NTSE - Nano Technology Science Education Project No: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ Εικονικό εργαστήριο: http://vlab.ntse-nanotech.eu/nanovirtuallab/ 1
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Πρόλογος για καθηγητές 2. Εισαγωγή 3. Μαθησιακή διαδικασία 4. Συμπέρασμα 5. Αξιολόγηση Το πλάνο του μαθήματος έχει δημιουργηθεί για να βοηθήσει τους καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να κάνουν μια εισαγωγή για τη νανοτεχνολογία στην τάξη και να χρησιμοποιήσουν τις πληροφορίες που δίνονται στην ιστοσελίδα (www.ntse-nanotech.eu ). Απευθύνεται σε Διάρκεια Θεματικές Ομάδες μαθητών ηλικίας 14-18 ετών 90 λεπτά Φυσική-Χημεία ΣΤΟΧΟΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το μάθημα "Νανοκρύσταλλα" εξερευνεί τη νανοτεχνολογία και εστιάζει στον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται τα νανοκρύσταλλα. Το μάθημα δίνει στους μαθητές πληροφορίες για τις κρυσταλλικές δομές. Οι μαθητές μαθαίνουν τη διαδικασία κρυστάλλωσης, συμμετέχουν σε πρακτικές δραστηριότητες προσομοίωσης της πυρηνοποίησης και της ανάπτυξης των κόκκων σε αντικείμενα της καθημερινής μας ζωής. ΣΚΟΠΟΙ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Να γίνουν κατανοητές οι ιδιότητες των νανοκρυστάλλων Να γίνει κατανοητή η δομή των κρυστάλλων Να γίνει κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο δημιουργούνται οι νανοκρύσταλλοι Να γίνει κατανοητός ο τρόπος που δουλεύει η τεχνολογία σήμερα Να γίνει σύνδεση των μαθημάτων των θετικών επιστημών με τη διαδικασία δημιουργίας των νανοκρυστάλλων Να μάθουν οι μαθητές τις περιοχές εφαρμογής της νανοτεχνολογίας σε ότι αφορά τα νανοκρύσταλλα ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Θα πρέπει οι μαθητές να γνωρίζουν τους παρακάτω όρους οι οποίοι περιλαμβάνονται στο κείμενο: Άτομα και δεσμοί, 2
Ιοντική ένωση, Διάλυμα ΠΡΟΣΔΟΚΩΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ Να κατανοήσουν τον όρο κρυσταλλική δομή Να συνδέσουν τα νανοκρύσταλλα με τη νανοτεχνολογία Να κατανοήσουν τις έννοιες της διαλυτότητας και της καθίζησης. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ Υλικό ανάγνωσης για τους μαθητές Video πειραμάτων (Κατασκευή νανοκρυστάλλων με ελεγχόμενη καθίζηση διαλύματος πρόδρομου διαλύματος) Πειραματική προσομοίωση 1 και 2 (Νανοκρύσταλλοι-Οξικός Ψευδάργυρος) ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ Πίνακας αυτοαξιολόγησης Κουίζ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΙΔΕΑ Αναθέστε στους μαθητές να εξετάσουν άλλες νανοκρυσταλλικές δομές για να βρουν ποιες είναι οι φυσικές τους ιδιότητες σε νάνο μέγεθος. 3
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ Σύντομη Περιγραφή της Δραστηριότητας και Συνοπτικό Θεωρητικό Υπόβαθρο Τα κρύσταλλα έχουν μεγάλο εύρος και συμμετρικά γεωμετρικά σχήματα. Τα άτομα είναι τακτικά οργανωμένα σε συμμετρικά γεωμετρικά σχήματα. Καθώς τα άτομα έχουν σφαιρικό σχήμα, δε μπορούν να σχηματίσουν αποτελεσματικά όγκους σε κύβο, τετράγωνο κτλ. Η πιο αποτελεσματική συσσωμάτωση που μπορούν να πετύχουν είναι 74% και συναντάται σε κυβικές ολοεδρικά κεντρωμένες δομές (fcc) και σε εξαγωνικά πλέγματα πυκνής δομής (hcp). Για περισσότερες πληροφορίες: http://departments.kings.edu/chemlab/animation/clospack.html Σχήμα 1: Κυβικές ολοεδρικά κεντρωμένες δομές (fcc) (1) Σχήμα 2: Εξαγωνικά πλέγματα πυκνής δομής (hcp) (2 Παράδειγμα: η κυτταρική δομή μιας μονάδας νανοσωματιδίου χρυσού, η οποία αναφέρεται στο κείμενο μελέτης για τους μαθητές, είναι μια κυβική ολοεδρικά κεντρωμένη δομή (fcc). Οι φυσικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων αυτών διαφέρουν ανάλογα με το μέγεθος τους. Για παράδειγμα: Το διάλυμα νανοσωματίδιου χρυσού των 12 nm είναι ΚΟΚΚΙΝΟ! Σχήμα 3: Δομή fcc του χρυσού (3) 4
ΜΑΘΗΣΙΑΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Πριν το μάθημα Ανάθεση εργασίας: Δώστε στους μαθητές το κείμενο για τους Νανοκρύσταλλους και ζητήστε τους να το μελετήσουν. Προετοιμασίες πριν το μάθημα: Προετοιμασία των υλικών που χρειάζονται για τις δραστηριότητες που αναφέρονται παραπάνω Διαρρύθμιση της τάξης ώστε να δείτε το video. Κατά τη διάρκεια του μαθήματος: Βήμα-1 : Ο καθηγητής θα πρέπει να θέσει τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με το κείμενο. Ερώτηση 1: Πότε χρησιμοποιήθηκε η νανοτεχνολογία για πρώτη φορά; Τα νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά κατά το Μεσαίωνα (10-18 ο αιώνα) για να χρωματίσουν τα τζάμια σε ναούς κτλ. Ερώτηση 2: Για ποιο λόγο παρατηρούμε διαφορετικές ιδιότητες στη νανοκλίμακα; Το σχήμα και το μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρεάζει τις φυσικές τους ιδιότητες. Η διάμετρος των νανοσωματιδίων επηρεάζει το μήκος κύματος του φωτός που απορροφάται. Επίσης, το εμβαδό επιφανείας των νανοσωματιδίων επηρεάζει την αντιδραστικότητα τους. Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδό επιφανείας τόσο μεγαλύτερη είναι η χημική αντιδραστικότητα. Ερώτηση 3: Ποιες είναι οι δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στην κατασκευή νανοσωματιδίων; Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις στην κατασκευή νανοσωματιδίων: η από πάνω προς τα κάτω (top-down) και από κάτω προς τα επάνω (bottom-up). Η μέθοδος από πάνω προς τα κάτω ουσιαστικά μειώνει το μέγεθος υλικών που έχουν μεγάλο μέγεθος κατεβαίνοντας τη νανοκλίμακα. Η μέθοδος από κάτω προς τα πάνω δημιουργεί προϊόντα χτίζοντας τα άτομο προς άτομο (ή μόριο προς μόριο). Σχήμα 4a: Προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω (4) Σχήμα 4b: Προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω (5) 5
Ερώτηση 4: Τι είναι διάλυση; Τι πιστεύετε ότι συμβαίνει όταν η ζάχαρη διαλύεται σε ζεστό νερό; Ο καθηγητής θα πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές να φέρουν στο μυαλό τους τι συμβαίνει σε ένα διάλυμα και έπειτα να δουν το video με το πείραμα. Διάλυση είναι η διαδικασία με την οποία ένα στερεό, υγρό ή αέριο σχηματίζει ένα διάλυμα σε ένα διαλύτη. Για τα στερεά, η διαδικασία της διάλυσης μπορεί να εξηγηθεί ως η διάσπαση του κρυσταλλικού πλέγματος σε ξεχωριστά ιόντα, άτομα ή μόρια και η μεταφορά τους στο διαλύτη. Για τα αέρια και τα υγρά, τα μόρια πρέπει να είναι συμβατά με αυτά του διαλύτη, ώστε να δημιουργηθεί διάλυμα. Εργασία 1: Ζητήστε από τους μαθητές να βρουν τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η διαλυτότητα. Βήμα 2: Δείτε μαζί το video του πειράματος Ζητήστε από τους μαθητές να αναγνωρίσουν κάποιες λέξεις-κλειδιά όπως η διάλυση, καθίζηση, νανοσωματίδια, κρύσταλλοι, νανοκρύσταλλοι, ορατό φως, συσσωμάτωση. Βήμα 3: Θέστε τις επόμενες ερωτήσεις στους μαθητές Ερώτηση 5: Τι συμβαίνει όταν ο οξικός ψευδάργυρος αναμειγνύεται με αιθανόλη που βρίσκεται σε θερμοκρασία βρασμού; Ο οξικός ψευδάργυρος διαλύεται στην αιθανόλη που βρίσκεται σε θερμοκρασία βρασμού και διασπάται σε ιόντα. Παρατηρήστε ότι ενώ τα σωματίδια δεν είναι ορατά, ο οξικός ψευδάργυρος εξακολουθεί να βρίσκεται στο διάλυμα με τη μορφή ιόντων Zn +2 και CH 3 COO -. Ερώτηση 6: Για ποιο λόγο πιστεύετε ότι τα ιόντα του διαλύματος δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι; Το γυμνό μάτι δε μπορεί να δει αντικείμενα μικρότερα από 0.1 mm (1/10.000 m). Τα σωματίδια που σχηματίζονται μετά τη διάλυση είναι τόσο μικρά που δε μπορούν να αντανακλάσουν ακτινοβολία με μήκος κύματος στα πλαίσια του ορατού φάσματος. Πείραμα στο εργαστήριο Διαδικασία εργαστηριακού πειράματος: Παρακάτω αναλύονται τα βήματα που πρέπει να ακολουθήσει ο καθηγητής κατά τη διάρκεια του πειράματος. 1. Ο καθηγητής ζητά από ένα μαθητή να γράψει τον τύπο του οξικού ψευδάργυρου στον πίνακα και από έναν άλλο μαθητή να σχεδιάσει την κρυσταλλική δομή του. 2. Δείξτε ένα προς ένα τα αντικείμενα (υλικά) που θα χρησιμοποιηθούν στο πείραμα και ρωτήστε τους τα ονόματα τους και τη χρήση τους. Διένυδρος οξικός ψευδάργυρος: διαλυτή ουσία, Δοχείο: Περιέκτης διαλυτής ουσίας. 6
Ογκομετρικός κύλινδρος: για μέτρηση του διαλύτη, Ψηφιακό θερμόμετρο υγρών: για μέτρηση της θερμοκρασίας του διαλύματος, Συσκευή ζύγισης: για μέτρηση της ποσότητας της διαλυτής ουσίας, Σπάτουλα: για μεταφορά της διαλυτής ουσίας στο διάλυμα. Zn(CH 3 COO) 2 Zn(CH 3 COO) 2.2(H 2 O) (a) (b) (c) Σχήμα 5: (a) Δομή οξικού ψευδάργυρου, (b) Τύπος οξικού ψευδαργύρου, (c) Τύπος διένυδρου οξικού ψευδαργύρου (6) 3. Βάλτε 50 ml αιθανόλης στον περιέκτη. Ρυθμίστε το θερμοστάτη στους 100 0 C. Όταν φτάσει τους 100 0 C, βάλτε επάνω τον περιέκτη και περιμένετε να βράσει. Όταν φτάσει στο σημείο βρασμού (ΣΒ.=). C, ρίξτε στην αιθανόλη με τη βοήθεια της σπάτουλας 1,1 g οξικού ψευδαργύρου, του οποίου το βάρος θα έχετε μετρήσει στη ζυγαριά. Θα δείτε ότι το διάλυμα θα γίνει θολό και μετά από λίγο θα γίνει διάφανο. Ζητήστε από τους μαθητές να το παρατηρήσουν προσεκτικά και να εστιάσουν στη διαδικασία. Ζητήστε από τους μαθητές να σκεφτούν προσεκτικά και να πουν τη γνώμη τους για ότι συνέβη σε αυτό το στάδιο. Ο οξικός ψευδάργυρος ιονίζεται σε απελευθερώνεται κρυστάλλους. O H Zn και CH και σε αυτό το στάδιο, COO. Τα ιόντα που διαχέονται στο διάλυμα σχηματίζουν τους 4. Αφήστε το διάλυμα να ψυχθεί και να φτάσει σε θερμοκρασία δωματίου ( C ). Ρωτήστε τους μαθητές τι περιμένουν να δουν στο τέλος αυτού του σταδίου. Παρατηρήστε την καθίζηση και ρωτήστε τους μαθητές σχετικές ερωτήσεις με σκοπό να καταλήξουν στο επιθυμητό συμπέρασμα. o Ενώ ψύχεται τι παρατηρείτε; o Γιατί νομίζετε ότι το διαυγές διάλυμα θόλωσε; Βήμα 4: Δείτε τις Προσομοιώσεις 1 και 2 (Διάλυση και Μοριακής Διάλυση) με τους μαθητές. Επικεντρώστε την προσοχή σας στον ιονισμό. 7
Βήμα 5: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα σχετικά με τις προσομοιώσεις. Ερώτηση 7: Για ποιο λόγο πιστεύετε ότι χρησιμοποιήθηκε καυτή αιθανόλη σε σημείο βρασμού στο πείραμα αυτό; Η διαλυτότητα των στερεών εξαρτάται από τη θερμοκρασία του διαλύτη. Γενικά, η διαλυτότητα των στερεών είναι ευθέως ανάλογη με τη θερμοκρασία. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιήθηκε καυτή αιθανόλη. Ερώτηση 8: Τι πιστεύετε ότι συμβαίνει όταν αφήνετε το διάλυμα να ψυχθεί; Ο καθηγητής θα πρέπει να καθοδηγήσει τους μαθητές στο να κατανοήσουν ότι αφού η διαλυτότητα είναι ευθέως ανάλογη με τη θερμοκρασία, όταν η θερμοκρασία του διαλύματος μειώνεται, ιόντα Zn +2 and CH 3 COO - σχηματίζουν κρυστάλλους οξικού ψευδαργύρου και παθαίνουν καθίζηση. Βήμα 5: Κάντε τη Δραστηριότητα 1 που περιγράφεται στις Οδηγίες για Μαθητές. Βήμα 6: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα σχετικά με τη δραστηριότητα. Συζητήστε τι συμβαίνει στη δραστηριότητα και συσχετίστε το με το video του πειράματος. Ερώτηση 9: Τι πιστεύετε ότι συμβολίζει αυτή η δραστηριότητα; Την μοριακή διάλυση Ερώτηση 10: Πιστεύετε ότι σε ζάχαρης; ένα φλιτζάνι τσάι μπορούμε να διαλύσουμε άπειρη ποσότητα Όχι Ερώτηση 11: Τι πιστεύετε ότι θα συμβεί αν βάλουμε στο φλιτζάνι περισσότερη ζάχαρη από αυτή που μπορεί να διαλύσει το τσάι; Η περίσσια ποσότητα θα καθιζάνει. Ερώτηση 12: Τι πιστεύετε ότι θα συμβεί όταν το τσάι αρχίσει να κρυώνει και αφού η ζάχαρη έχει διαλυθεί; Καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, η διαλυτότητα της ζάχαρης μειώνεται. Έτσι, τα μόρια ζάχαρης αρχίζουν να καθιζάνουν. Εργασία 2: Ζητήστε από τους μαθητές να ανακαλύψουν με ποιο τρόπο και για ποιο λόγο παθαίνουν καθίζηση τα διαλυμένα στερεά σε ένα διάλυμα. Βήμα 8: Δείτε μαζί με τους μαθητές τις Προσομοιώσεις 3 και 4 (Καθίζηση και Μοριακή Καθίζηση). Συζητήστε τι συμβαίνει όταν το διάλυμα ψύχεται. Ρωτήστε τους μαθητές πώς πιστεύουν ότι γίνεται η καθίζηση. Επικεντρώστε την προσοχή τους στις κρυσταλλικές δομές των στερεών και κάντε μαζί τις δραστηριότητες 2 και 3. 8
Βήμα 9: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα στους μαθητές Ερώτηση 13: Θα μπορούσε η ταχύτητα με την οποία ψύχεται το διάλυμα να επηρεάσει τη δομή του στερεού που παθαίνει καθίζηση; Η ταχύτητα της διαδικασίας ψύξης επηρεάζει τη δομή του στερεού που παθαίνει καθίζηση. Όταν το διάλυμα ψύχεται με αργό ρυθμό, το στερεό που παθαίνει καθίζηση θα έχει ένα μεγάλο εύρος κρυσταλλικών δομών. Από την άλλη, όταν το διάλυμα ψύχεται με πολύ γρήγορο ρυθμό, το στερεό που παθαίνει καθίζηση θα έχει ένα μικρό εύρος άμορφων δομών. Σύντομη περίληψη της διαδικασίας προσομοίωσης: Κάντε ερωτήσεις για το τι συμβαίνει όταν ρίξετε το Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O στο διάλυμα και για το χρονικό διάστημα όπου το διάλυμα γίνεται θολό και μετά γίνεται διάφανο. Στην αρχή υπάρχουν σωματίδια μεγαλύτερα από Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O ιονίζεται σε Zn και CH 3 COO -1 μm. Αφού αφήσετε το διάλυμα να ψυχθεί, ξεκινά η κρυστάλλωση. Τα άτομα έρχονται κοντά στο χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας. Αν η κρυστάλλωση συνεχίσει, μεγαλώνει το μέγεθος των κρυστάλλων Τα νανοκρύσταλλα αυτά συσσωματώνονται στο διάλυμα και μπορούν να διαχωριστούν όταν φτάσουν το 0,1 mm σε μέγεθος. Βήμα 10: Κάντε τη Δραστηριότητα 2 που περιγράφεται στις Οδηγίες για τους Μαθητές. Βήμα 11: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα σχετικά με τη δραστηριότητα. Ερώτηση 14: Πώς μπορεί να γεμίσει ο όγκος μιας κυβικής δομής κατά 100%; Συζητήστε το με τους μαθητές σας. Η κυβική δομή μπορεί να πληρωθεί 100% μόνο με τη χρήση ορθογώνιων ή κυβικών πρισμάτων. Ερώτηση 15: Με ποιο τρόπο θα γεμίσει αποτελεσματικότερα μια κυβική δομή με σφαιρικές δομές; Η κυβική δομή δε μπορεί να γεμίσει λόγω των κενών που αφήνουν οι σφαιρικές δομές. Το μεγαλύτερο ποσοστό συσσώρευσης είναι 74%. Ερώτηση 16: Υπάρχει πρότυπο στην αλληλουχία των σφαιρών; Συσχετίστε με τις κρυσταλλικές δομές. Μπορεί να υπάρχουν δύο πρότυπα: οι κυβικές ολοεδρικά κεντρωμένες δομές (fcc) και τα εξαγωνικά πλέγματα πυκνής δομής (hcp). 9
Βήμα 12: Κάντε τη Δραστηριότητα 3 που περιγράφεται στις Οδηγίες για τους Μαθητές. Βήμα 13: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα σχετικά με τη δραστηριότητα. Ερώτηση 17: Ποιες είναι οι διαφορές ανάμεσα σε κάθε δομή που σχηματίζεται στον πίνακα; Η πρώτη δομή είναι η μεγάλης ακτίνας στερεά δομή η οποία ονομάζεται «κρύσταλλος». Η δεύτερη δομή είναι η βραχείας ακτίνας στερεά δομή η οποία ονομάζεται «άμορφο». Ερώτηση 18: Μπορείτε να ταξινομήσετε ένα γυάλινο και ένα κρυστάλλινο βάζο σύμφωνα με τις δομές τους με μεγάλη και βραχεία ακτίνα; Το γυάλινο βάζο είναι ένα παράδειγμα του άμορφου στερεού και το κρυστάλλινο βάζο είναι ένα παράδειγμα των στερεών κρυστάλλων. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Ο καθηγητής ολοκληρώνει το μάθημα συζητώντας τα ακόλουθα: Αν θα οργανώνατε μια εκλαϊκευμένη δραστηριότητα, πώς θα αναφερόσαστε για τους νανοκρυστάλλους; Πόσο σημαντικοί νομίζετε ότι είναι οι νανοκρύσταλλοι στην τεχνολογία του μέλλοντος; 10
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ A- Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1. Καθώς ο οξικός ψευδάργυρος διαλύεται στο διάλυμα, διαχωρίζεται σε.. και.. ιόντα. 2. Όταν ο οξικός ψευδάργυρος διαλυθεί εντελώς, το διάλυμα είναι.. και.. 3. Η διαλυτότητα των ιοντικών ενώσεων εξαρτάται από το διαλύτη και. Β - Απαντήστε με (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος ( ) 1- Καθώς το διάλυμα ψύχεται, αυξάνεται η διαλυτότητα του οξικού ψευδαργύρου. Τα ιόντα έρχονται κοντά μεταξύ τους και σχηματίζουν νανοκρυσταλλικές δομές. ( ) 2- Όταν το διάλυμα ψύχεται, τα διαλυμένα σωματίδια αρχίζουν να παθαίνουν καθίζηση. Είναι ορατά όταν φτάσουν το 0.1mm σε μέγεθος. ( ) 3- Αφού το μέγεθος του ιζήματος είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, τα σωματίδια δε μπορούν να διαθλάσουν το φως. Απαντήσεις: Σωστό Λάθος 1- Λ 2- Σ 3- Σ Συμπληρώστε τα κενά. 1- Zn +2 - CH 3 COO - 2- Χωρίς χρώμα - καθαρό 3- θερμοκρασία ΑΝΑΦΟΡΕΣ (1) http://itl.chem.ufl.edu/2045/lectures/lec_h.html (2) http://itl.chem.ufl.edu/2045/lectures/lec_h.html (3) http://www.webelements.com/gold/crystal_structure.html (4)http://home.cc.umanitoba.ca/~hultin/chem2220/Support/CoolStuff/MolecularStructure/Scanning ProbeMicroscopy.htm (5)http://www.bruker.com/en/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/modes/modestechniques/specialized-modes/nanolithography.html (6) http://en.wikipedia.org/wiki/zinc_acetate 11
12