Τίτλος: Έρευνα για την αλατότητα του νερού Θέμα: Έρευνα για την αλατότητα του νερού Χρόνος: 90 λεπτά (2 μαθήματα) Ηλικία: μαθητές 14 15 χρονών Διαφοροποίηση: Οι χαρισματικοί μαθητές καλούνται να καταγράψουν την εξίσωση της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με το επίπεδο συγκέντρωσης (από τη γραφική παράσταση) και να καθορίσουν τη φυσική έννοια του συντελεστή γραμμικής κατεύθυνσης. Οι μαθητές που ολοκληρώνουν την εργασία τους γρήγορα καλούνται να ολοκληρώσουν την δραστηριότητα επέκτασης. Eξοπλισμός δραστηριότητας: Ξηρό άλας, Απεσταγμένο νερό, Ζυγαριές, Πηγή τάσης (μπαταρία), 4,5 V, Μετρητής μιλιαμπέρ, Σύρματα, Ένα καπάκι με δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, Ογκομετρικός σωλήνας 100 ml, Ένα ποτήρι, Ένα πιάτο για τα λύματα, A stick, Μία σπάτουλα, Χαρτoπετσέτα. Οδηγίες, χρήση ΤΠΕ κτλ: Δίνεται στους μαθητές μια σειρά από δραστηριότητες και μια λίστα με τον εξοπλισμό που θα χρειαστούν για τη συγκεκριμένη δραστηριότητα. Δεδομένου ότι τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής δεν είναι γνωστά εκ των προτέρων στους μαθητές, πιθανόν να δοθεί η δυνατότητα για ομαδική συζήτηση. Ανάλυση των αποτελεσμάτων και αποτελεσματική συζήτηση όταν ολοκληρωθεί η εργασία σε ζευγάρια ή σε ομάδες των 3-5 ατόμων. Το πειραματικό μέρος του μαθήματος μπορεί να γίνει με τη βοήθεια άλλων διαθέσιμων εφαρμογών, όπως για παράδειγμα, με το υπολογιστικό σύστημα Νova5000 (Εικόνα 2) ή το Xplorer GLX, χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό αισθητήρα αγωγιμότητας. Σε αυτή την περίπτωση, δεν είναι η ένταση του ρεύματος του ηλεκτρολύτη που πρέπει να μετρηθεί, αλλά αγωγιμότητα του (ms). Μαθησιακά αποτελέσματα δραστηριότητας: Όλοι οι μαθητές Θα γνωρίζουν τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρολυτών. Θα είναι ικανοί να εξηγούν τις διαδικασίες που γίνονται στα υδατικά διαλύματα. Θα είναι σε θέση να οργανώνουν τις συσκευές που θα χρησιμοποιήσουν σύμφωνα με τις οδηγίες. Θα είναι σε θέση να δημιουργούν διαλύματα διαφορετικής συγκέντρωσης. Οι περισσότεροι μαθητές Θα είναι σε θέση να σχεδιάζουν την γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος σε υδατικά διαλύματα σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση του διαλυμένου άλατος. Από τη γραφική παράσταση θα είναι σε θέση να καθορίζουν την αλλαγή της έντασης του ρεύματος π.χ κλίση γραφικής παράστασης (εφαπτομένης γωνίας).
Προαπαιτούμενες γνώσεις: Η έννοια του ατόμου, του ιόντος, του μορίου, του ηλεκτρολύτη, της συγκέντρωσης ενός διαλύματος και του ηλεκτρικού ρεύματος. Κλάσματα, αναλογίες, υπολογισμός ποσοστών. Μερικοί μαθητές Θα είναι σε θέση να καταγράφουν την εξίσωση της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση. Θα είναι σε θέση να αξιολογούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών. Υγεία και Ασφάλεια: Χειρισμός των πειραματικών εργαλείων και υλικών με ασφάλεια.
Περιγραφή Μαθήματος Αφόρμηση Οι μαθητές μπαίνουν στην τάξη και τοποθετούν τις τσάντες και τα σακάκια τους σε ένα απομακρυσμένο χώρο της τάξης τους. Οι μαθητές καλούνται να επαναφέρουν στη μνήμη τους από τα μαθηματικά την έννοια του κλάσματος (αναλογία), πώς υπολογίζουν ποσοστά και τις γραμμικές εξισώσεις. Ακολουθεί συζήτηση όσον αφορά την επίδραση της αλατότητας του νερού στο νερό των ποταμών, στο έδαφος, στα φυτά καθώς και στις οικιακές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις νερού. Οι μαθητές καλούνται να εξηγήσουν τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρολυτών και τις διαδικασίες που συμβαίνουν σε αυτούς. Για τους περισσότερο ικανούς μαθητές γίνεται συζήτηση σχετικά με το νερό και την επίδραση της αλατότητάς του, στον άνθρωπο και στο περιβάλλον. Κύρια Δραστηριότητα Οι μαθητές αρχίζουν να εργάζονται στο φύλλο εργασίας «Έρευνα για την αλατότητα του νερού» Πιο κάτω γίνεται επεξήγηση της δραστηριότητας. Σκοπός: Να διερευνηθεί η σχέση του ηλεκτρικού ρεύματος διαλύματος άλατος από τη συγκέντρωση άλατος. Για να μπορέσουν οι μαθητές να σχεδιάσουν τη γραφική παράσταση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στα διαλύματα άλατος σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση άλατος Ι=f(c%), είναι απαραίτητο να βρουν διαφορετικά ποσοστά συγκέντρωσης υδατικών διαλυμάτων (2%, 4%, 6%, 8%, 10 %) και να μετρήσουν την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος στο καθένα από αυτά. Εικόνα 1. Ηλεκτρικό κύκλωμα md Ποσοστό Συγκέντρωσης [%] c 100 %; όπου m d μάζα άλατος, g; m συνολική μάζα m % διαλύματος,g. Για τη μέτρηση της έντασης του ρεύματος στο διάλυμα, να ενώσετε το ηλεκτρικό κύκλωμα (Εικόνα 1). Να κάνετε μετρήσεις και υπολογισμούς. Να καταγράψετε τα δεδομένα στον πίνακα. Κάθε φορά να δημιουργείτε m 100 g διαφορετικό ποσοστό συγκέντρωση διαλύματος θαλασσινού νερού. mm d + m v. Η μέτρηση της ένταση του ρεύματος κάθε διαλύματος γίνεται με την ίδια ποσότητα διαλύματος (στη δική μας περίπτωση 100ml διαλύματος) π.χ. τα ηλεκτρόδια είναι το ίδιο βυθισμένα στο διάλυμα. Επέκταση Οι περισσότερο ικανοί μαθητές σε αυτό το σημείο μπορούν να κληθούν να εξετάσουν τυχόν προβλήματα με το σχεδιασμό του πειράματος ή να προτείνουν εισηγήσεις για βελτίωσή του. Δραστηριότητα φύλλου εργασίας Οι μαθητές καλούνται να συμπληρώσουν ατομικά τη δραστηριότητα στο φύλλο εργασίας. Οι μαθητές καλούνται να καταγράψουν τις απαντήσεις τους, να συμπληρώσουν τα δεδομένα του πίνακα και να
αποφασίσουν το είδος της γραφικής παράστασης που είναι πιο κατάλληλο. Ακολούθως να σχεδιάσουν τη γραφική παράσταση, να υπολογίσουν την αλλαγή της έντασης του ρεύματος από τη γραφική έχοντας αλλάξει τη συγκέντρωση κατά 1% (στη γραφική η κλίση -εφαπτομένη γωνίαςαντιστοιχεί με την αλλαγή στην ένταση του ρεύματος) να ορίσουν από τη γραφική ποια είναι η ένταση του ρεύματος διαλύματος 5%, 7% NaCl. Οι πιο ικανοί μαθητές πιθανόν να κληθούν να καταγράψουν τη γραμμική εξίσωση και να υπολογίσουν το συντελεστή γραμμικής κατεύθυνσης. Δραστηριότητα Επέκτασης Οι μαθητές που ολοκληρώνουν γρήγορα τη δραστηριότητα καλούνται να ασχοληθούν με τις δραστηριότητες επέκτασης που προτείνονται. (Καθορίζοντας τη συγκέντρωση άλατος στο διάλυμα). Ολομέλεια Οι μαθητές καλούνται να δώσουν πληροφορίες για τη διαδικασία που ακολούθησαν και να αναφέρουν τους λόγους που πιθανόν να οδήγησαν σε αποτελέσματα που δεν ανέμεναν. Οι μαθητές καλούνται να εξάγουν συμπεράσματα όσον αφορά την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση NaCl, την αγωγιμότητα του διαλύματος καθώς και το μαθηματικό τύπο της συγκέντρωσης NaCl. Με τους πιο ικανούς μαθητές γίνεται συζήτηση σχετικά με το αν η συγκεκριμένη διαδικασία είναι πάντα γραμμική και γιατί αποκλίσεις από τη γραμμική σχέση είναι πιθανές όταν η συγκέντρωση είναι μεγαλύτερη. Σημείωση Το πειραματικό μέρος του μαθήματος μπορεί να γίνει με άλλες διαθέσιμες εφαρμογές, όπως για παράδειγμα, με το υπολογιστικό σύστημα Nova5000 (Εικόνα 2) ή το Xplorer GLX, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό αισθητήρα αγωγιμότητας. Σε αυτή την περίπτωση, δεν είναι η ένταση του ρεύματος του ηλεκτρολύτη που πρέπει να μετρηθεί, αλλά η αγωγιμότητα του (ms).
Εικόνα 2. Συσκευές και υλικά του πειράματος με το Nova5000
Έρευνα για την αλατότητα του νερού Οι ουσίες, όταν διαλύονται στο νερό ή σε άλλους πολικούς διαλύτες, διασπώνται σε θετικά ιόντα (κατιόντα) και αρνητικά ιόντα (ανιόντα). Οι ηλεκτρολύτες είναι οι ουσίες που όταν διαλύονται ή τήκονται μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ιδιότητες αυτές είναι χαρακτηριστικά των οξέων, των υδροξειδίων και σχεδόν όλων των αλατούχων διαλυμάτων. Είναι γνωστό, ότι το αλάτι (NaCl) όταν διαλύεται στο νερό, τότε τα μόριά του διασπώνται σε θετικά (Na +) και αρνητικά (Cl) ιόντα (ηλεκτρολυτική διάσπαση). NaCl (k) Na+ (aq) + Cl-(aq). Όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα μόρια και τα ιόντα του διαλύματος κινούνται χαοτικά. Όταν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο, δημιουργείται μια άμεση κίνηση των ιόντων: τα θετικά ιόντα κινούνται προς ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο και τα αρνητικά ιόντα προς ένα θετικό. Δηλαδή, αυτές οι δύο αντίθετες ροές ιόντων αποτελούν το ηλεκτρικό ρεύμα στους ηλεκτρολύτες και η ένταση του ρεύματος εξαρτάται από τη συγκέντρωση. Αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα των υλικών να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Η αγωγιμότητα ενός διαλύματος καθορίζεται από την παρουσία των διαλυμένων ανόργανων αλάτων, όπως το χλωριούχο νάτριο, το νιτρικό, το θειικό και τα φωσφορικά ανιόντα (αρνητικά φορτισμένα ιόντα) ή το NaCl, το μαγνήσιο, το ασβέστιο, ο σίδηρος και τα κατιόντα αργιλίου (θετικά φορτισμένα ιόντα). Τα υδατικά διαλύματα οργανικών ενώσεων όπως: πετρέλαιο, φαινόλη, αλκοόλη, ζάχαρη μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς δύναμη, έτσι η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα είναι μικρή. Καθώς η αγωγιμότητα εξαρτάται από τη συγκέντρωση του διαλύματος, η μέτρηση της αγωγιμότητας είναι ένας καλό δείκτης του ποσοστού συγκέντρωσης διαλυμένων στερεών σωμάτων στο υδατικό διάλυμα. Η αγωγιμότητα εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία: η αγωγιμότητα ενός θερμότερου διαλύματος είναι μεγαλύτερη. Στο φυσικό περιβάλλον, η ποσότητα του άλατος μπορεί να είναι σχετικά μεγάλη τόσο στο έδαφος όσο και στο νερό. Για παράδειγμα, τα νερά των ποταμών είναι πολύ διαφορετικά όσον αφορά την αλατότητά τους λόγω των διαφορετικών τύπων εδάφους, γεωλογικών δομών και της αλατότητας των υπόγειων ρευμάτων νερού. Προβλήματα δημιουργούνται όταν αλλάζει η ισορροπία όσον αφορά την αλατότητα στο φυσικό περιβάλλον. Η αλατότητα αποτελεί μεγάλη απειλή για τα επιφανειακά και υπόγεια υδατικά συστήματα. Ανάλογα με την ποσότητα άλατος στο έδαφος, αλλάζει και η ανάπτυξη των φυτών. Η μεγάλη αλατότητα των ποταμών μπορεί να περιορίσει τη χρήση του νερού στα συστήματα άρδευσης, στη γεωργία και την παροχή πόσιμου νερού. Η αλατότητα μπορεί επίσης να επηρεάσει τη χλωρίδα του γλυκού νερού, τη χλωρίδα, την πανίδα και τη βλάστηση των ακτογραμμών. Στις πόλεις, η αλατότητα του νερού μειώνει το χρόνο εκμετάλλευσης των οικιακών και βιομηχανικών συσκευών, αυξάνει τη χρήση προϊόντων καθαρισμού καθώς και τα έξοδα συντήρησης. Στα υδατικά διαλύματα οι μετρήσεις αγωγιμότητας που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι micro- Siemens για εκατοστόμετρα (μs / cm) και milli-siemens για εκατοστόμετρα (ms / cm).
Ερωτήσεις Απαντήσεις 1. Τι είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα; 2. Τι καθορίζει την αγωγιμότητα ενός διαλύματος;. 3. Πώς μετριέται η ηλεκτρική αγωγιμότητας ενός διαλύματος; 4. Με την εξάτμιση αλατούχου νερού, λαμβάνουμε 3% αλάτι. Πόσο αλάτι μπορούμε να λάβουμε εάν εξατμίσουμε 36kg αλατούχου νερού; 5. Να γράψετε τις γραμμικές εξισώσεις της πιο κάτω γραφικής παράστασης.
Έρευνα για την αλατότητα του νερού Φύλλο απαντήσεων Να συμπληρώσετε τα δεδομένα του πίνακα. Αριθμός Δοκιμής 1 Μάζα άλατος m d, g Μάζα νερού m v, g Ποσοστό συγκέντρωσης c % Ένταση ρεύματος I, ma 2 3 4 5 6 Από τα δεδομένα του πίνακα, να σχεδιάσετε τη γραφική παράσταση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος στο διάλυμα άλατος σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση.
Από τη γραφική να υπολογίσετε την αλλαγή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος όταν το ποσοστό της συγκέντρωσης άλλαξε κατά ένα τοις εκατόν. I/ c =... ma/%. Από τη γραφική να υπολογίσετε, η ένταση του ρεύματος του διαλύματος για 5% NaCl είναι: I (5 %) =... ma, Από τη γραφική να ορίσετε, η ένταση του ρεύματος του διαλύματος για 7% NaCl είναι: I (7 %) =... ma, Στη γραφική παράσταση, η κλίση της ευθείας, δηλαδή η εφαπτομένη της γωνίας είναι η αλλαγή της αγωγιμότητας Επιπρόσθετα: Από τη γραφική παράσταση, να καταγράψετε την εξίσωση της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με το επίπεδο συγκέντρωσης.... Να ορίσετε τη φυσική έννοια του συντελεστή γραμμικής κατεύθυνσης... Συμπεράσματα: Να γράψετε ένα συμπέρασμα όσον αφορά την ένταση του ρεύματος σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση NaCl:...... Να γράψετε ένα συμπέρασμα όσον αφορά το μαθηματικό τύπο της ένταση του ρεύματος στο διάλυμα σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση NaCl.......
Μέτρηση της συγκέντρωσης αλατούχου διαλύματος Η παρασκευή αγγουριών τουρσί για το χειμώνα, προϋποθέτει την ετοιμασία ενός αλατούχου διαλύματος. Ο Θωμάς και η μητέρα του έχουν ετοιμάσει 1.5kg αλατούχου διαλύματος, αναμιγνύοντας 3 κουταλιές με αλάτι στο νερό. Μια κουταλιά με αλάτι ζυγίζει 20g. Τι συγκέντρωση αλατούχου διαλύματος έχουν ετοιμάσει ο Θωμάς και η μητέρα του; Ο Θωμάς προσπαθεί να βοηθήσει τη μητέρα του να ετοιμάσουν μεγαλύτερη ποσότητα αλατούχου διαλύματος, όμως κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ξέχασε να μετρήσει πόσες κουταλιές αλατιού χρησιμοποίησε. Στην τάξη, κατά τη μέτρηση 100g του διαλύματος που δημιούργησε βρήκε ότι η ένταση του ρεύματος ισοδυναμεί με I x = 150 ma. Από τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος στο αλατούχο διάλυμα σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση (που έχει δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια του μαθήματος) να εξηγήσετε εάν ο Θωμάς βρήκε σωστή απάντηση.