8.8 sporz¹dza wykres na podstawie danych z tabeli (oznaczenie wielkoœci i skali na osiach), a tak e odczytuje dane z wykresu

Transkrypt

1 44. JAKA JEST TWARDOŒÆ WODY Z KRANU? 1. Realizowane treœci podstawy programowej Przedmiot Matematyka Fizyka Chemia Realizowana treœæ podstawy programowej Uczeñ: 8.1 zaznacza w uk³adzie wspó³rzêdnych na p³aszczyÿnie punkty o danych wspó³rzêdnych 8.2 odczytuje wspó³rzêdne danych punktów 8.8 sporz¹dza wykres na podstawie danych z tabeli (oznaczenie wielkoœci i skali na osiach), a tak e odczytuje dane z wykresu 5.6 prowadzi obliczenia z wykorzystaniem pojêæ: stê enie procentowe, masa substancji, masa rozpuszczalnika, masa roztworu, gêstoœæ. 9.8 podaje nazwy wy szych kwasów karboksylowych nasyconych (palmitynowy, stearynowy) i nienasyconych (oleinowy) i zapisuje ich wzory 9.9 opisuje w³aœciwoœci d³ugo³añcuchowych kwasów karboksylowych; projektuje doœwiadczenie, które pozwoli odró niæ kwas oleinowy od palmitynowego lub stearynowego 2. Kszta³cone kompetencje Kompetencje matematyczne i podstawowe kompetencje naukowo techniczne. 3. Cele zajêæ blokowych Doœwiadczalne oznaczenie twardoœci wody (kranowej, przegotowanej lub mineralnej). 4. Oczekiwane osi¹gniêcia ucznia Pos³uguje siê sprzêtem i szk³em laboratoryjnym, Przedstawia wyniki pomiarów w formie wykresu, Odczytuje dane z wykresu. strona Przyk³adowe rozwi¹zania Uczniowie powinni byæ podzieleni na grupy 2 lub 3 osobowe. Poni ej przedstawiono wykaz pomocy dla jednej grupy.

2 1. Wykaz pomocy dydaktycznych dla jednej grupy uczniów Lp. Pomoc dydaktyczna do przeprowadzenia eksperymentu Iloœæ sztuk 1 cylinder miarowy o v = 100 cm strzykawka o pojemnoœci pomiêdzy 2a5cm zlewki lub kubeczek 1 4 przygotowany przez nauczyciela roztwór myd³a cm 3 5 przygotowany przez nauczyciela roztwór soli wapnia 20 cm 3 6 papier milimetrowy 1 kartka 7 linijka, o³ówek 1 8 pusta butelka pet z napoju o pojemnoœci 0,33 lub 0,5 dm 3 z zakrêtk¹ 1 9 Mo na wczeœniej zadaæ uczniom, by przynieœli ze sob¹ wodê, jak¹ u ywaj¹ w domu (szczególnie, gdy uczniowie mieszkaj¹ daleko od siebie i korzystaj¹ z ró nych ujêæ wody pitnej). 10 woda destylowana lub demineralizowana 0,5 dm 3 2. Proponowany przebieg zajêæ z rozliczeniem czasowym Lp. Opis kolejnych dzia³añ Uwagi do realizacji dla nauczyciela Czas trwania w min 1 Podzielenie uczniów na grupy, przypomnienie przepisów BHP, Regulaminu Pracowni Zapoznanie z tematem æwiczenie i kart¹ pracy Badanie wody o znanej twardoœci Narysowanie wykresu Badanie twardoœci wody Przelicz twardoœæ wody na inne jednostki. 5 7 Kwalifikacja wody do klasy twardoœci. 5 8 Kalkulacja kosztów, ankiety, sprz¹tanie. 20 Ca³kowity czas trwania bloku 90 W æwiczeniu wykorzystuje siê zdolnoœæ myd³a (palmitynianu sodu) do tworzenia nierozpuszczalnych soli z kationami wapnia i magnezu. Reakcja ta zachodzi stechiometrycznie. Moment strona 177

3 wytr¹cenia wszystkich obecnych w roztworze kationów Ca 2+ oraz Mg 2+ jest wskazywany poprzez utworzenie obfitej piany. Przedstawiona propozycja jest modyfikacj¹ metody Clarka oznaczania twardoœci wody. Ze wzglêdu na trudne do zdobycia myd³o Clarka (alkoholowy roztwór palmitynianu potasu), proponuje siê u ycie roztworu zwyk³ego myd³a w kostce. Poni ej zamieszczono instrukcje dla nauczyciela, jak przygotowaæ roztwór myd³a oraz wodê (roztwór wzorcowy) o okreœlonej zawartoœci jonów Ca Przygotowanie roztwory myd³a. Roztwór myd³a (100cm 3 to dla 2 do 3 grup uczniowskich) nale y przygotowaæ co najmniej 1 dzieñ przed zajêciami. Za pomoc¹ no yka nale y rozdrobniæ (w formie wiórek) 5 g myd³a toaletowego (najlepiej myd³a Bia³y Jeleñ). Uwaga, do doœwiadczeñ nie nadaj¹ siê gotowe myd³a w p³ynie! Do odwa onego myd³a nale y dodaæ wody destylowanej do objêtoœci 90 cm 3 i ogrzaæ na ³aŸni wodnej do temperatury oko³o 90 C. Czynnoœæ tê mo na tak e wykonaæ w kuchence mikrofalowej (nie nale y zagotowywaæ roztworu). Ogrzewanie i mieszanie roztworu nale y powtórzyæ kilkukrotnie, a do ca³kowitego rozpuszczenia myd³a. Tak otrzymany roztwór po pewnym czasie (godzina do trzech godzin) mo e tê eæ, mo na wyd³u yæ ten okres czasu nawet do kilku godzin, dodaj¹c 10 cm 3 alkoholu etylowego. Je eli przed zajêciami oka e siê, i roztwór myd³a zakrzep³, naczynie z roztworem myd³a nale y wstawiæ na kilka minut do zlewki z gor¹ca wod¹. 2. Przygotowanie wody o znanej twardoœci. Do 1,11 g bezwodnego CaCl 2 (m. molowa 111 g) dodaæ wody destylowanej i uzupe³niæ do objêtoœci 20 cm 3. Tak przygotowany roztwór zawiera 20 mg Ca 2+ w1cm 3. Mo na u yæ soli uwodnionej lub innego rozpuszczalnego zwi¹zku wapnia, przeliczaj¹c odpowiednio masê tak, aby1cm 3 r-r zawiera³ 0,0005 mola wapnia. Je eli do 1 dm 3 wody destylowanej dodamy 1cm 3 tak przygotowanego roztworu, otrzymamy wodê o twardoœci 1 mval/dm 3 (1 mval odpowiada 20 mg Ca 2+ w1dm 3 ). Milival jest obecnie rzadko spotykan¹ jednostk¹, dlatego mo na w æwiczeniu u ywaæ jednostki mg CaCO 3 /dm 3 wiedz¹c e 1 mval = 50 mg CaCO 3, lub stopni niemieckich [ N] przy czym 1 mval= 2,8 N. Nauczyciel powinien przygotowaæ dwa roztwory wzorcowe np. o twardoœci 5 oraz 10 mval (do 1dm 3 wody destylowanej dodajemy 5, a do drugiego 10 cm 3 przygotowanego wczeœniej roztworu wapnia). 3. Wykonanie æwiczenia. strona 178 W³aœciwie jedyn¹ poprawn¹ metod¹ przeprowadzenia æwiczenia jest wykonanie na pocz¹tku krzywej wzorcowej zu ytego myd³a (dla przygotowanej wody o znanej twardoœci), a nastêpnie w tych samych warunkach wykonanie badania wody o nieznanej twardoœci i odczytanie jej twardoœci z wykresu.

4 Proponuje siê odmierzanie 100 cm 3 wody za pomoc¹ cylindra miarowego do butelki po napoju z tworzywa sztucznego i dodawanie za pomoc¹ strzykawki po 1 cm 3 roztworu myd³a. Po ka dym dodaniu nale y butelkê zakrêciæ i dok³adnie wstrz¹sn¹æ. Procedurê powtarza siê a do momentu, gdy na powierzchni wody wytworzy siê obfita piana (o gruboœci np. ponad 1 cm) i utrzymuj¹ca siê np. przez co najmniej 60 sekund (do mierzenia czasu mo na pozwoliæ uczniom u yæ zegarków lub telefonów komórkowych). Kolejne doœwiadczenia uczniowie mog¹ wykonywaæ w tej samej butelce, przy czym ka dorazowo nale y j¹ przep³ukaæ wod¹ z kranu (tak, aby woda siê nie pieni³a), a nastêpnie wod¹ destylowan¹. Poni ej przedstawiono przyk³adow¹ krzyw¹ otrzyman¹ dla roztworów wzorcowych 5 oraz 10 mval/dm Iloœæ zu ytego myd³a [cm ] Twardoœæ wody [mval] Badaj¹c wodê z jednego z ujêæ zu yto 6 cm 3 myd³a. Z wykresu mo na odczytaæ, e odpowiada to twardoœci oko³o 7,5 mval/dm 3. Z kolei przeliczaj¹c jednostki, odpowiada to 375 mg CaCO 3 /dm 3 oraz 21 N. W karcie pracy zamieszczono tabele, z której mo na odczytaæ, do jakiej klasy twardoœci mo na zaliczyæ tê wodê. W/g tabeli badan¹ wodê nale y zaliczyæ do wód twardych. W proponowanym æwiczeniu, oprócz zbadania w³asnej wody, uczniowie mog¹ sprawdziæ, jak zmienia siê twardoœæ wody po przefiltrowaniu j¹ przez filtr do wody (wiêkszoœæ dostêpnych modeli filtrów dzbankowych zawiera wymieniacz jonowy, zmiêkczaj¹cy wodê), a tak e sprawdziæ twardoœæ wody przed i po przegotowaniu (wtedy nale y wprowadziæ pojêcie twardoœci ogólnej i wêglanowej). Ciekawostk¹ mo e byæ zmierzenie twardoœci wody mineralnej i porównanie z deklarowan¹ przez producenta zawartoœci¹ kationów wapnia i magnezu (dla jonu Mg 2+ 1 mval /dm 3 odpowiada zawartoœci 12 mg magnezu). Pozosta³e kationy, mog¹ce wp³ywaæ na twardoœæ (np. glin, elazo, cynk), ze wzglêdu na ich niewielk¹ zawartoœæ, nale y pomin¹æ. Mo na tak e potwierdziæ, e woda destylowana jest pozbawiona jakichkolwiek kationów bêdzie siê pieniæ ju przy niewielkiej iloœci myd³a. strona 179

5 Karta pracy ucznia Drogi Uczniu! Na dzisiejszych zajêciach wykorzystasz, przygotowany przez nauczyciela, roztwór zwyk³ego myd³a w kostce, do okreœlenia twardoœci wody. Æwiczenie nie jest trudne, masz do dyspozycji roztwór myd³a, strzykawkê, cylinder miarowy, oraz dwie wody o znanej twardoœci. Z okreœlaniem twardoœci wody jest jeden ma³y problemu ywane s¹ ró ne jednostki, w jakich siê j¹ wyra a, na szczêœcie przeliczanie ich nie jest trudne. Woda o twardoœci 1 mval/dm 3 (czytaj miliwal na decymetr szeœcienny) odpowiada wodzie o twardoœci 50 mg CaCO 3, oraz wodzie o twardoœci 2,8 N (czytaj stopni niemieckich). Reasumuj¹c: 1 mval/dm 3 = 50 mg CaCO 3 /dm 3 = 2,8 N Za twardoœæ wody odpowiedzialne s¹, przede wszystkim, kationy wapnia i magnezu, rozpuszczone w wodzie. To one s¹ odpowiedzialne za tworzenie siê kamienia kot³owego, czyli dobrze znanego Ci osadu w czajniku elektrycznym. Im twardsza woda, tym wiêcej musisz zu yæ myd³a, aby dok³adnie wymyæ rêce, bowiem do twardej wody nale y dodaæ wiêcej myd³a, aby zaczê³a siê pieniæ. Myd³o (takie w kostce) to w gruncie rzeczy zwi¹zek chemiczny o nazwie palmitynian sodu. Palmitynian sodu jest sol¹ kwasu palmitynowego. Zwi¹zek ten w obecnoœci (miêdzy innymi) jonów wapnia i magnezu tworzy nierozpuszczalny osad. ¹cz¹c siê z tymi jonami (a to one s¹ odpowiedzialne za twardoœæ wody) niejako je unieruchamia, dziêki czemu powoduje zmiêkczenie wody. Gdy myd³o zwi¹ e wszystkie jony wapnia i magnezu, woda staje siê miêkka i zaczyna siê pieniæ. W³aœnie tê w³aœciwoœæ myd³a dzisiaj wykorzystasz, aby okreœliæ twardoœæ badanej wody. Poniewa stê enie palmitynianu sodu w roztworze myd³a, które otrzymasz od nauczyciela, nie jest okreœlone (myd³o w kostce, które nauczyciel rozpuœci³ oprócz palmitynianu sodu zawiera wiele innych substancji) na pocz¹tku musisz u yæ wody o znanej twardoœci i zmierzyæ dok³adnie, ile potrzeba myd³a, aby zaczê³a siê pieniæ. Je eli czynnoœæ tê powtórzysz dla dwóch ró nych, znanych twardoœci wody, bêdziesz móg³ na papierze milimetrowym wykreœliæ zale - noœæ iloœci zu ytego myd³a od twardoœci wody. Maj¹c taki wykres, mo esz zbadaæ twardoœæ dowolnej wody. Z wykresu odczytasz, jakiej twardoœci odpowiada zu yta przez Ciebie iloœæ myd³a. Zadanie1. Badanie wody o znanej twardoœci. strona 180 Twardoœæ wody pierwszej... Iloœæ zu ytego myd³a... Twardoœæ wody drugiej... Iloœæ zu ytego myd³a...

6 Zadanie 2. Narysowanie wykresu. Na papierze milimetrowym narysuj wykres, na którym zaznaczysz punkty z zadania 1. Nastêpnie po³¹cz je lini¹ prost¹. Zadanie 3. Badanie twardoœci wody. Analogicznie, jak w zadaniu pierwszym, postêpuj z wod¹ o nieznanej twardoœci. Twardoœæ wody (na podstawie iloœci zu ytego myd³a) odczytaj z wykresu. Twardoœæ badanej wody wynosi... Zadanie 4. Przelicz twardoœæ wody na inne jednostki. Twardoœæ badanej wody wynosi:...mval/dm 3... mg CaCO 3 /dm 3... N Zadanie 5. Korzystaj¹c z tabeli poni ej, zakwalifikuj wodê do odpowiedniej klasy twardoœci. klasa twardoœci wody mval/dm 3 mg CaCO 3 /dm 3 N bardzo miêkka miêkka 2 3, œrednio twarda 3, twarda bardzo twarda >11 >550 >31 Badana woda jest wod¹... strona 181

7 Kalkulacja kosztów wykonania eksperymentu Lp. Pomoc dydaktyczna Iloœæ sztuk Suma kosztów Cena jednostkowa Cena ³¹czna Oszacowanie kosztów pracy Lp. Zadanie Czas wykonania (h) Liczba osób ¹cznie osobogodzin pracy Cena osobogodziny pracy (z³) Koszt Suma: strona 182