Magdalena Osial Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 Projekt Koroduj

2 Magdalena Osial Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski Z zawodu jestem chemikiem, z wyboru naukowcem, a z pasji popularyzatorem nauki. Udzielam się w różnych przedsięwzięciach mających na celu zainteresowanie dzieci i młodzież przedmiotami ścisłymi oraz przyszłą karierą naukowca. Przemierzając najdalsze zakątki kraju, bezustannie prowadzę warsztaty naukowe w ramach projektu Manufaktura Naukowców. Jestem pozytywnie zakręcona na punkcie nauki, swoim podejściem zarażam najmłodszych pasją do odkrywania tajemnic świata i zgłębiania wiedzy. W wolnej chwili rysuję, majsterkuję i uczę się od gry na pianinie po haft. Mam duszę włóczykija i nonkonformisty, a każdy dzień jest dla mnie nowym wyzwaniem. Ciekawość świata nie pozwala mi usiedzieć w miejscu. Koroduj Projekt zalecany dla uczniów z klas VII i VIII (klas gimnazjalnych) Projekt można zrealizować w ciągu 4 miesięcy, większość działań w budynku szkoły. Projekt dotyczy korozji obejmie badanie wpływu czynników zewnętrznych na wytrzymałość metali oraz wpływ produktów korozji na wzrost roślin.

3 Na zdjęciu powyżej widać przykład korozji atmosferycznej (wpływ wody i powietrza) oraz biologicznej (spowodowanej makroosadem tworzonym przez wąsonogi widoczne na zdjęciu). Moje badania Na co dzień wytwarzam i badam nanomateriały, czyli materiały w rozmiarze od 1 do 100 miliardowych części metra. Materiały o tak małym rozmiarze mają inne właściwości fizykochemiczne niż te o dużych rozmiarach, np. 1 m 0.1 µm. Dzięki swoim właściwościom (np. określony kształt, struktura...) mogą być zastosowane w wielu dziedzinach życia. W swojej pracy zajmuję się dwoma rodzajami nanomateriałów: takimi, które mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach do wytwarzania elektryczności z energii słonecznej (fotowoltaika) oraz takimi, które wspierają medycynę. Materiały do fotowoltaiki to półprzewodniki (np. krzem), przewodzące elektryczność słabiej niż metale, ale mogące pochłaniać promieniowanie słoneczne. Dzięki temu można ich użyć do przetwarzania energii słonecznej w elektryczność. W moich badaniach sprawdzam, jak właściwości otrzymanych materiałów zmieniają się w zależności od warunków ich wytwarzania: wybrane półprzewodniki wytwarzam na przykład elektrochemicznie (wymuszam reakcje chemiczne za pomocą prądu) i sprawdzam, jak wielkość przyłożonego napięcia lub natężenia prądu wpływa na jakość powstałego materiału (np. na jego skład chemiczny, zdolność do pochłaniania światła słonecznego, podatność na korozję). Nanomateriałem są na przykład włókna papieru, łuski na skrzydłach motyli czy cząsteczka cukru. Pod nazwą fotowoltaika kryje się bardzo prosty proces pozyskiwania energii elektrycznej ze słońca co sprawia, że jest przyjazna dla środowiska.panele fotowoltaiczne zrobione są z krzemu, który przechwytując fotony (najmniejsze jednostki światła), wprawia w ruch elektrony, co produkuje energię elektryczną. Prąd stały płynący z paneli słonecznych do inwentera solarnego zmieniany jest na prąd zmienny, dzięki któremu działają urządzenia w domu. Oprócz wytwarzania i badania półprzewodników, zajmuję się także materiałami, które mogą być przydatne w medycynie. Zawierają one żelazo, przez co mogą być przyciągane przez magnes. Wytwarzam je, mieszając różne związki chemiczne i otrzymuję ziarna o wielkości sto razy mniejszej niż rozmiar czerwonych krwinek we krwi. Dzięki temu nie są one atakowane przez układ odpornościowy zaraz po podaniu ich do tkanki. Do powstałych ziaren przyłączam leki przeciwnowotworowe i tak zmodyfikowane nanomateriały badam różnymi metodami, np. sprawdzam czy ziarna sklejają się, czy opadają na dno naczynia lub przenikają przez błony biologiczne, czy są bezpieczne dla organizmu Takie materiały mają unikalne własności magnetyczne. Jeśli podamy materiał bezpośrednio do tkanki nowotworowej i przyłożymy odpowiednie pole magnetyczne, to cząstka materiału rozgrzeje się, zabijając komórki raka. Łącząc ten efekt z lekami przeciwnowotworowymi, będzie można skuteczniej leczyć pacjentów. W obu dziedzinach otrzymane materiały mogą być odporne na środowisko, w którym znajdują się lub ulegać korozji w kontakcie z wodą, powietrzem, solami itd. Stąd moje zainteresowanie badaniami nad korozją.

4 Nasz wspólny projekt Korozja jest procesem stopniowego niszczenia materiału, głównie pod wpływem czynników zewnętrznych, którego nie można wyeliminować, ale daje się znacznie ograniczyć. Korozję mogą wywoływać także ropa naftowa, gazy spalinowe, a nawet gazy takie jak amoniak, dwutlenek węgla i inne związki chemiczne. Zjawisko jest powszechne i niechciane, szczególnie w budownictwie oraz przemyśle samochodowym, gdzie korozja powoduje rdzewienie maszyn, karoserii samochodów, a metalowe elementy szybko się przez to niszczą i muszą być wymieniane. W przypadku metali lub stopów (np. pręt stalowy), proces korozji zachodzi bardzo szybko pod wpływem elektrolitu (np. słonej wody). Wtedy zjawisko ma charakter elektrochemiczny, a obecność soli w wodzie przyspiesza ten proces. Korozji mogą ulegać także tworzywa sztuczne takie jak osłony do izolowania kabli, rury, uszczelki, przewody narażone na wysokie temperatury lub wysokie ciśnienie, kompozyty (np. osłony turbin w maszynach, osłony silnikowe), zawory, beton, ceramika (w osłonach do bezpieczników elektrycznych) i wiele innych, przez co zostaje osłabiona ich struktura i wytrzymałość. Projekt Koroduj ma na celu przedstawienie zjawiska korozji oraz uświadomienie, jaki wpływ mają czynniki zewnętrzne na wytrzymałość materiałów, przez szereg eksperymentów. Przeprowadzone doświadczenia ułatwią poznanie różnic pomiędzy metalami a ich położeniem w układzie okresowym pierwiastków, poznanie sposobów ochrony różnych materiałów przed korozją, zrozumienie czym jest skala ph oraz czym różnią się od siebie kwasy, zasady i sole. Uczniowie poznają procesy zachodzące dla różnych metali jeśli znajdą się one w kontakcie z wodą, słoną wodą, ziemią, betonem, pod wpływem różnych temperatur, nasłonecznienia i innych czynników zewnętrznych. Eksperymenty będą podzielone na kilka części: sprawdzanie jak rózne roztwory wpływają na korozję próbek metali, Dodatkowo omawiane będą skutki stosowania soli do odmrażania nawierzchni, działania soli morskiej na elementy metalowe stosowane w przemyśle morskim, wpływ soli i innych związków chemicznych na korozję zbrojenia metalowego w budownictwie, wpływ dodatków do betonu na korozję zbrojenia. Zostanie także poruszony temat, dlaczego tylko niektóre metale można stosować w implantach medycznych i dlaczego niektóre z nich zastępuje się w przemyśle stopami metali. sprawdzanie jak próbki metali ulegają korozji po umieszczeniu ich w betonie i jak obecność korodujących próbek metali w ziemi wpływa na wzrost roślin. W trakcie realizacji projektu uczniowie zaplanują eksperymenty naukowe, w których próbki różnych metali, będą wystawiali na działanie wielu czynników zewnętrznych, aby przyspieszyć proces korozji. Mierzony będzie odczyn ph roztworów. Przygotowane próbki metali będą ważone przed eksperymentem oraz po, aby sprawdzić ubytek masy i oszacować, jak bardzo uległy korozji. Dodatkowo próbki metali będą zalewane betonem przygotowanym w naczyniach jednorazowych, a beton będzie wystawiany na działanie czynników zewnętrznych, analogicznie jak próbki metali nie zalane betonem. Po kilku tygodniach beton będzie rozłupany, aby sprawdzić co stało się z próbkami metali, które zostały w nim umieszczone. Próbki metali będą ważone przed umieszczeniem i po wyjęciu ich z betonu. Próbki metali będą też umieszczane w naczyniach jednorazowych wypełnionych ziemią, gdzie będą hodowane rośliny (trawa, rzeżucha ), aby sprawdzić, czy obecność metalu i produktów jego korozji wpływa na wzrost roślin. Część próbek zostanie pokryta powłokami ochronnymi (uczniowie pomalują je m.in. lakierem), aby sprawdzić, czy taki zabieg spowolni proces korozji. Uczniowie w ramach projektu poznają metodę badawczą: przeprowadzą eksperymenty (między innymi samodzielnie przygotują roztwory i próbki metali, zważą je, zmierzą odczyn ph, przygotują różnego rodzaju beton, wyhodują rośliny), przeanalizują otrzymane wyniki (dane zbiorą w programie typu Excel, będą mieli okazję zastanowić się, jak skład betonu wpływa na korozję) i wyciągną wnioski (odpowiedzą na pytanie, jak zabezpieczać różne metale przed korozją). pręt żelazny, pręt stalowy, drut miedziany, gwoździe ocynkowane i nieocynkowane, folia aluminiowa

5 Badanie korozji w różnych roztworach Badanie korozji w betonie Badanie korozji w ziemi oraz wpływu jej produktów na rośliny przygotowanie + ważenie próbek metali + badanie oporności multimetrem pokrywanie części próbek warstwą ochronną, np. lakierem przygotowanie roztworów soli, kwasowych, zasadowych, deszczówki przygotowanie betonu w naczyniach jednorazowych (z piaskiem itd.) przygotowanie ziemi w naczyniach jednorazowych pomiar ph roztworów umieszczenie próbek metali w betonie umieszczanie próbek metali w ziemi na kilka dni/tygodni umieszczenie metali w roztworach na kilka dni/ tygodni przygotowanie roztworów: soli, kwasowych i zasadowych sianie roślin ścieranie skorodowanej warstwy i ważenie próbek metali zalanie betonu z metalem przygotowanymi roztworami na kilka dni/tygodni badanie korozji, hodowla roślin i obserwacja ich wzrostu, badanie wpływu produktów korozji na rośliny rozłupanie betonu, obserwacja korozji oraz porównanie wyników

6 Potrzebne materiały Pomieszczenie dostęp do bieżącej wody (sala ze zlewem lub zlew w pobliżu sali) stół/ /ławka do przygotowania próbek sala z oknem lub wentylacją* Materiały Dostępne w sklepach budowlanych drut żelazny (Ø kilka mm) lub gwoździe żelazne drut stalowy (Ø kilka mm) lub gwoździe stalowe blacha stalowa gwoździe lub śrubki ocynkowane drut miedziany (Ø kilka mm) Do szkół zostaną dostarczone nieodpłatnie wybrane próbki innych metali: molibden, platyna, tytan, złoto i/lub inny metal w celu sprawdzenia jego odporności na korozję. cement szkło wodne sodowe lakier ochronny do metalu papier ścierny o małej ziarnistości Materiały Dostępne w większości sklepów/w szkole: NaOH (kret do czyszczenia rur) słaby kwas np. octowy (ocet) papierki uniwersalne do zmierzenia ph sól kuchenna piasek ziemia do hodowli roślin (ze sklepu lub z ogródka) ziarna rzeżuchy/trawy taca/kuweta wiaderko/miska (do przygotowania kilku kilogramów betonu) folia ochronna na stoliki w trakcie pracy naczynia jednorazowe plastikowe lub słoiki szklane talerzyki plastikowe jednorazowe łyżeczki jednorazowe / patyczki (do mieszania roztworów i próbek betonu) folia spożywcza lub woreczki jednorazowe rękawiczki gumowe/lateksowe/foliowe młotek Sprzęt na wyposażeniu szkoły miernik typu multimetr do mierzenia oporności lupa lub mikroskop do oglądania próbek Inne program Excel lub Gnumeric ( * Próbki betonu mogą być wytwarzane na świeżym powietrzu, ale do przechowywania próbek na czas trwania eksperymentów zalecana jest sala z wentylacją i/lub oknem

7 Na zdjęciu widać korozję stopu aluminium i bizmutu w wodzie. Obraz z mikroskopu optycznego o wymiarach 1,6x1,2 mm. Podsumowanie Projekt ma na celu zrozumienie przez uczniów zjawiska korozji oraz uświadomienie wpływu czynników zewnętrznych na wytrzymałość metali. Jednocześnie projekt skupi się na wyrobieniu u uczniów umiejętności w zakresie komunikacji w grupie, pracy zespołowej, organizacji pracy w trakcie wykonywania eksperymentu, a także polepszenie umiejętności prezentacji wyników uzyskanych w trakcie eksperymentu. Uczniowie dowiedzą się: na czym polegają różnice pomiędzy metalami czym jest korozja jak czynniki zewnętrzne wpływają na zjawisko korozji jakie procesy zachodzą dla różnych metali jeśli znajdą się one w środowisku (ziemia, woda) oraz jakie procesy zachodzą w roślinach, gdy środowisko jest zanieczyszczone metalami jak można ochronić metale przed korozją czym jest skala ph czym różnią się od siebie kwasy, zasady i sole dlaczego w licznych zastosowaniach przemysłowych zamiast czystego metalu używane są stopy jaki jest wpływ stosowania np. soli do odsalania, na elementy metalowe w konstrukcjach samochodów dlaczego tylko niektóre metale mogą być zastosowane w implantach medycznych Uczniowie poznają przede wszystkim metodę naukową w praktyce: od planowania eksperymentu, przez jego przeprowadzenie i analizę danych po wyciąganie wniosków oraz korzystanie ze źródeł naukowych. Projekt polecamy uczniom z klas VII i VIII (z klas gimnazjalnych) ze względu na stopień trudności oraz potrzebny zasób wiedzy.

8