Studentenes navn: Kamilla Pedersen, Ida Henriette Tostrup og Therese Størkersen 12. oktober 2011 NA153 Naturfag 1 Del 1 Nr. 3 av 4 rapporter
Innholdsfortegnelse Innledning... 3 Teori... 5 Utstyr... 6 Framgangsmåte... 7 Delforsøk 1... 7 Delforsøk 2... 7 Risikovurdering... 7 Delforsøk 1... 8 Delforsøk 2... 10 Naturvitenskapelig drøfting... 11 Delforsøk 1... 11 Delforsøk 2... 11 Naturfagdidaktisk drøfting... 12 Konklusjon... 13 Kilder... 14 2
Forsøk 3: Gjenskapelse av undertrykk fra Forsøk 1: egg i eddik av 22.09.11 Innledning Forsøket tar utgangspunkt i rapporten Forsøk 1: egg i eddik som ble produsert 22. september 2011 av Therese Størkersen og Kamilla Pedersen. I et av delforsøkene fikk vi uventede resultater. Dette eksperimentet er et forsøk på å forklare og reprodusere det oppsiktsvekkende utfallet vi fikk tidligere. Forsøket gikk ut på at vi la et egg i et glass med eddik 7% og forseglet åpningen med en ballong slik at glasset ble helt tett. Vi forventet at reaksjonene mellom eggeskallet og eddiksyren skulle gi en ansamling av karbondioksidgass og påfølgende bul på ballongen (overtrykk). Dette skjedde bare i liten grad og etter hvert begynte ballongen å trekkes inn i glasset, altså ble det undertrykk. Mulige årsaker til dette ble forsøkt drøftet i rapporten, men det var ikke mulig å trekke noen konklusjon. Resultatet ble presentert til Espen Henriksen, kjemilærer i Naturfag 1 del 1, NA153L (Universitetet i Nordland 2011). Henriksen forsøkte å reprodusere forsøket uten suksess. Vi greide ikke å forklare hva som skjedde i forsøket med undertrykk, men ble tipset om et relevant forsøk knyttet til luftens vannløselighet. Bilde 1: Undertrykk, egg i eddik 14.09.11 Vi vil i dette eksperimentet gjøre to delforsøk. Det ene er et forsøk på å reprodusere resultatene av egg i eddik med ballonglokk. I det andre forsøket tar vi utgangspunkt i en e- post fra Espen Henriksen av 21.09.11. Her blir vi tipset om muligheten for å observere luftens evne til å binde seg i vann under et ballonglokk, og på den måten forsøke å skape undertrykk i glasset. Eksperimentet vil ikke gi svar på hva som skjedde i forsøket med egg og eddik, men håpet er at det kan gi en alternativ forklaring. Ideen er at hvis vi kan få luft til å binde seg i vannet og skape undertrykk, kan det samme ha skjedd i det originale forsøket. Hvis vi ikke får oppsiktsvekkende utfall vil ikke årsaken til undertrykk i egg i eddik-forsøket drøftes grundigere. Dette er allerede diskutert i Forsøk 1: egg i eddik (22.09.11) 3
Eksperimentet kan i stor grad relateres til LK06 sine kompetansemål knyttet til forskerspiren. Etter 7. årstrinn skal elevene kunne: formulere spørsmål om noe han eller hun lurer på, lage en plan for å undersøke en selvformulert hypotese, gjennomføre undersøkelsen og samtale om resultatet forklare hvorfor det er viktig å lage og teste hypoteser ved systematiske observasjoner og forsøk, og hvorfor det er viktig å sammenligne resultater (Utdanningsdirektoratet, 13.10.11) Forskerspiren presenterer også relevante mål etter 10. årstrinn: Mål for opplæringen er at eleven skal kunne planlegge og gjennomføre undersøkelser for å teste holdbarheten til egne hypoteser og velge publiseringsmåte skrive logg ved forsøk og feltarbeid og presentere rapporter ved bruk av digitale hjelpemidler forklare betydningen av å se etter sammenhenger mellom årsak og virkning og forklare hvorfor argumentering, uenighet og publisering er viktig i naturvitenskapen (Utdanningsdirektoratet, 13.10.11) Disse målene er i stor grad knyttet til det å undre seg og lage egne problemstillinger. Hypotesetesting, dokumentasjon, loggskriving og kritisk drøfting er sentralt i et forsøk hvor elevene selv lager problemstilling og søker svar. Elevene vil ved drøfting komme fram til ulike mulige årsaker. Det å tydeliggjøre at eksperimentet skal være reproduserbart for å kunne konkludere blir sentralt. 4
Teori I det første forsøket med egg i eddik forventet vi de samme reaksjonene mellom eddiksyren og kalsiumkarbonat som vi hadde i forrige forsøk. Når et egg legges i eddik vil eggeskallet bestående av fast kalsiumkarbonat (CaCO 3 ) reagere med oppløste oksuniumioner fra eddiksyren(h + ) og danne oppløste kalsiumioner (Ca 2+ ), karbondioksidgass (CO 2 ) og vann (H 2 O). Vi får reaksjonsligningen: CaCO 3 (s) + 2H + Ca 2+ (aq) + CO 2 (g) + H 2 O (l) (Pedersen og Størkersen Forsøk 1: egg i eddik (22.09.11)) Dette er den kjente reaksjonen som var ventet for å påvise utvikling av karbondioksidgass. Noen konkret teori om hva som skjedde da det ble undertrykk i glasset kan vi ikke presentere og vi forventer heller ikke at vi skal kunne konkludere med et svar på hva som skjedde. I det andre forsøket vil vi illustrere hvordan luft (hovedsakelig oksygen og nitrogen) bindes opp i vann. For å forstå stoffenes ulike faser kan vi ta for oss partikkelmodellen. I følge Hannisdal og Ringnes (2011) er alle stoffer bygget opp av partikler. En partikkel er en samlebetegnelse for molekyler, atomer og ioner. Stoffer kan oppstå i ulike faser. Fast form, flytende form og i gassform. Dette avhenger av temperatur, trykk og type stoff. Det varierer fra stoff til stoff hvilen form de er i på de ulike temperaturene. For eksempel vil kokepunktet til vann være ved 100 o C mens jern har kokepunkt på1538 o C. I følge partikkelmodellen er alle partiklene i bevegelse. Jo høyere temperatur dess større bevegelsesenergi har partiklene. I et fast stoff sitter partiklene systematisk tettpakket og ligger og vibrerer på samme sted. I væskeform ligger partiklene uordnet, og beveger seg tett om hverandre. Ingen fast struktur. I gassform er det stor avstand mellom hver partikkel. Partiklene beveger seg i rette linjer til de kolliderer med noe/noen og skifter retning. Vann har spesielle egenskaper som ikke stemmer overens med det partikkelmodellen presenterer. De tre formene for vann er is (fast), vann (væske) og vanndamp (gass). Det første som er spesielt er at når vann fryser til is så utvider det seg. Dette motsier partikkelmodellen som forklarer at stoffet tar mindre plass ved avkjøling. Vi kan forklare dette ved at vannpartiklene danner en slags krystallstruktur mellom molekylene som gir større avstand mellom partiklene enn hva de har i væskeform. Det andre som er ulikt fra partikkelmodellen er at vann ved 4 o C har større massetetthet enn ved alle andre temperaturer. Slik vi forstår 5
partikkelmodellen tenker vi oss at et stoff har større tetthet ved 2 o C enn ved 4 o C. Dette viser at partikkelmodellen har visse avvik. Det er altså massetettheten til et stoff som avgjør hvilken fase det befinner seg i. For eksempel vi oksygengass som til vanlig er i gassfase ved 20 o C gå over i væskeform hvis det komprimeres i en trykkbeholder. Utstyr Glass Ballonger Eddik Egg Kokeplate Kokekar Vann Lufttett beholder (brusflaske) Dette er utstyr som er lett tilgjengelig i dagligvarebutikken eller i hjemmet, og krever få resurser for å gjennomføre. 6
Framgangsmåte Fag: Naturfag 1 Del 1 Dato: 13.10.11 Delforsøk 1: Reproduksjon av egg i eddik med ballonglokk Legg et egg i et glass. Hell over eddik til egget er dekket. Tre over en avklipt ballong slik at glasset er helt tett. Noter observasjonene. Bilde 2: Reproduksjon av egg i eddik 12.10.11 Delforsøk 2: Reproduksjon av undertrykk i glass med ballonglokk Kok opp springvann. Hell over i en lufttett beholder. Pass på at vannet er helt til randen slik at ikke luft kommer til. Avkjøl vannet. Hell vannet i et glass til det er omtrent halvfullt. Forsegl glasset med en avklipt ballong. Noter observasjonene. Bilde 3: Reproduksjon av undertrykk 12.10.11 Risikovurdering På samme måte som risikomomentene i Forsøk 1 Egg i eddik er kokende vann og eddiksyre stoffer man bør behandle med varsomhet. Ved lave konsentrasjoner er ikke eddik skadelig, men det er viktig å være bevisst på at eddiksyre er etsende og bør ikke komme i kontakt med øyne og munn, spesielt ved konsentrasjon over 12%. Man kan få alvorlige brannskader hvis huden kommer i kontakt med varmt eller kokende vann. 7
Observasjoner og resultater Delforsøk 1: Reproduksjon av egg i eddik med ballonglokk 12.10.2011 0835: Vi legger tre egg i tre glass og heller over eddik til eggene er dekket. Glass 3 har mer eddik. Vi setter på ballonglokk. Vi ser umiddelbar gassutvikling på eggenes overflate i det de reagerer med eddik. 0846: Liten bul på alle ballongene (bilde 4). Bilde 4: Første tegn på gassutvikling 12.10.11 0900: Ballongene buler oppover i alle glassene. Tydelig gassutvikling med gassbobler som flyter til overflaten. 0912: Ballongene har fått enda større bul. 0931: Ballongene har fortsatt å vokse, nummer 3 ikke like kraftig. 0953: Ballongen på glass 1 spretter av og settes på igjen (bilde 5). 1000: Ny gassutvikling og liten bul på glass 1. Ballong på glass 3 spretter av og settes på igjen. 1025: Tydelig bul på alle glass. 1040: Ballong nummer 1 spretter av. Vi stikker hull på egget med en nål slik at noe innhold renner ut, Bilde 5: Første ballong spretter av 12.10.11 og setter ballongen på igjen. Fortsatt stor bul på ballong 2 og 3. 1052: Tydelig gassutvikling på ballong nummer 3. 8
1111: Ballong 3 spretter av og blir satt på igjen. Fortsatt gassutvikling under ballong 1 og 2. 1115: Ballong 2 spretter av og blir ikke satt på igjen. Fortsatt gassutvikling ved 1 og 3. 1412: Ballong 1 spretter av. Vi lager større hull i egget og setter på ballongen. Bilde 6: Ballongene vokser 12.10.11 1600: Ballong 1 spretter av og blir satt på igjen. 1700: Ballongene vokser (Bilde 6). 2030: Fortsatt stor bul på ballong 3, men den har blitt mindre. 13.10.2011 0815: Begge ballongene har krympet men har fortsatt svært tydelig bul. 1409: Ballongene fortsetter å krympe, 3 krymper kraftigst. Fortsatt tydelig utbuling. Bilde 7: Ballongene har krympet 13.10.11 9
Delforsøk 2: Reproduksjon av undertrykk i glass med ballonglokk 12.10.2011 Glassene A, B og C inneholder forsøksvann. Glass D inneholder vanlig springvann som referanseglass. Tydelige gassbobler i glass D. Ingen synlig gass i resterende (Bilde 8). Ballongen på glass B ble etter hvert fjernet for å se om vi kunne observere forandringer i vannet. 13.10.2011 Ingen forandring over natten. Mulig svak konkav form i ballongene A og C. Stor usikkerhet! Bilde 8: Gassforskjell i vannet 12.10.11 10
Naturvitenskapelig drøfting Delforsøk 1 I delforsøk en var ideen å reprodusere en hendelse helt presis. For å få en holdbar reproduksjon er det viktig av flest mulig faktorer er identiske med det opprinnelige forsøket. Dette gjorde vi vet å bruke eddik fra samme beholder fra tidligere. Ballonger fra samme pakke og de samme glassene. Det ble kjøpt nye egg og det er usikkert om eggprodusenten er den samme. Eggene hadde i likhet med originalen, rosa datostempling. På bakgrunn av dette endret vi en av faktorene i ett av glassene, ved å tilsette ekstra eddik. Forsøket ble gjennomført på samme sted som tidligere. Eggene var kjøleskap-kalde og eddiken temperert. Håpet var at disse faktorene skulle være tilstrekkelig for en identisk reproduksjon. Den første tydelige forskjellen på de to forsøkene er at ballongen i reproduksjonen spratt av etter som at gassmengden økte. Hvis ballongene hadde vært tilstrekkelig festet slik at de ikke var i stand til å sprette av, kan det hende at det økende trykket ville ført til andre reaksjoner og etter hvert undertrykk. Tidsperspektivet er også noe å ta hensyn til. I originalforsøket fikk vi oppsiktsvekkende resultater og undertrykk allerede etter tjueto timer. Dette forsøket er observert i godt over tjuefire timer uten ønsket resultat. Vi ser at ballongene har begynt å krympe. Altså synker det innvendige trykket. Håpet er at ballongene etter hvert vil suges inn i glassene, men det er også en mulighet for at gassen har lekket ut gjennom ballongene og at dette er årsaken til krympingen. Vi har ikke mulighet til å observere ytterligere, da fristen for innlevering av rapport tilsier det. Men vi vil fortsette forsøket av egeninteresse. Dette er noe vi kan lære av til framtidige forsøk, å ha en tilstrekkelig tidsmargin. I tillegg så vi ikke noe tydelig forandring da vi stakk hull på det ene egget. Delforsøk 2 I delforsøk to var tanken å fjerne gassmolekylene fra springvann. Luft, som hovedsakelig består av nitrogen- og oksygengass, vil bindes i vannet som en homogen blanding, eller løsning (N 2 (g) +O 2 (g) N 2 (aq) + O 2 (aq)). Ved oppvarming av springvann vil vi på et tidlig stadium se gassbobler dekke overflaten i kasserollen før de flyter opp. Underveis i oppvarming vil nitrogen- og oksygenmolekylene i vannet bevege seg raskere og kollidere oftere. Dette fører til at stoffene samler seg i gassbobler og slår seg sammen eller utvider seg og blir til større gassansamlinger som flyter 11
opp. De har blitt så store at vannet ikke greier å holde på dem. Etter hvert som vannet varmes opp vil det begynne å koke og vi får større gassbobler som flyter opp. Dette er H 2 O-gass, altså vann som fordamper og går fra væskeform til gassform. På dette stadiet er det ikke lenger andre oppløste gassmolekyler i vannet. Det kokte gassfattige vannet helles over på en lufttett beholder og avkjøles. Når vannet avkjøles vil det enklere binde opp gassmolekyler, men når beholderen er fylt opp til randen vil det ikke være tilgjengelig gass som kan løses inn. Det avkjølte vannet helles over i halvfulle glass som forsegles med ballonglokk. Tanken er at det gassfattige vannet nå binder opp gasser som er i glasset under ballonglokket. Forsøket gav ikke utslag. I løpet av observasjonen så vi ingen antydning til gasser i vannet. Vi forventet ikke å se dannelse av gassbobler da stoffene i lufta skal løse seg i vannet, altså endre fase. Tanken er at gassene i lufta skal blande seg med vannet, dette ville vi observere ved å se trykkendringer, altså hvilken vei ballongen bulte. I tillegg prøvde vi å riste kraftig på glass C for å tvinge luften til å løse seg i vann. Også her uten synlig trykkendring. Da vi fjernet ballongen på glass B ønsket vi å se om det ble dannet gassbobler i vannet. Dette har foreløpig ikke gitt utslag. Det er også slik at vann og luft vil reagere med hverandre avhengig av temperatur. Ved lavere temperatur vil gass løses i vann, mens vi ved høyere temperatur får en motsatt reaksjon. Det kan tenkes at vannmolekyler har blandet seg med lufta og gitt fuktigere luft. Da er det også å forvente at trykket i beholderen øker, dette skjedde ikke. Naturfagdidaktisk drøfting Som nevnt i Forsøk 1: Egg i eddik vil det være en fin aktivitet å legge egg i eddik. I denne sammenhengen vil framgangsmåten i delforsøk 1 være relevant. Å legge egg i eddik er et enkelt forsøk som er lett å reprodusere. Slik vi ser det kan det også være spennende å sette ballonger på glassene for å observere gassdannelse (her forventer vi at ballongen vi få en utbuling på grunn av dannelse av karbondioksidgass). Noe som kan gjøre at det kanskje ikke er fordelaktig å sette ballongene over glassene er at vi ikke vet når ballongene spretter av. Ønsket er jo at elevene skal få observere også dette. Dette forutsetter at elevene observerer glassene kontinuerlig over lengre tid enn bare én undervisningstime av gangen. Avkalkingen av eggene kan elevene observere med jevne mellomrom uten å måtte observere hele tiden. 12
Dette skyldes at vi ikke har gjort utregninger og estimert når ballongene spretter av. De blir mer spontane og mindre forutsigbare hendelser. Å lære seg å gjøre gode observasjoner er viktig i naturfag. Forsøket med egg i eddik er et forsøkt som er enkelt og observere og nokså enkelt å dokumentere. Dette er en god mulighet til å lære elevene om systematiske observasjoner som grunnlag for drøfting. Lærerens oppgave blir her å hjelpe elevene til å gjøre relevante observasjoner. (Hannisdal, Ringnes 2011) Delforsøk 2 hadde ingen tydelige utfall og vil nok være kjedelig og lite hensiktsmessig å gjennomføre med elevene. Noe som er med på å vekke elevenes interesse i naturfag er nettopp dette med at de kan være med på å sette i gang lett observerbare reaksjoner og prosesser. Håpet er at dette vil føre til nysgjerrighet og øke elevenes refleksjoner og forståelse i faget. På grunnlag av dette, vil delforsøk 2 være irrelevant. I naturfagundervisningen skal elevene gjøre elevforsøk som er knyttet opp mot Forskerspiren. Her skal de arbeide med en hypotese på noe de ønsker å utforske. Elevene må planlegge og gjennomføre undersøkelser for å prøve om hypotesen stemmer. Det er viktig at elevene har en engasjert lærer som veileder og har en tett oppfølging slik at elevene holder seg på rett spor, og ikke går seg vill. (Hannisdal, Ringnes 2011) Konklusjon Vi fikk ikke til å reprodusere reaksjonen med egg i eddik. Vi fikk heller ikke utslag på trykkdannelse i vannforsøket. Dette betyr at vi ikke har kommet så mye nærmere en forklaring på hva som skjedde da det ble dannet undertrykk. På grunn av disse resultatene vil dette forsøket være lite hensiktsmessig å presentere for en elevgruppe. Selv om forsøket dekket kompetansemålene i forskerspiren, vil det være en fordel at lærer veileder elevene til å gjøre undersøkelser som kan gi større utslag, og som forhåpentligvis svarer på elevenes problemstilling. Årsaken til at vi opprinnelig satte ballongen over glasset var et håp om å få et bilde av gassdannelsen ved å fange den. Dette har vi fått gode bilder på i reproduksjonen og kan være et morsomt tilleggsforsøk for elevene. 13
Kilder Hannisdal, Merete og Ringnes, Vivi (2011), Kjemi for lærere. Gyldendal Norsk Forlag AS, 324s. Henriksen, Espen (21.09.2011), epost - SV: Egg i eddik og trykk. (upublisert) Pedersen, Kamilla og Størkersen, Therese (22.09.11) Forsøk 1: egg i eddik (upublisert) Utdanningsdirektoratet(udatert), Læreplan i naturfag. Hentet 13.10.11 fra http://www.udir.no/lareplaner/grep/modul/?gmid=0&gmi=156134&v=5 14