1. rapport Naturfag 1 2011-2012 Therese Størkersen 22.09.11 (redigert 14.11.11) Kamilla Pedersen Innledning Egg i eddik I denne aktiviteten vil vi undersøke hva som skjer når et egg legges i vanlig eddikløsning (7%). Denne problemstillingen vil vi besvare i to ulike trinn. I det kjemiske trinnet vil vi se på hva som skjer når stoffer reagerer med hverandre. På det mer biologiske trinnet vil vi se på hva som skjer med væskegjennomstrømningen i skallmembranen. Dette forsøket har relevans i mål både innenfor forskerspiren og i fenomener og stoffer. I tillegg kan det utføres i på alle årstrinn, med ulik måloppnåelse. Fooladi (udatert) har listet opp forsøkets aktuelle kompetansemål hentet ut fra læreplanverket for kunnskapsløftet av 2006 (LK06). Læreplan i naturfag Etter 4. årstrinn Forskerspiren bruke naturfaglige begreper til å beskrive og presentere egne observasjoner på ulike måter Fenomener og stoffer Etter 7. årstrinn Forskerspiren gjennomføre forsøk som viser at stoffer kan endre karakter når de blir utsatt for ulike påvirkninger formulere spørsmål om noe han eller hun lurer på, lage en plan for å undersøke en selvformulert hypotese, gjennomføre undersøkelsen og samtale om resultatet Fenomener og stoffer forklare hvordan stoffer er bygd opp, og hvordan stoffer kan omdannes ved å bruke begrepene atomer og molekyler gjennomføre forsøk med kjemiske reaksjoner og forklare hva som kjennetegner disse reaksjonene Etter 10. årstrinn Forskerspiren 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 Etter Vg1 Fenomener og stoffer undersøke kjemiske egenskaper til noen vanlige stoffer fra hverdagen
Forskerspiren planlegge og gjennomføre ulike typer undersøkelser i samarbeid med andre der en identifiserer variabler, anslår måleusikkerhet og vurderer mulige feilkilder (Fooladi, udatert) Ut ifra hvilket årstrinn aktiviteten gjennomføres på, vil ulike mål vektlegges. Elevene vil på lavere trinn kunne knytte kjennskap til enkle naturvitenskapelige begreper, og se hvordan stoffer dannes og påvirker hverandre. Litt lengere opp i klassetrinnene vil hypoteseutprøving, stoffenes oppbygging og reaksjoner vektlegges. Videre kan elevene fokusere på dokumentasjonsmetoder og kjemiske egenskaper ved stoffene. Aktiviteten ble nevnt i undervisningen, og ble etter søk på internett funnet på internett i artikkelen Å lage nakne egg (Fooladi, udatert). Teori Denne aktiviteten har både et kjemisk og et biologisk trinn. På det første trinnet vil vi se på de kjemiske reaksjonene som forventes i forsøket. Vi må begynne med å se på egenskapene til eddik. Den eddiken som ble benyttet i denne aktiviteten er en løsning med 7% eddiksyre (etansyre) og vann. En syre er et stoff som kan avgi H + -ioner. Når eddiksyre (CH 3 COOH) løses i vann (H 2 O) vil stoffene reagere med hverandre: CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq). H 3 O + -ionet består av H 2 O + H +. Det er et ustabilt ion som lett vil reagere videre med andre stoffer. Når eddik reagerer med eggeskallet er det disse oksoniumionene (H + ) som er aktive. (Hannisdal, Ringnes 2011) Når et egg legges i eddik vil eggeskallet bestående av fast kalsiumkarbonat (CaCO 3 ) reagere med oppløste oksuniumioner (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) (Fooladi 15.11.06) På makronivå kan vi observere at det utvikles gass på eggets overflate og at eggeskallet forsvinner. Eggets overflate er nå en mykere skallmembran som til vanlig ligger under det harde skallet (blide 1).
I det biologiske trinnet vil vi påvise osmose gjennom det nakne egget denne elastiske skallmembranen. Bilde 1: Eggets oppbygging (Fooladi, 15.11.06) Osmose er diffusjon gjennom en semipermeabel hinne. Det vil si at vi skal påvise væskegjennomstrømningen gjennom denne halvt gjennomtrengelige skallmembranen. Diffusjon foregår kun når et stoff brer seg fra et område med høy konsentrasjon til et område med lavere konsentrasjon. I dette tilfellet er det vannløselige stoffer på eggets utside som diffunderer gjennom membranen om inn i eggehviten. Siden eddiksyre er vannløselig vil osmosen skje allerede når kalsiumkarbonatskallet er fjernet. Eddiksyreløsning vil diffundere gjennom de elastiske skallmembranene og egget vil vokse (volumet øker). Ved å legge ett nakent egg i en blanding av vann og rød konditorfarge og et annet i en løsning med blåbærjuice kan vi vise at bare vannløselige stoffer diffunderer gjennom membranen. Konditorfargen er lite vannløselig, mens blåbærjuice er godt vannløselig. Ved koking av eggene kan vi i et tverrsnitt av eggene se at egget i rød konditorfarge er rødt på utsiden men har hvit hvite, mens egget i blåbærjuice er lilla både på utsiden og på innsiden av skallmembranen. Her er det viktig å presisere at det kun er de minste vannløselige molekylene som trenger gjennom. Molekyler som er større, eller fettløselige kan ikke diffundere gjennom membranen. (Fooladi, 15.11.06)
Materiell og metode Utstyr: Egg Eddik 7% Glass Rød konditorfarge Blåbærjuice Plastfolie Kasserolle Kokeplate Kniv (Ballong) Dette er utstyr som er lett tilgjengelig i dagligvarebutikken, og krever få resurser for å gjennomføre. Fremgangsmåte: - Legg eggene i hvert sitt glass. - Hell over eddik til egget er dekt. - Dekk til glasset med plastfolien og stikk små hull i plastfolien slik at gassen slipper igjennom (bilde 2). - La eggene ligge i glasset til neste dag (eller lengre). Bilde 2: Fremgangsmåte. Foto: Kamilla Pedersen Delforsøk 1 - Legg det nakne egget i et nytt glass og hell over blåbærjuice til det dekker egget. - La stå i minimum 4 timer. - Kok egget og del på tvers for å se resultatet. Delforsøk 2
- Legg et annet nakent egg i et nytt glass med en blanding av rød konditorfarge og vann. - La stå i minimum 4 timer. - Kok egget og del på tvers for å se resultatet. (Fooladi, udatert) Tilleggsforsøk - Legg et egg i et glass med eddik - Tre en ballong over åpningen på glasset slik at det er helt tett. - La egget ligge i glasset til neste dag (eller lengre). Tilleggsforsøket var ikke en del av den opprinnelige fremgangsmåten, men ble likevel gjennomført i håp om å få et bilde av gassutviklingen. Organisering: Denne aktiviteten ble i dette tilfelle ikke utført sammen med elever. Dette er et enkelt forsøk som de fleste elever kan mestre, og får å holde flest mulig elever interesserte og i aktivitet kan gruppestørrelser på to til tre elever være passende. Forsøket går over flere dager men trenger ikke nødvendigvis å gå over hele skoletimer (dette avhenger av trinn). Det vil likevel være en fordel å ta seg tid til drøfting av hypoteser, observasjoner og resultater i alle timene. Forsøket kan gjennomføres på kjemilaben men også på mat og helse-rommet. Fordelen med å gjennomføre aktiviteten på kjøkkenet er at det kan kombineres i tverrfaglig sammenheng, men også for å vise at ikke alle kjemikalier er farlige stoffer. Tvert i mot er de vanlige innslag i hjemmet. Forsøket er enkelt å reprodusere også på hjemmebane. Koketid kan også være et spennende tema på de lavere trinnene. En liten samkjøring med matematikkundervisningen kan i dette tilfellet bidra til økt læring. På de laveste trinnene kan det hende elevene har manglende kunnskaper i forbindelse med koking av vann. Det kan være en fordel å gjennomgå dette på forhånd enten i en undervisning om vann i naturfag, eller i tilknytning til mat og helse. Risikovurdering: Kokende vann kan være svært farlig hvis man får det over seg. På de høyere trinnene vil elevene ha kjennskap til denne risikoen men en liten påminnelse skader aldri. På
de lavere trinnene må læreren vurdere om det et hensiktsmessig både i forhold til risiko og koketid om elevene eller læreren skal stå for koking av eggene. Egg er ikke et vanskelig materiale å skjære gjennom derfor er det ikke nødvendig å benytte seg av de skarpeste knivene. En vanlig middagskniv vil være tilstrekkelig. Eddiksyre er etsende. Den eddiksyren vi finner på butikken er løst i vann til en konsentrasjon på 7%. Den brukes ofte i matlaging og er ikke etsende i små inntak. En bør likevel unngå at eddikløsningen kommer i nærheten av øyne o.l. Eddik over 12% er potensielt etsende dersom man skulle få det i munn og øyne. (Helsediraktoratet, 31.10.08) Observasjoner og resultater 13/9-11 Kl. 12:30 Alle eggene dekkes i eddik. Gassutvikling på eggenes overflate begynner umiddelbart. Det lukter eddik. Kl. 12:45 Vi ser tydelig at gassboblene stiger. Det dannes et lite skumlag på løsningens overflate. Kl. 13:00 Alle eggene har fløtet opp til overflaten. Eggene snur seg innimellom i løsningen. Kl. 13:30 Tykkere skum på overflaten antydning til bul på ballongen i glass 2 (bilde 4). Bilde 3: Skumlag. Foto: Kamilla Pedersen Bilde 4: Bul på glass 2. Foto: Kamilla Pedersen
Kl. 20:15 Tydelig skumlag i alle glassene (bilde 3). Ballongen har ikke fått større bul. 14/9-11 Kl. 07:20 Fortsatt skumlag på overflatene. Da eggene var fløtet til overflaten var vi redde for at ikke hele egget kunne reagere med syreløsningen. Vi ristet forsiktig på glassene, det løsnet gassbobler fra overflaten på eggene og eggene sank til bunnen. Vi observerer ingen synlig gassutvikling. Men eggene føles fortsatt litt harde når vi rister på glasset. Kl. 10:40 Ballongen på glass to er sugd mer inn i glasset, den har blitt konkav (bilde 5). I glass 2 har egget sprukket litt i en ende og litt eggehvite har runnet ut i løsningen. Vi kjente på egg 1. Deler av egget hadde mistet skallet men ikke på toppen (den delen som hadde kommet over overflaten.) Vi tilsatte mer eddik i glassene 1, 3 og 4. Glass 2 ønsket vi ikke å røre da fra start har vært lufttett. Kl. 17:25 Ballongen i glass 2 har trukket enda mer ned (bilde 6). Litt gassutvikling i øvrige glass, mer skum. I glass 2 er det mindre skum på overflaten enn i de andre og det er ingen synlig gassutvikling. Bilde 5: Konkav. Foto: Kamilla Pedersen
Bilde 6: Ballongen trekkes ned. Foto: Kamilla Pedersen 15/9-11 Kl. 08:00 Ingen merkbare endringer fra i går. Kl. 10:20 Det ser ut til at plommen i glass 4 har runnet ut i væsken. Egget har bristet. Kl.10:30 Vi tar forsiktig eggene ut av glassene. Egg 4 mister innholdet men overflaten (skallmembranen) er myk. Egg 2 har ikke like mykt skall, og hardere overflate enn de øvrige. Vi så at egg 2 hadde både et ytre skall og skallmembran (bilde 7). Vi sammenlignet størrelsen på forsøkseggene med et vanlig Bilde 7: Skall og skallmembran. Foto: Kamilla Pedersen ubehandlet egg A. Vi så at egg 1 og 3 var betraktelig større enn utgangspunktet, og at egg 2 bare var litt større enn utgangspunktet (bilde 8). Egg 1 og 3 har ikke harde overflater, med unntak av der hvor egget har fløtet opp og ikke hatt konstant kontakt med eddikløsningen. Innholdet i egg 2 har veldig svak lukt av eddik. Bilde 8: Ulik størrelse. Foto: Kamilla Pedersen
Vi la egg 1 i blåbærjuice og egg 3 i en blanding av vann og konditorfarge. Kl. 17:25 Egg 1 har fått lilla overflate, egg 3 har fått rød overflate. Vi koker egg 1 og 3 etter at de har ligget i blåbærjuice og konditorfargeblanding. Eggene er kokt. Vi kjenner en svak eddiklukt av kokevannet. Kl. 17:50 Eggene er ferdigkokte. Vi avkjøler eggene og bruker kniven til å skjære et tverrsnitt i hvert egg. Egg 1: Eggehviten er lilla, med unntak av der hvor litt av overflaten var dekket av skall og ikke bare skallmembran, her var hviten hvit (bilde 9). Egg 3: Eggehviten er fortsatt hvit, overflaten til egget er fortsatt rødt (bilde 10). Begge eggehvitene lukter eddik. Bilde 9: Konditorfarge. Foto: Therese Størkersen Bilde 10: Blåbærjuice. Foto: Kamilla Pedersen Drøfting Naturvitenskapelig drøfting Resultatene for egg 1 og 3 ble som forventet. Egg 4 sprakk (dette viser at det kan være greit å ha reserveegg. For å unngå at ikke hele egget fikk reagert med løsningen kan det ved neste forsøk være en idé å benytte seg av større glass hvor eggene fikk flyte friere. Eggene fløt opp da gassutviklingen begynte. Dette kan skyldes at gassboblene (CO 2 ) fortsatt satt på egg-overflaten og gav eggene større oppdrift i løsningen. Eggene falt til bunnen da vi ristet av gassboblene. Årsaken til at
eggene innimellom snudde seg i vannet kan være at gassutviklingen på ett sted økte mer enn et annet og endret oppdriften. I glass 2 forventet vi at karbondioksidgassen som ble dannet skulle fanges i en større gassansamling i ballongen, og at ballongen skulle få en større utbuling. Altså at trykket på innsiden skulle øke og presse ballongen utover. Til å begynne med så vi dette, men etter hvert begynte heller ballongen å bevege seg andre veien. Nå var trykket inni glasset lavere enn på utsiden og ballongen ble presset inn i glasset. I tillegg var skallet hardere og mindre enn de andre eggene som hadde ligget i samme løsning. Hvorfor er det slik? I et lignende forsøk på tv-programmet newton sine hjemmesider skriver de hva som skjer hvis man legger et nakent egg på bordet i et døgn. Legg egget på bordet i et døgn. Da reagerer egget med lufta, og skallet blir hardt igjen. Kalsiumet som er igjen i egget har stjålet karbondioksiden i lufta tilbake! (Stenmark, 07.08.07) Vår tanke er at kalsiumkarbonat til å begynne med reagerte med oksoniumionene og dannet blant annet karbondioksidgass og oppløste kalsiumioner. Skallmembranen har bitt delvis avdekket og løsningen som både inneholdt vann, eddiksyre og kalsiumioner har diffundert gjennom hinnen. Da karbondioksidgassen ikke fikk diffundere fritt ut i lufta, slik som i de andre glassene, økte trykket, og konsentrasjonen av CO 2. Med et så høyt overskudd av karbondioksid og økt trykk ble prosessen reversert og produksjon av kalsiumkarbonat begynte igjen. Her på det også nevnes at en slik reaksjon i all hovedsak skjer når kalsiumionene er løst i en basisk løsning. Da vil kalsiumionene reagere med karbondioksidgassen og danne fast kalsiumkarbonat. Hvis dette har skjedd kan vi regne med at kalsiumkarbonat er synlig som bunnfall, altså blakking av kalkvann. Dette gjorde vi ingen bevisste observasjoner på. Dette er tanker rundt hva som kan ha skjedd. Men hvorfor sank trykket mer enn utgangspunktet? Har det sivet noe gass ut da trykket var høyt? Da vi observerte at ballongen ble trukket inn i glasset så vi også en sprekk i egget. Det kan hende at disse to hendelsene er i sammenheng med hverandre. Stoffene på utsiden av egget kan også ha reagert med eggehviten som kom ut i væsken. I så fall kan disse reaksjonene også ha forekommet i de andre glassene, ved osmose. Hvis innholdet i egget har reagert med karbondioksid kan konsentrasjonen i glass 2 bidratt til økt produksjon. Andre elementer som til senere kan vurderes er om glassene i utgangspunktet var helt rene, hvis det har vært rester av oppvaskmiddel eller annet kan dette ha påvirket resultatet. Eggeskallene hadde også rosa stempling. Da skallet
reagerte så vi at dette stempelblekket ble liggende på overflaten av skummet i noen av glassene. Stoffer i dette blekket kan også ha påvirket utfallet. Naturfagdidaktisk drøfting Resultatene for egg 1 og 3 stod til forventningene og er gode eksempler på hva vi ønsker elevene skal lære. De viser gode eksempler både for kjemiske og biologiske prosesser. Elevene får observere stoffer i ulike former, og se at de kan omdannes til andre stoffer. Aktiviteten er et enkelt observerbart bevis på osmose, både i form av farge, lukt og størrelse. Når det kommer tilleggsforsøket i glass 2 viser det en annen side ved prosessene. En idé er at de under riktige forhold kan reversere. Dette tilleggsforsøket er ikke noe vi nødvendigvis vil ta opp og gjennomføre med hele elevgruppene. Da vi leste framgangsmåtene og så at det skulle utvikles gass, fikk vi en idé om å prøve å samle gassen i en ballong. Dette er et eksempel på denne nysgjerrigper-spiren som vi ønsker hos elevene. Så hvis elever selv kommer opp med egne ideer og spørsmål vil vi åpne for at dette kan gjennomføres på elevens gruppe som et tilleggsforsøk, så lenge det ikke medføre økt risiko, og kan holdes innenfor relevante rammer av tid og teori. For at elevene skal få et best mulig utbytte av fagstoff og forsøk i praksis vil det være en fordel hvis elevene like i forkant har arbeidet med fagstoff og vet at aktiviteten er relatert til dette. Å tenke og å gjøre er like viktig! (Hannisdal, Ringnes 2011:44) Når aktiviteten er gjennomført må den oppsummeres og læringsutbyttet sikres ved lærer hjelper elevene til å koble sammen observasjoner og teori. (Hannisdal, Ringnes 2011) Denne aktiviteten er gjennomført med utstyr som er kjent i dagliglivet og kan bidra til økt motivasjon og interesse for kjemifaget som ofte blir sett på med fremmedfrykt og som komplisert. Konklusjon Alt i alt er dette et enkelt forsøk som vi tror vil bidra til økt interesse og forståelse. Forsøket er enkelt å gjennomføre selv om en aldri har gjort det før, men for en lærer vil der være en fordel å kjenne til eventuelle feilkilder og mulighetene for mislykkede forsøk (egget sprakk). Som tidligere nevnt kan størrelsen på glassene muligens påvirke resultatene, dette er noe vi vil endre på i senere forsøk. I denne
oppgaven gir vi ikke noe omgående svar på observasjonene for glass 2, det er noe vi i videre forsøk kunne tenke oss å studere nærmere. Det vil her bli interessant å se om det er mulig at luften har løst seg opp i vannet og dannet undertrykk. Spørsmålet er om dette resultatet er reproduserbart. Da kjemilærer forsøkte tilsvarende tester med egg, eddik og ballong på ulike måter fikk han ingen utslag med undertrykk i glassene. Det vi kan konkludere med er i alle fall at dette forsøket har vekket forskerspiren i oss, og at vi har blitt svært nysgjerrige på å forstå fenomenet. Kildeliste Erik Fooladi (udatert) Å lage nakne egg. Hentet 13.09.11 fra http://www.naturfag.no/forsok/vis.html?tid=622782 Erik Fooladi (15.11.06) Forskerspiren i et eggeskall. Hentet 13.09.11 fra http://www.naturfag.no/artikkel/vis.html?tid=622798 Hannisdal, Merete. Vivi Ringnes (2011) Kjemi for lærer. Gyldendal akademisk Helsedirektoratet (31.10.08) Eddik kan være etsende. Hentet 20.09.11 fra http://www.helsedirektoratet.no/giftinfo/kjemikalier/eddik_kan_v_re_etsende_ 154474 Morgan Stenmark (07.08.07) Utfordring: Triks med eddik og egg. Hentet 13.09.11 fra http://www.nrk.no/programmer/tv/newton/1460993.html