að Vatnsefnisperoxíðið er að sundrast í vatn og súrefni með hjálp hvata. Mikill hiti losnar við efnahvarfið og aftur, þá kallast það útvermið efnahvarf. Froðan er í rauninni bara súrefnið og sápan. Stór áhrifavaldur að efnahvarfinu er þó að joðið er jón, það er að segja neikvætt hlaðin frumeind. Þetta er mjög skemmtilegt efnahvarf, og við náðum mjög góðri mynd af því. Fyrsta skiptið sem við reyndum að framkvæma tilraunina notuðum við vitlaus hlutföll og of lítið af efnunum, og tókum tilraunina sem mistekna. Við gerðum þau mistök að loka flöskunni okkar með blöndunni ennþá í, og fórum síðan. Þegar við komum aftur að flöskunni hafði hún sprungið út, og það var froða út um allt. Varist að gera þau mistök ekki. 8

11 Stutt kynning á efnafræði Atóm og sameindir: Í efnafræði er hverju frumefni gefið tákn sem er ýmist stór stafur (H vetni, O- súrefni, C kolefni, N - nitur) eða stór og lítill stafur (Pb blý, Fe járn, Cl klór, Na natrín, Ag silfur). Atóm er minnsta magn frumefnis sem getur staðið sjálfstætt. Frumefni er efni gert úr einni tegund atóma. Sameind er gerð úr tveimur eða fleiri atómum. Efnasamband er gert úr atómum tveggja eða fleiri frumefna. O, N, H = atóm O 2, O 3, N 2 = sameindir (frumefni) H 2 O, CO 2, NaCl = sameindir (efnasamband) Frumefni og efnasambönd eru hrein efni. Efnablanda er efni sem samsett er úr tveimur eða fleiri gerðum sameinda eða efnasambanda. Einsleit efnablanda lítur eins út hvar sem horft er í hana. -Dæmi um slíka efnablöndu er andrúmsloftið og kranavatn. Misleit efnablanda hefur mismunandi eiginleika eftir því hvar horft er í hana. - Dæmi: Slátur, grjónagrautur með rúsínum og drullupollur. Atómið: Demókrítos (44 f.kr.): Atómið er ósundranlegt og inniheldur ekkert. Dalton (1808): Atóm eru örsmáar kúlulaga agnir. Atóm sama frumefni eru eins. Rutherford (1911): Atómið inniheldur tvær tegundir agna, jákvætt hlaðnar róteindir og neikvætt hlaðnar rafeindir. Atómið: Framhald Atómið er að mestu leiti tómarúm. Það sem greinir eitt frumefni frá öðru er fjöldi róteinda í kjarna atóms. Sérhverju frumefni er gefið númer í samræmi við róteindafjöldann. Þetta númer kallast sætistala. Massi atóma er samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda í kjarna þeirra. Fjöldi nifteinda er yfirleitt svipaður fjölda róteinda, en nifteindafjöldinn getur verið breytilegur hjá atómum sama frumefnis. Þessi breytileiki veldur því að massi atóma sama frumefnis getur verið mismunandi. Atóm með breytilegan fjölda nifteinda kallast samsætur. Heildarfjöldi öreinda í kjarna atóms kallast massatala. Fjöldi nifteinda = massatala sætistala Atómmassi er meðalmassi allra samsæta frumefnis eins og það kemur fyrir í náttúrunni. 9

12 Lotukerfið Hvarfgjarnir málmar 1. og 2. flokkur Hvarfast mjög auðveldlega við önnur efni. Marga þeirra þarf að meðhöndla sérstaklega sökum hvarfgirni, geyma í olíu eða í lofttæmi. Hliðarmálmar Mun stöðugri en hvarfgjörnu málmarnir Þeir málmar sem við þekkjum best, járn, kopar, silfur, gull. Tregir málmar Líkjast málmum en eiginleikar eru blanda málma og málmleysingja Leiða oft straum en ekki mjög vel. Óljós skil eru á milli tregra málma og málmleysingja. Málmleysingjar: Mjög sundurleitur hópur Mynda oft gastegundir við náttúrulegar aðstæður (O 2,F 2...) Ekki skrýtið að flestir vilji flokka vetni með þessum hópi. Eðalgastegundir: Helsta einkenni þessa flokks er tregða til þess að ganga í efnas. við önnur efni. Koma oftast fyrir sem stök atóm í náttúrunni. Hafa mjög stöðuga rafeindaskipan, 8 rafeindir á ysta hvolfi. Í efnahvörfum leitast önnur efni við að ná rafeindaskipan eðalgastegundanna, þ.e. taka til sín eða gefa frá sér rafeindir. 10

13 Lotukerfið 11