Rapport: Påvisning av vann Webmaster ( 10.09.04 17:07 ) Viderergående -> Naturfag -> Grunnkurs Karakter: 6- Referanse: Øvelse 1.4, Studiebok s.35. Grunnkurs. Rapporten er detaljert, kanskje for detaljert, men besvarer alla aspekter i rapporten. Naturfag Øvelse 5 Påvisning av vann Av: Fredrik Thomassen 1A November 2003 Rapport: Påvisning av vann 1
Vann har alltid hatt en elementær betydning for menneskene. Grekeren Thales fra Milet, som regnes som tidenes første forsker, lurte på om alt rundt oss var laget av ett eneste stoff. Og Thales fant et svar: Alt er vann! Thales trodde at mennesker, dyr, planter og alt annet rundt oss var laget av vann. Uten vann kan ikke mennesker bosette seg, og uten vann dør alt levende. Og derfor trodde Thales at vann var enestående. Opp gjennom tidene har vann betydd utrolig mye for menneskenes utvikling, man finner sjelden en stor by som ikke ligger i nærheten av en elv, elver er i veldig mange tilfeller landegrenser og vann har alltid vært en stor inspirasjonskilde for menneskene. Det er flere enn Thales og Arkimedes som har brukt mye tid på å studere vann. Vann er nemlig et utrolig spesielt stoff. Det har faktisk plass i Guiness Book of Records under kategorien verdens mest spesielle stoff. Vann er enestående og ensbetydende med liv og er derfor av utrolig viktighet for oss mennesker. Menneskene strever enormt med å søke etter vann på andre planeter, noe som nødvendigvis må medføre liv, mener forskerne. Da kunne det vært greit å ha noen metoder for påvisning av vann. Forsøket: Det er nettopp det dette forsøket tar for seg. Hvordan kan vi påvise vann? Dette kan i mange tilfeller være svært lett. Når man skrur på krana eller stuper i vannet er det ganske lette å merke at vann er tilstede. Når det er snø og is ute er det ikke like lett å påvise vannet men man merker fort at det snø består av er vann hvis man får en snøball i nakken. Hva med et blått tørt pulver da? Er det vann i det? Den blå løsningen er en blanding av Kobbersulfat, CuSO 4, og fem vannmolekyler, 5H 2 0. Her må vi nok bruke en destillasjons metode for å prøve å utskille vannet. Det vil si at vi varmer opp pulveret for å se om vannet forsvinner ut. Dersom vi har en blanding av kobbersulfat og vann, vil vannet fordampe før kobbersulfatet. Hvordan kan vi se om vannet fordamper bort? Vi vil naturlig nok se vanndampen, både for seg selv og som kondens på reagensglasset. Hadde vi vært heldige hadde kobbersulfatet forandret seg det også, og det hadde jo vært ideelt. For å være på den sikre siden gjør vi prosessen reversert etterpå. Vi tilsetter vann. Kanskje da kobbersulfatet inntar sin tidligere form. Da hadde sirkelen vært sluttet. Vår hypotese var, uten kjennskap til mye av ovennevnte teori, at det blå kobbersulfatet inneholdt vann, og at vannet ville fordampe når vi tilførte energi. Vi gjorde oss ikke opp noen tanker når det gjaldt hvordan reksjonene ville foreløpe og detaljer mht. temperatur. 1A 2
Øvelse 4: Påvisning av vann Problemstilling: I denne øvelsen skal vi observere blått kobbersulfat under oppvarming, avkjøling, og deretter observere hva som skjer når vann tilsettes. Utstyrliste: Øvelse 4:o:p 3
Over: Modell for første del av forsøket; oppvarming av kobbersulfatet og observasjon av joner. Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann og joner observeres. Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 4og
Utstyr i bruk: Stativ med klemme og oppheng. Reagensrør Gassbrenner, og fyrstikker. Dråpeteller Blått kobbersulfat Beskyttelsesutstyr. Vi finner beskyttelsesutstyr og setter opp en punktvis liste for hvordan vi har tenkt å utføre forsøket. Vi følger denne listen sporadisk. Vi skråstiller reagensrøret under oppvarmingen. Dette gjøres for å få en mer kontrollert oppvarming, ved at en større overflate slipper ut mer varme og fordi man da kan forutsi hvor innholdet vil lande, eller kanskje mer korrekt ikke vil lande. Det er også mulig å få en jevnere oppvarming ved å bevege på gassbrenneren slik at det ikke alltid er samme punkt som oppvarmes. Når alt er klart setter vi i gang med første del av forsøket; vi varmer opp det blå kobbersulfatet som vi har plassert i reagensrøret (se figur av del 1) og gjør følgende observasjoner: Start Tidlig fase Mellomfase Sen fase Slutt Alt er oppstilt som vist på figur 1 når forsøket startes. Alt kobbersulfatet har en sterk blå farge og er i en slags krystallisert form, noe vi betrakter som svært interessant. Etter 2-3 minutter observerer vi en stadig økende mengde vann på reagensrøret, vi konkluderer med at dette er vanndamp som er kondensert fra luften, grunnet temperaturforskjeller. Omtrent de samme observasjonene som tidligere, men i sterkere grad. Fargene har Vi observerer tilnærmet kun hvitt kobbersulfat. Stoffet har et visst grønnskjær. Vi ser at volumet nå lagt seg lag på er innskrenket Vi observerer allerede etter ca.30 lag, i henholdsvis med anslagsvis sekunder store forandringer: Vi ser at den sterke blå fargen begynner og Kobbersulfatets grønne, gule og hvite partier. Vi 20 % og vi ser at stoffet er mye svekkes og en kraftig fordamping tiltar. volum har minsket 10-15 %. tolker dette som en varierende mer porøst enn tidligere. Deretter kjøler vi ned reagensrøret, dette gjøres, til å begynne med, ved bruk av mangel så varmt på vann som mulig, slik at man unngår at reagensrøret sprekker. Det må presiseres at det kun helles vann blåfarge. på utsiden av reagensrøret. Når avkjølingsprosessen er fullført setter vi opp stativet som vist på figur av del 2. Vi setter denne gangen Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 5og
reagensrøret rett. Det er ingen åpenbar grunn til dette, meg bekjent, bortsett fra at det rett og slett er mer praktisk. En mulighet er at temperaturmålingene blir mer korrekte iom at termometeret måler temperatur nærmere sentrum av kobbersulfatet, ergo angir en mer representativ temperaturverdi for stoffet. Deretter drypper vi regelmessig et drypp med vann fra dråpetelleren og observerer det som skjer med kobbersulfatet. Observasjonene vi gjorde: Start 1.Vanndråpe 2.Vanndråpe 3.Vanndråpe Slutt Alt stoffet er hvitt og smuldrete når vi starter prosessen ved å dryppe vann på det hvite kobbersulfatet. Temperaturen er på Etter ca. 1 min drypper vi andre vanndråpe; da er ca. 23 C når vi starter. Når vannet treffer temperaturen allerede kommet opp i 33 C, kobbersulfatet får vi straks en rask men forsetter å stige radikalt. Fargen Når vi skal dryppe tredje vanndråpe har Reagensrøret sprakk temperaturøkning. Vi forandrer seg og temperaturen kommet fordi vi tilførte for ser også at fargen volumet øker. Som en opp i 51 C, men mye vann. Vi har begynner å forandre følge av stiger likevel imidlertid kommet så seg tilbake til den temperaturøkningene fremdeles med sammelangt i prosessen at vi opprinnelige blåfargen, hvilket er ser vi stadig mer kondens på glasset. tempo. Volumet øker fremdeles, men betrakter forsøket som ferdig. Vi ser at Dette er interessante resultater. svært interessante Vi ser at kobbersulfatet først er blått. mesteparten Når vi er ferdig av med oppvarmingen volumet har økt, har med det mistet sin blåfarge. observasjoner. Under oppvarmingen ser vi stor fordamping. kobbersulfatet Vi ser også mye er kondens nå anslagsvis på glasset, 15-20 i form % og av vann. blått. nesten alt kobbersulfat har forandret seg til blått. Denne kondensen skyldes temperaturforskjellene inne i reagensrøret, fenomenet omtales konvensjonelt som dugg. Kondensen er en konsekvens av luftfuktighet og temperaturforskjeller, noe som igjen nødvendigvis Temperaturen må tilsi er på at noe har fordampet. Hvis dette er tilfelle har det blå kobbersulfatet innholdt vann og vannet har 58 fordampet. grader. Kan vi være sikre på dette? Temmelig. Vi observerer at det er noe som fordamper, trolig vann, men vi observerer også i del 2 av forsøket at kobbersulfatet gradvis returnerer til sin vanlige farge når vi tilsetter vann. Vi ser også at volumet minsker når vi fordamper stoffet og at volumet omtrentlig kommer tilbake til sitt utgangspunkt etter tilsetning av vann. Vi så at kobbersulfatet i utgangspunktet var svært kornete, på fagspråket kalles tilstanden krystallisert. Kobbersulfatet er også krystallisert når vi er ferdige med forsøket. Alle disse tingene indikerer klart at kobbersulfatets blåfarge skyldes vann. Vi konkluderer med at det stemmer. Kjemisk bevis på at kobbersulfat inneholder vann: Når vi er ferdig med avkjøling er temperaturen 23 o C. Denne temperaturen kaller vi T 0. Når vi tilsatte kaldt vann fra springen steg plutselig temperaturen raskt og endte på 58 o C før reagensrøret sprakk Denne temperaturen kaller vi T S. Noe av energien vi tilførte under oppvarmingen ble her frigitt i form av en økning i indre E K, eller temperaturøkning. Ved å se på temperaturøkningen kan vi se noe om den totale frigitte energimengden. Temperaturøkningen i dette tilfellet blir T = T S T 0 = 58 o C - 23 o C = 35 o C. Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 6og
Vi har nå vist at ved å tilføre energi til blått kobbersulfat frigis vann og energi stenges inne. Dette har vi bevist en gang til ved å gjøre det motsatte, når vi tilfører vann til kobbersulfat frigir vi energi. Vi har dermed bevist at blått kobbersulfat inneholder vann. Vi kan sette opp to jonslikninger: Endoterm: Blått kobbersulfat + energi è Hvitt kobbersulfat + vann CuSO 4 5H 2 O + energi è CuSO 4 + 5H 2 O Eksoterm: Hvitt kobbersulfat + vann è Blått kobbersulfat + energi CuSO 4 + 5H 2 O è CuSO 4 5H 2 O + energi Vi har dermed kjemisk bevist at det er vann i den tilsynelatende tørre blå løsningen vi startet med, kjent som blått kobbersulfat. Av dette forsøket kan man trekke en del interessante slutninger: I første del av forsøket lærer vi en metode for å skille stoffer; vi utnytter vanns og kobbersulfats ulike fordampingspunkt og frigjør vann fra kobbersulfat ved å fordampe vannet. Vi har lært en metode for påvisning av vann. Denne metoden kan trolig brukes i et utall av ulike prosesser for å påvise et stoff i en løsning. Mange glass knuste; dette skyldes i enkelhet at temperaturendringene skjedde for raskt, slik at vi får spenninger i glasset. At raske temperaturforandringer kan få ting til å sprekke er ikke noe nytt; en eldgammel gruvedriftsmetode gikk ut på lage et svært bål over stedet hvor man skulle sprekke fjellet, for deretter og kaste på store mengder vann. Temperaturforandringene får da fjellet til å sprekke, fordi volumet ulike steder øker. Dette har vi et godt eksempel på ved Lerestvedt gruver på Helle, som enhver klasse på Nedenes obligatorisk besøker. Grunnen til dette fenomenet er forholdsvis enkelt å forklare hvis man tar termometeret som et eksempel: Termometeret fungerer på den måten at det utvider seg når temperaturen øker, stoffet i termometeret får høyere indre E k noe som fører til at stoffet får et høyere volum. Dette er en kjensgjerning. Hva vil da skje hvis et stoff få en ujevn oppvarming? Hvis det blir varmere et sted enn et annet. Dette stedet vil da få et øket volum og stoffet vil Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 7og
da få en ulik form en tidligere. Blant annet blir dette brukt av reparatører til å rette opp bulker i biler; en rett metallplate som varmes kraftig opp på den ene siden vil bøye seg sterkt til den andre siden fordi stedet som varmes opp får et øket volum. Glass er et svært skjørt stoff og kun små temperaturforskjeller vil kunne få et reagensrør til å sprekke. Det er altså ikke temperaturforandringene, men temperaturforskjellene som fører til at mange reagensrør knuste. Dette kan likevel vanskelig forklare at vårt reagensrør knuste, temperaturen var kun 58 o C, en temperatur som var betraktelig lavere enn de andre gruppenes. En mulig forklaring på ulikehetene i forholdet mellom temperaturheving og knusing av reagensrør, kan også være at vi tok i så lite vann at temperaturen steg raskt, men bare i bunnen av reagensrøret. Dette kan undersøkes ved å sammenligne de ulike gruppenes resultater. Vi har igjen sett at reagensrøret skal skråstilles, dette er svært viktig og er et viktig sikkerhetstiltak på laboratoriet. Vi vet at dette gjøres for å unngå støtkoking og at vi kan forutsi hvor innholde vil havne ved en eventuell utblåsning. Vi så kondens på glasset, vanligvis kalt dugg, denne duggen kommer også som en følge av temperaturforskjeller. For å forklare hvordan denne prosessen fungerer må man vite at lufta har større muligheter til å holde på vann jo høyere temperaturen er. Når man for eksempel har dugg på en bil så skyldes dette luftas varierende evne til å holde på vann, avhengig av temperatur. La oss si at en bil holder eksempelvis 15 o C, og temperaturen på vindusrutene er -5 o C, som følge av en kald vinter. Da har den kalde luften ved rutene mindre evne til å holde på vann enn den andre luften i bilen. Når luft inni bilen, som da holder en temperatur på 15 o C, kommer i kontakt med rutene vil lufta avgi vann, og vi får dugg, eller kondens, på rutene. Når kobbersulfatet er blått, er konsistensen kornete, eller krystallisert. Når deretter vannet forsvinner blir stoffet av en helt annerledes konsistens. Vi kan konkludere med at vannmolekylene legger seg mellom kobbersulfatmolekylene og danner større molekyler. Vi får altså plass til fem vannmolekyler inni ett kobbersulfatmolekyl og da dannes det mer kornete molekyler som oppfattes som krystaller på nært hold. Vi er godt fornøyde med resultatene av dette forsøket. Vi kunne trekke mange konklusjoner og det er positivt. Vi har heller ingen grunn til å betvile resultatene i dette forsøket, så sant man tror det man ser; det var ingen store feilkilder, så vidt jeg vet, bortsett fra at reagensrøret vårt sprakk. Imidlertid er det mange feilkilder som påvirker observasjonenes nøyaktighet, men det er, i og for seg, irrelevant. Helt kort tenker jeg på forhold som omhandler stoffenes renhet og en mengde feilkilder knyttet til temperaturmålingenes nøyaktighet. Alt i alt betrakter vi forsøket som svært vellykket. Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 8og
Fredrik Thomassen Over: Modell for andre del av forsøket; etter en liten avkjølingsprosess ( jfr. utførelse) tilsettes vann 9og