Eksperimentklubb Klima og fornybar energi Utgave 5.1 Veiledningsshefte for guider Martin Kulhawczuk (Vitensenteret) Nils Kr. Rossing (Vitensenteret) Vitensenteret Trondheim
Midtnordisk Vitensenteret 2009 Eksperimentklubb Klima og fornybar energi, Veiledningshefte for guider ISBN 978-82-92088-38-8 Henvendelser om dette heftet kan rettes til: Vitensenteret Postboks 117 7400 Trondheim Tlf: 73 59 61 23 Ideer og utprøving av modeller: Martin Kulhawczuk Omslag og layout: Nils Kr. Rossing Trykk: NTNU-trykk NTNU Utgave 5.1-12.01.10 En takk til Statskraft-fondet som har støttet utvikling og gjennomføring av Eksperimentklubb Elektro 2008-2 -
EKSPERIMENTKLUBB KLIMA OG FORNYBAR ENERGI, Veiledningshefte for guider - 3 -
- 4 -
Innhold 1 Forord/Innledning... 7 2 Program med huske- og utstyrslister... 9 3 Klima... 17 3.1 Drivhuseffekten... 17 3.1.1 CO 2 og drivhuseffekten... 17 3.1.2 Lyst og mørkt papir... 18 3.2 Eksperimenter med gasser og CO 2... 20 3.2.1 Pusten gjør vannet surt... 20 3.2.2 Å blåse opp ballong med CO 2... 20 3.2.3 Lag en filmboksrakett... 23 3.2.4 Brannslukking med CO 2... 26 3.2.5 Ånden i trappa... 27 3.2.6 Hvilket lys slukker først?... 29 3.3 Eksperimenter med lufttrykk... 30 3.3.1 Fontene i kolbe... 30 3.3.2 Fontene med lys... 31 3.4 Global oppvarming og isen..... 32 3.4.1 Smelting av is på land og i vann... 32 4 Vær og værmåling... 37 4.1 Værobservasjon... 37 4.2 Nedbørmåler... 42 4.3 Barometeret - måling av lufttrykk... 43 4.3.1 Litt barometerhistorie... 43 4.3.2 Lag ditt eget barometer (anerometer)... 46 4.4 Termometeret - måling av temperatur... 49 4.4.1 Litt termometerhistorie... 50 4.4.2 Lag et termometer... 52 5 Lag selv prosjekter... 55 5.1 Vindmølle - omdan energi fra vind til heisebevegelse... 55-5 -
5.1.1 Bygg en vindmølle...55 5.1.2 Lag en liten vindgenerator...63 5.1.3 Lag en stor vindgenerator...64 5.1.4 Lag en luftdrevet bil...67 5.1.5 Besøk i vindtunnelen ved NTNU...69 5.2 Solceller...70 5.2.1 Norge en solcellegigant...70 5.2.2 Litt solcellefysikk...70 5.2.3 Elektriske egenskaper...73 5.3 Aktiviteter med solceller...75 5.3.1 Serie- og parallellkoblingav solceller, måling av strøm og spenning...75 5.3.2 Bygg en solcellebil (denne aktiviteten ble ikke brukt denne gangen)...76 5.3.3 Alternative solcellebyggesett...80 6 Referanser...81 6.1 Litteratur...81 6.2 Nettreferanser...81 Appendix AKopiorginaler...82 A.1 Propellprofiler...82-6 -
1 Forord/Innledning Heftet er et hjelpemiddel for guider som skal gjennomføre Eksperimentklubben Klima og fornybar energi - vinter, sommer og høst 2009. Heftet gir faglig bakgrunn for eksperimentklubben, forslag til aktiviteter og alle aktivitetsarkene som deltagerne får utdelt. Videre gir det tidvis råd til gjennomføring av aktivitene. Martin Kulhawczuk har utviklet og testet flere av modellene. Spesielt knyttet til vind og ismodellen. Vindmøllemodellen er gjenfortalt og supplert med tegninger fra nettstedet: http://www.windpower.org/en/kids/assign/ samt testet ut og forbedret av Martin Kulhawczuk. Han har også satt opp programmet og testet ut de fleste oppgavene med innspill og justeringer under veis. Stoffet knyttet til termometer og barometer er hentet fra Jose Pino's hjemmeside www.josepino.com. Solcelledelen er hentet fra Grunnleggende elektronikk og sensorteknikk av Nils Kr. Rossing. En spesiell takk til Statskraft-fondet som har støttet utviklingen og gjennomføringen av klubben med betydelige midler. Juni 2009 Martin Kulhawczuk Nils Kr. Rossing - 7 -
- 8 -
2 Program med huske- og utstyrslister Mandag: Bli kjent dag 0830: Oppmøte, utdeling av navneskilt og T-skjorter. Samles på seddelloftet når alle har kommet. Info om uken, presentasjon av gruppeledere, bli kjent med gruppene. DEL UT MAPPE. UTSTYR: Vindmølle (30 min) A4 papir rundpinne A3 ark som underlag Limstifter Hullmaskin Gjengestag Skruer og muttere Mopedslange Krympestrømpe Vektøy (saks, skiftnøkkel) UTSTYR: Termometer 24 stk filmboks 24 stk sugerør 24 stk ledning rød konditorfarge vannflasker limpistoler 24 stk grillpinner linjal pen og tusj 160 g papir GUIDE Rød gruppe: 0930: SEDDELLOFTET - TERMOMETER Fontenen DEMO 1100 1130: LUNSJ - SEDDELLOFTET - 9 -
1130 1200: GEOLOGIROMMET RØDGRUPPE Vindturbin Papirrulling. 1200 1230: Orbitronkjøring RØD GRUPPE 1230: Dagen avsluttes med en liten oppsummering på loftet GUIDE Gul gruppe: 0930: SEDDELLOFTET - TERMOMETER: FONTENEN - DEMO 1100 1130: LUNSJ - SEDDELLOFTET 1130: Orbitronkjøring GUL GRUPPE 1200: GEOLOGIROMMET GUL GRUPPE Bygg VINDTURBIN Papirrulling. 1230: Dagen avsluttes med en liten oppsummering på loftet GUIDE Grønn gruppe: 0930: Orbitronkjøring GRØNN GRUPPE 1000: GEOLOGIROMMET GRØNN GRUPPE Bygg VINDTURBIN Papirrulling. 1030-1100: LUNSJ - SEDDELLOFTET 1100: SEDDELLOFTET - TERMOMETER Fontenen DEMO 1230: Dagen avsluttes med en liten oppsummering på loftet GUIDE Blå gruppe: 0930: GEOLOGIROMMET BLÅ GRUPPE Bygg VINDTURBIN Papirrulling. 1000: Orbitronkjøring BLÅ GRUPPE 1030-1100: LUNSJ - SEDDELLOFTET 1100: SEDDELLOFTET - TERMOMETER Fontenen DEMO 1230: Dagen avsluttes med en liten oppsummering på loftet - 10 -
TIRSDAG: Drivhuseffekt UTSTYR: Vindturbin fortsettelse (60 min) (se utstyrsliste mandag) UTSTYR: Barometer 24 stk Rømmebeger 24 stk ballonger superlim 24 stk. Grillpinner UTSTYR: Drivhuseffekten 8 stk. krukker 8 stk digital temp. måler 8 stk. sort papir 8 stk. hvitt papir 2 stk vanlig termometer 4. stk 500 Watt arbeidslamper UTSTYR: Kjøkkenkjemi 2 skåler pr. bord Eddik Natron Mugge med vann Strearinlys PlexiRØR Fruktsalt Rundkolbe med lang hals. 2 kolber pr. bord Ballonger 0830: Oppmøte og utdeling av navneskilt 0845: SAMLING PÅ SEDDELLOFTET. Smelte is i hav (Nordpolen) og på land (Grønland) GUIDE: Rød gruppe og GUIDE: Grønn gruppe: 0900 0940: SEDDELLOFTET - 11 -
Bygg BAROMETER 0940 0955: Frilek 0955 1100: SEDDELLOFTET - DRIVHUSEFFEKTEN. Eksperimenter med drivhusgassen CO 2 Slukke lys med CO 2 (3 stk. gjør det sammen). Eddik, vann og natron. Slukke Te-lys med CO 2 via rør. Fruktsalt og vann. Blåse opp ballong med CO 2 (3 stk gjør det sammen). Eddik, vann og natron. 1100 1125: LUNSJ 1125 1230: GEOLOGIROMMET Bygg VINDTURBIN Papirrulling GUIDE: Gul gruppe: GUIDE Blå gruppe: 0900 0940: SEDDELLOFTET Bygg BAROMETER 0940 0955: Frilek 0955 1100: GEOLOGIROMMET Bygg VINDTURBIN Papirrulling 1100 1125: LUNSJ 1125 1230: SEDDELLOFTET - DRIVHUSEFFEKTEN. Eksperimenter med drivhusgassen CO 2 Som for rød og grønn gruppe (se over) ONSDAG: Ekskursjon Del opp i 2 grupper. Grønn og Blå gruppe går sammen og Rød og Gul gruppe går sammen. UTSTYR: for plastpropeller Små propeller i plast Motor, passende for solcelledrift - 12 -
2 lab.ledninger m/krokodilleklemmer Multimeter UTSTYR: for egenproduserte propeller Propellmal (se vedlegg A.1) Store binderser Skruer med muttere og skiver Tannpirkere Store korker Plastoverganger mellom kork og motor Motorer passende for solcelledrift 2 lab. ledninger m/krokodilleklemmer Multimeter 0830: Oppmøte og utdeling av navneskilt 0845: Samling på seddelloftet. Diskutere ISSMELTINGEN 0850: Vi lager propeller. Klippe ut og måle spenninga med voltmeter Hvem klarer å lage mest spenning ved å blåse. Får 3 forsøk. 1000: SEDDELLOFTET ALLE Bygg VINDTURBIN Papirrulling/BYGGING 1030: Vi går til VINDTUNNELEN på NTNU. 1100: VINDTUNNELEN. 1140: LUNSJ. 1200: Vi går tilbake til vitensenteret. TORSDAG: Vind og Sol UTSTYR: Ballongbil (60 min) Ballonger Plasthjul/plasttopper Blomsterpinner Sugerør Kartong - 13 -
Plastrør Verktøy Saks, limpistol UTSTYR: Solceller (60 min) Solceller Ledninger Motor Propeller Multimeter UTSTYR: Vindturbin fortsettelse (60 min) (se utstyrsliste mandag) 0830: Oppmøte og utdeling av navneskilt 0845: Samling på seddelloftet. GUIDE: Grønn gruppe GUIDE: Gul gruppe: 0845 1000: SEDDELLOFTET - BALLONGBIL 1000 1015: Frilek 1015 1115: GEOLOGIROMMET - SOLCELLER 1115 1140: LUNSJ 1140 1230: SEDDELLOFTET - VINDTURBIN GUIDE: Rød gruppe: GUIDE: Blå gruppe: 0845 0945: GEOLOGIROMMET - SOLCELLER 0945 1000: Frilek 1000 1115: SEDDELLOFTET - BALLONGBIL 1115 1140: LUNSJ 1140 1230: SEDDELLOFTET Eksperimentklubb Klima og fornybar energi - 14 -
FREDAG: Vindturbin og Besøksdag. Denne dagen møter alle litt senere slik at foreldre og søsken kan delta på slutten av dagen. UTSTYR: Vindturbin fortsettelse (55 min) (se utstyrsliste mandag) 1230: Oppmøte og utdeling av navneskilt, LUNSJ på SEDDELLOFTET GUIDE: Gul gruppe: SEDDELLOFTET GUIDE: Blå gruppe: SEDDELLOFTET GUIDE: Rød gruppe: OPPFINNERVERKSTEDET GUIDE: Grønn gruppe: OPPFINNERVERKSTEDET 1300 1350: Bygging av Vindturbin 1350 1405: FRILEK 1405 1500: Bygging av VINDTURBIN og testing. 1500 1600: Rigge opp seddelloftet. 1600: Deltakerne tar imot familie og er guide for dem, viser familien loftet og alt de har laget i løpet av uka. 1700: Diplom og årskort utdeling. 1800: Vitensenteret stenger dørene. - 15 -
- 16 -
3 Klima 3.1 Drivhuseffekten 3.1.1 CO 2 og drivhuseffekten En del av sollyset (strålingen) som treffer atmosfæren blir reflektert ut i verdensrommet, men mesteparten treffer jorda. Der vil mesteparten bli til varme som igjen stråles ut. Mens lufta er omtrent gjennomsiktig for sollyset vil den være langt mindre gjennomsiktig for varmestråling. Lys er korte elektromagnetiske bølger, mens varme er lengre elektromagnetiske bølger. Kortbølget lys Langbølget varme Luft består av ca. 21 % oksygen, 78 % Nitrogen og ca. 1 % andre gasser. Blant de 1 % andre gassene finner vi blant annet CO 2, vanndamp, metan (fra forråtnelse), noen edelgasser og små mengder andre gasser. Det er spesielt CO 2 og metan som stopper varmestrålingen på vei ut, men også vanndamp bidrar. Disse gassene kalles derfor drivhusgasser, fordi de virker på samme måte som glasstaket i et drivhus, hvor glasset er omtrent gjennomsiktig for lys, men stenger for varmestråling som oppstår når lyset treffer plantene i drivhuset. Lyset kommer inn, men glasset i drivhuset sperrer for den langbølgete varmestrålingen fra innsiden av drivhuset, dermed stiger temperaturen i drivhuset. Dette er ønskelig i et drivhus, men blir det for varmt, må gartneren åpne vinduene. - 17 -
Drivhuseffekten er derfor svært viktig for at jorda ikke skal bli for kald. Hadde vi ikke hatt CO 2 i atmosfæren ville gjennomsnittstemperaturen på jorda ha vært ca. 15 lavere enn den er i dag. Blir det derimot for mye CO 2 stiger temeperaturen. Mye tyder derfor på at våre utslipp av CO 2 gir økt gjennomsnittstemperatur på jorda. Vi vet at en svart gjenstand vil oppta betydelig mer stråling enn en hvit gjenstand. Dette merker vi spesielt godt på lyse og mørke biler. I det neste eksperimentet skal vi se hvordan energien i lyset blir omdannet til varme når det treffer en gjenstand. 3.1.2 Lyst og mørkt papir Utstyr: To store glass eller plastflasker med lokk To termometere (elektronisk eller glass) En kraftig lyskilde (500 W, f.eks. en byggsol) Et stykke svart og et stykk hvitt papir 55 357 Slik gjør du: 1. Klipp til et svart og et hvitt papir slik at det dekker halvparten av glasset eller flaska. 2. Sett det hvite papiret inn i det ene glasset og det svarte i det andre. 3. Sett glassene inntil hverandre 4. Stikk termometrene ned gjennom et hull i lokket til de to glassene. 5. Sett lyskilden 50 cm foran glassene. Påse at de to glassene står like langt fra lyskilden. Slå på lyset og se hvordan temperaturen stiger i de to glassene. - 18 -
Bildet under viser måleoppsettet. 055 036 Svart papir Hvitt papir Foto: Vitensenteret Målingene vist på figuren over er gjort etter at apparturen har stått i lyset fra en byggsol i 1,5 timer. Vi registrerte at under mesteparten av eksperimentet varierte temperaturforskjellen i de to glassene mellom 19 og 20 C. Det mørke papiret tar opp mesteparten av lysstrålingen som omgjøres til varme. Varmen stråler ut av papiret, men stoppes når det kommer til glasset. Det hvite papiret reflekterer det meste av strålingen som lys. Det merker vi når vi ser på det lyse papiret. Den reflekterte lysstrålingen fra det hvite papiret stoppes ikke av glassveggen og slipper dermed ut av glassbeholderen. Dermed stenges varmestrålingen inne i glasset med det mørke papiret slik at det varmes opp, mens mesteparten av lysstrålene i glasset med det hvite papiret slipper ut gjennom glassveggen og bidrar ikke så mye til oppvarmingen. Vi kan konkludere med følgende: Det mørke papiret blir varmere enn det hvite Glassene holder på varmen slik at den ikke lekker ut - 19 -
3.2 Eksperimenter med gasser og CO 2 Eksperimentklubb Klima og fornybar energi 3.2.1 Pusten gjør vannet surt Utstyr: Glassbolle Sugerør Kjemikalier: Vann BTB - indikator Slik gjør du: 1. Fyll bollen med vann fra springen 2. Drypp noen dråpet BTB i vannet 3. Bruk sugerørene til å blås luft ned i vannet 4. Hva skjer med fargen på vannet? Foto: Vitensenteret Forklaring: BTB (Bromtymolblått) er en indikator som skifter farge avhengig av hvor surt eller basisk vannet er. BTB er gul i sure løsninger og blå i basiske løsninger. I ren form er BTB orange. Blandes den i vann fra springen er den blå, mens den blir gul etter at luft er blåst gjennom vannet. Det betyr at vannet blir surt når vi blåser. Lufta vi puster ut inneholder CO 2 som reagerer med vannet og danner karbonsyre eller kullsyre (H 2 CO 3 ). Som navnet sier er denne sur. Karbonsyra er ikke spesielt stabil og omdannes raskt til bicarbonat (HCO - 3 ) og karbonat (CO 2-3 ) ved gi slipp på hydrogenet. 3.2.2 Å blåse opp ballong med CO 2 Utstyr: Ballong Skje Liten flaske med smal hals Trakt Ballong Eddik Natron - 20 -
Kjemikalier: Natron (Na 2 CO 3 ) Eddik (CH 3 COOH) (husholdningseddik 5 %) Slik gjør du: 1. Fyll flasken omtrent kvartfull med eddik. Hvis eddiken (CH 3 COOH) er varm, vil reaksjonen gå raskere. 2. Bruk trakten for å fylle natron (Na 2 CO 3 ) i ballongen. 3. La ballongen henge ned, og trekk åpningen over flaskehalsen. Når den sitter godt fast, løfter du ballongen raskt slik at natronet faller ned i flasken. Rist litt på ballongen slik at alt natronet faller ned i bunnen av flaska. Eddik 4. Hva skjer når natronet (Na 2 CO 3 ) og eddiken (CH 3 COOH) blandes? Hva skjer med ballongen og hvorfor blir det slik? Forklaring: Natron er en base (kjemisk navn er natriumkarbonat (Na 2 CO 3 )) og eddik er en syre. Når disse to stoffene blandes, vil de reagere slik syrer og baser alltid gjør, det vil si de vil nøytralisere hverandre. I tillegg vil disse to stoffene lage en gass som kalles karbondi- - 21 -
oksid (CO 2 ) 1. Plantene trenger den for å overleve. Løst i vann kalles gassen for carbonsyre eller kullsyre, siden den gjør vannet surt. Det gamle navnet på karbon er kullstoff (C), fordi kull hovedsakelig består av karbon. Foto: Vitensenteret Ballongen blåses opp fordi gassen tar mye større plass enn det faste stoffet (natron (Na 2 CO 3 )) og væsken (eddiken) til sammen. Enhver gass tar mye mer plass enn det samme stoffet tar i flytende eller fast form. Hvis det er mye gass i en beholder, vil molekylene stadig støte mot veggene i beholderen. Det kan du merke når du pumper luft i sykkeldekket (luft er en blanding av mange gasser). Jo mer luft du fyller i dekket, jo hardere blir det. Det er fordi gassen dytter på innsiden av slangen. Jo mer gass, jo flere atomer er det som dytter. Gassmolekyler beveger seg lett i forhold til hverandre, de henger ikke sammen. Derfor har ikke gass noen bestemt form, ikke engang noe bestemt volum. De bruker den plassen de har, og fyller hele beholderen uansett hvor stor den er. Væsker har et bestemt volum. Den eneste felles egenskapen som både fast stoff, væske og gass har, er at de har en bestemt masse som ikke forandrer seg. Hvis du har ett kilogram vann er det alltid ett kilogram, uansett om det er i fast, flytende eller gassform. 1. Ligningen kan vi skrive slik: 2 CH 3 COOH + Na 2 CO 3 -> 2 NaCH 3 COO + CO 2 + H 2 O - 22 -
Det finnes tre aggregattilstander. Det er fast stoff, væske og gass. Alle stoffer kan være i en av de tre tilstandene, avhengig av hvor varmt stoffet er. Hvis en smelter is, og siden varmer opp vannet til det koker, er det akkurat de samme vannmolekylene i det faste stoffet, i væsken som i gassen. Vannet har bare forandret aggregattilstand. Fast (is) Gass (damp) Væske(vann) Når et fast stoff blir til en væske, kalles det smelting. Når en væske blir til en gass, kalles det fordamping. Når en gass blir til en væske kalles det kondensering. Når en væske blir til et fast stoff kalles det frysing eller størkning. I enkelte tilfeller kan faste stoffer bli til gass uten først å bli til en væske. Det kalles sublimering. Vann har denne egenskapen. Dersom du en vinterdag henger ut vått tøy på snora, vil du oppleve at tøyet fryser, men at det likevel blir tørt etter en tid. Isen har sublimert. 3.2.3 Lag en filmboksrakett MARABO BAKEPULVER Vann Utstyr: Filmboks (hos filmforretning) Teskje Kjemikalier: Vann(H 2 O) Bakepulver (NaHCO 3 ), Natron (Na 2 CO 3 ) eller C-vitamin brusetablett. Slik gjør du: Finn først en egnet plass å gjøre eksperimentet, siden det kan bli ganske sølete. Eksperimentet egner seg godt utendørs. 1. Hell litt vann (H 2 O) i filmboksen. - 23 -
2. Tilsett 1/2 teskje bakepulver (NaHCO 3 ) (ev. natron eller en kvart C-vitamin tablett) oppi vannet.. MARABO 2) 3) 4) Vann BAKEPULVER 3. Sett lokket på filmboksen, og snu den med lokket ned. 4. Gå noen skritt bort fra boksen mens du venter på hva som skal skje 5. Kan du forklare det som nå skjer med filmboksen? Du kan gjøre forsøket mer magisk ved at du legger en tapebit på innsida av lokket slik at det blir et lite hulrom der du kan legge litt bakepulver, natron eller en kvart C-vitamin tablett. Så har du litt vann i bunnen av filmboksen og setter på lokket. Snu boksen opp ned når du vil at raketten skal gå av. Forskerspiren: 1 Avfyringshastighet som funksjon av vanntemperatur Det viser seg at tiden fra en blander vannet og C-vitamintabletten til eksplosjonen skjer, varierer med temperaturen. Undersøk sammenhengen mellom tidspunktet lokket ble satt på til den går i lufta og temperaturen på vannet som ble tilsatt. Det er viktig at en holder de øvrige variablene konstant (mengde C-vitamin og vann). Forklaring: Bakepulver er i sin renseste form, natriumbikarbonat (NaHCO 3 ), men som oftest er den også tilsatt et syrningsmiddel, vanligvis vinsyre eller et fosfatsalt (natrium pyrofosfat). Vannet (H 2 O) reagerer med syra i bakepulveret, slik at bakepulveret frigjør gassen karbondioksid (CO 2 ) 2. En gass tar alltid større plass 3 enn væsker og fast stoff. Det blir ganske mye gass inni boksen, som til slutt blir helt sprekkeferdig, slik at lokket løsner. Siden boksen settes med lokket mot bordet, blir filmboksen som en rakett. Den skyver alt innholdet sitt nedover, og boksen får fart oppover. Samme reaksjon får en der- - 24 -
som en blander eddik og natron i boksen, men i tillegg til sølet får man en stram lukt av eddik. Alle bakevarer som heves, er avhengige bobler av karbondioksid for å gjøre jobben. Du kan lage slike bobler enten ved å bruke gjær, bakepulver (NaHCO 3 ) eller andre CO 2 - holdige salter som natron (Na 2 CO 3 ) eller hjortetakksalt ((NH 4 ) 2 CO 3 ). Gjær er en encellet sopp som omdanner sukker (C 12 H 22 O 11 ) til blant annet karbondioksidgass. Dette gjør at deigen og bakverket (gjærdeig) blir lett og luftig, og lettere å spise og fordøye. Prosessen tar litt tid. Det er derfor viktig å la deigen stå og godgjøre seg, slik at gassen får tid til å dannes. Vi sier at bakverket står til gjæring. Riktig temperatur er også viktig. Er temperaturen for lav vil en ikke få gjæring, og blir det for varmt dør gjærsoppen. La oss se litt nærmere på den kjemiske reaksjonen 4. Vi tar utgangspunkt i bakepulver, som inneholder natriumbikarbonat - NaHCO 3 og små mengder av surt natriumpyrofosfat. Den sure delen av bakepulveret øker antallet frie vannioner (H + ). Dessuten spaltes natriumbikarbonatet i Na + og bikarbonat HCO 3. Bikarbonatet binder seg så til de frie H + -ionene og danner karbonsyre H 2 CO 3. Karbonsyren er relativt ustabil og har en tendens til å spaltes til vann H 2 O og karbondioksid CO 2 som bobler opp. H + + HCO 3 H 2 CO 3 (aq) (3.1) H 2 CO 3 (aq) H 2 O + CO 2 (3.2) Dersom vi ønsker å øke reaksjonshastigheten så kan vi tilsette litt ekstra syre som gjør at antallet frie H + -ioner øker dramatisk. Til dette kan en enten bruke eddiksyre eller sitronsyre. I tillegg dannes natron Na 2 CO 3. Hele reaksjonen kan da uttrykkes som: 2 NaHCO 3 -> Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 (3.3) 2. Denne reaksjonen kan skrives slik: 2 NaHCO 3 + HX -> NaX + H 2 O + CO 2 Hvor X avhenger av hvilken syre som er tilsatt bakepulveret. 3. Under forutsetning av samme trykk. 4. Se også http://school.chem.umu.se/experiment/59. - 25 -
3.2.4 Brannslukking med CO 2 Det hender at ting tar fyr når de ikke skal. Da er det kjekt å kunne noen måter å slukke ilden på. Utstyr: Tre telys Tre lys med forskjellig lengde Fyrstikker Tomt glass Glass med vann Dyp skål Liten brusflaske En vask En glassbolle Kjemikalier: Natron Vann Zalo Eddik Natron (Na 2 CO 3 ) eller bakepulver (NaHCO 3 ) (natron er best) Eddik (CH 3 COOH) Zalo eller andre lettskummende vaskemiddel Slik gjør du: 1. Tenn ett av telysene. Hva er den enkleste måten å slukke lyset på? Natron 2. Sett et glass over det tente telyset. Hva tror du vil hende? Hvorfor det? 3. Ta lyset ut av glasset og tenn det på nytt. Kan du komme på en annen enkel måte å slukke det på? 4. Hell vann på lyset eller sprut på det med en fin dusj fra en spruteflaske. Er det en effektiv måte å slukke lyset på? - 26 -
5. Tenn det andre lyset og sett det på bunnen av den dype skåla og hell i eddik slik at det når halvveis opp til kanten av telyset. Hva tror du skjer med lyset når du heller natron i eddiken? Kan du forklare det som skjer? Hva er brusingen? 6. Tenn det tredje telyset og sett det i vasken. 7. Fyll brusflaska halvfull med vann. Tilsett en god del natron og Eddik litt Zalo (en sprut er nok). Hva tror du vil hende om du tar oppi eddik? 8. La flasketuten peke mot lyset i vasken og tilsett eddik. Vær forsiktig, det kan bli en del søl. Hva skjedde? Var det det du trodde ville hende? Hvorfor ble det slik? Prøv også følgende varianter av forsøket: 3.2.5 Ånden i trappa Utstyr: Tre stearinlys med forskjellig lengde Et stort glasskar Kjemikalier: Natron Eddik Zalo Natron Slik gjør du: 1. Sett lys med ulike lengde ned i en dyp gjennomsiktig bolle, slik at selv det høyeste lyset er godt under kanten av bollen. 2. Når lysene brenner godt, hell rikelig eddik opp i bollen. 3. Hva skjer med lysene etter en stund. Kan du forklare fenomenet? Eddik Natron - 27 -
Er du heldig vil det laveste lyset slukke først, deretter vil lysene slukke i tur og orden, fra de laveste til det høyeste. Dette skyldes at bollen fylles gradvis av CO 2, som er tyngre enn luft og dermed vil fylle bollen fra bunnen og opp. Etter hvert som gassen når lysene, vil de slukke. Forsøket kan lett mislykkes dersom rommet har et effektivt ventilasjonsanlegg. Eksperimentklubb Klima og fornybar energi Forklaring: Når en brann skal slukkes er det best om det gjøres uten søl. Om mulig bør en derfor slukke branner ved å kvele ilden. Når noe brenner, er det stoffene i den brennende gjenstanden som reagerer med oksygenet i lufta. Hvis flammene ikke får nok oksygen, (vann) Brannslukkingsapparat stopper reaksjonen, og brannen slukker. Hvis kokende smult tar fyr i kjelen, er det enklest å slukke ved å sette lokk på og fjerne gryta fra varmen. Slukking med vann: Vann kan også brukes til å slukke en del branner. Når flammene slukkes med vann, sørger avkjølingen for at reaksjonen stopper. Reaksjoner skjer raskest når ting er varme. Blir de for kalde, stopper reaksjonen helt. Foto: Vitensenteret - 28 -
Slukking med CO 2 : En må aldri bruke vann dersom fett, olje, bensin, eller elektriske apparater brenner. Sprøytes vann på brennende olje, vil vannet spre brannen utover, mens vann på elektriske anlegg medfører fare for elektrisk støt. En slik brann kan slukkes ved hjelp av et CO 2 -apparat. CO 2 er det samme som karbondioksid. Som du har sett i eksperimentet foran, dannes det karbondioksid når natron eller bakepulver reager med en syre. Karbondioksid er tyngre enn luft, så den legger seg langs bakken og fortrenger oksygenet i lufta slik at brannen slukker. Ingen ting kan brenne i ren karbondioksid. Det trengs oksygen for å underholde forbrenning. Fordelen med karbondioksid er at den kan brukes på alle typer branner. En unngår dessuten vannskader. Slukking med skum: Ulempen med karbondioksid er at den kan blåse bort. Som du har sett i et tidligere eksperiment vil varm gass stige opp. Varmen vil derfor kunne gjøre at CO 2 -gassen stiger i stedet for å legge seg over og kvele flammene. Hvis man istedet bruker skum, med bobler av karbondioksid, kan man sikre seg at alt karbondioksidet blir værende i nærheten av flammene. Ulempen med skum er at det lager mye søl som det kan være vanskelig å fjerne etterpå. Hvis man er uheldig kan skummet gjør like mye skade som flammene. For å utfordre forståelsen kan følgende eksperiment utføres: 3.2.6 Hvilket lys slukker først 5? Utstyr: Ett telys Ett stearinlys Ett norgesglass Fyrstikker Slik gjør du: 1. Sett telyset og lyset tett ved siden av hverandre og tenn dem. Spør elevene: Hvilket av de to lysene slukker først når vi setter norgesglasset over dem begge? Umiddelbart skulle en tro at telyset ville slukke først, siden forbrenningen danner CO 2 som er tyngre enn luft og dermed ville legge seg på bunnen og presse det resterende oksygenet oppover i glasset. Gjør man derimot forsøket vil man imidlertid erfare noe annet. 5. Etter en idé fra Einar Oterholm. - 29 -
2. Sett norgesglasset over de to lysene En oppdager nå at det lengste lyset slukker først, og telyset brenner lengst. Hvordan kan dette forklares? Forklaring: Årsaken er at forbrenningsprosessen frigjør varm CO 2 samtidig som oksygenet brukes opp. Den varme CO 2 -gassen vil være lettere enn det relativt kaldere oksygenet. Dermed legger CO 2 gassen seg øverst i glasset og slukker det lange lyset først. 3.3 Eksperimenter med lufttrykk I dette avsnittet skal vi vise noen eksempler på eksperimenter knyttet til lufttrykk. 3.3.1 Fontene i kolbe Utstyr: En stor kolbe eller glassflaske En kork med hull Ett sugerør Et kar med vann Kald klut Slik gjør du: 1. Ha litt vann i kolben, sett i korken med røret i kolben, og varm opp vannet til det koker. 2. Snu kolben opp-ned, og stikk røret ned i kaldt vann. Avkjøl kolben med en klut, dyppet i kaldt vann. Forklaring: Når dampen inne i kolben avkjøles, kondenserer den og trykket inne i kolben synker raskt. Det utvendige lufttrykket vil dermed presse vann inn i kolben, slik at det oppstår en fontene. En variant av dette forsøket kan lages ved å tenne et lite stearinlys inne i kolben. - 30 -
3.3.2 Fontene med lys Utstyr: En stor kolbe eller glassflaske En kork med hull Et sugerør Et kar med vann Et kakelys Fyrstikker Kjemikalier: Konditorfarge Slik gjør du: 1. Fyll bollen halvfull med vann, og drypp i litt konditorfarge, slik at det er lettere å se hva som skjer. 2. Stikk lyset med holder inn i undersiden av korken. 3. Klem sugerøret sammen og smelt igjen enden ved forsiktig å varme opp sugerøret over lyset. 4. Klipp ett eller flere små hull i den sammensmeltede toppen av sugerøret. Tre sugerøret gjennom hullet i korken, slik at den sammensmeltede enden stikker ca. 10 cm opp inne i kolben. 5. Utfordre elevene til å komme med hypoteser om hva som kommer til å skje når lyset tennes, korken settes på, og sugerøret stikkes ned i bollen med vann. Observer hva som skjer. Forklaring: Så lenge lyset brenner inne i kolben vil lufta varmes opp og trykket øker. Når trykket øker vil lufta presses ut gjennom sugerøret og boble ut i vannet i karet. Når oksygenet inne i kolben er oppbrukt vil lyset slukke, lufta vil dermed avkjøles og trykket senkes. Når lufttrykket inne i kolben synker, vil det utvendige trykket presse vannet inn gjennom sugerøret og inn i kolben, inntil trykket på inn- og utsiden er jevnet ut. - 31 -
3.4 Global oppvarming og isen.. Eksperimentklubb Klima og fornybar energi Hva vil skje med havnivået når isen på Grønland og Nordpolen smelter på grunn av at temperaturen på jorden stiger? Vi skal gjøre et lite eksperiment som vil vise hva som vil skje. Før vi gjør dette eksperimentet setter deltagerne opp en hypotese om hva de tror kommer til å skje og begrunne svaret. 3.4.1 Smelting av is på land og i vann Utstyr: To store kar eller bøtter. 10 liters bøtter kan brukes. Et platå, f.eks. et høyt syltetøyglass snudd på hode. Glasset må fylles med vann. To mindre kar, f.eks. 5 liters plastbøtter. Kjemikalier: Koksalt Vann Slik gjør du: Saltvann Saltvann 1. I det ene karet er det et platå senket ned i karet og som rager opp til vannflaten slik at det etterligner land. Det andre karet fylles med saltvann slik at vannstanden i de to karene er lik. Rød Grønn 2. På forhånd er det forberedt to 5 liter bøtter med vann frosset til is. I den ene bøtta er det tilsatt rød farge og den andre grønn. 3. Legg den ene isklumpen i det ene karet og fyll på med så mye kaldt saltvann at nivået er høyere enn isklumpen. Den Rød Saltvann Nordpolen Merk av Grønn Grønland Merk av - 32 -
skal nå flyte med noe av isen stikkende opp over vannoverflaten. Denne isen skal etterligne isen som er på Nordpolen. Merk vannivået i karet! 4. Fyll det andre karet med vann til samme nivå som avmerket i det første karet. Platået skal være plassert i karet når du merker av nivået. 5. Legg den grønne isklumpen på platået. Denne isen skal etterligne isen på Grønland. Observer hva som skjer! Dette kan nok ta litt tid!! Forklaring: Du vil observere at vannstanden i karet med den røde isen holder seg uforandret etter som isen smelter. Dette til tross for at isen i utgangspunktet stikker opp over vannflata. Is er lettere enn vann (har lavere egenvekt). Volumet av vannet som kommer fra den smeltede isen er ca. 90 % av volumet til isen. Dermed vil smeltevannet ha akkurat samme volum som den delen av isen som ligger under vannflaten og vannstanden forblir uforandret. Når den grønne isen smelter, vil smeltevannet renne ned i karet og vannstanden stiger. Isen på Nordpolen flyter i vann, dermed vil vannstanden i havene være uforandret når havisen smelter. Isen på Grønland ligger derimot på land. Når den smelter vil vannet renne ned i havet slik at vannstanden i havet stiger, akkurat som den grønne isklumpen som lå på et platå. I dag er isen på Grønland i ferd med å smelte. Spesielt er det områder som ligger lavere enn 2000 meter over havet som smelter mye. En har målt at det smelter ca. 276 000 000 000 tonn pr. år (276 Gtonn/år). I områder over 2000 meter ser en imidlertid at iskappen øker med ca 120 000 000 000 tonn pr år (123 Gtonn/år). Totalt skulle derfor isen minke med ca. 153 Gtonn/år. 6 6. Informasjonen er hentet fra Norsk romsenters side: http://www.romsenter.no/?module=articles;action=article.publicshow;id=50877-33 -