Rapport 3 Fenomener og stoffer. Destillering av Pepsi Max. Fotograf: Karoline Svensli Kurskode: NA153L Dato: 05.10.11 Navn: Karoline Svensli og Camilla Edvardsen
Innholdsfortegnelse Innholdsfortegnelse... i 1 Innledning... 1 2 Teori... 1 3 Materiell og metode... 2 3.1 Utstyr... 2 3.2 Framgangsmåte... 2 4 Resultater... 2 5 Drøfting... 4 5.1 Naturvitenskapelig drøfting... 4 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting... 6 6 Konklusjon... 8 7 Kildeliste... 10 i
1 Innledning I denne aktiviteten skal vi undersøke hva som skjer når vi destillerer Pepsi Max. Formålet med aktiviteten er å få kunnskap om hvordan man kan bruke destillasjon som metode for å separere stoffer i en væskeblanding, samt at man skal få erfaring med hvordan man lager en enkel destillasjonsoppsats. Dette forsøket går under hovedområdet "fenomener og stoffer" i LK06. De kompetansemålene som kan relateres til forsøket er: Fenomener og stoffer. Etter 10. årstrinn. Mål for opplæringen er at elevene skal kunne planlegge og gjennomføre forsøk med påvisningsreaksjoner, separasjon av stoffer i en blanding og analyse av ukjent stoff. (Hannisdal, Ringnes. 2011:8) For elever på ungdomstrinnet kan destillasjon være gunstig å gjennomføre når man skal gjøre forsøk med å separere stoffer i en blanding. Forsøket er forholdsvis enkelt å gjennomføre og resultatet er lett observerbart. Andre metoder man kan bruke for å få erfaring i å separere stoffer i en blanding er for eksempel kromatografering, inndampning og filtrering. Vi fikk inspirasjon til å gjennomføre denne aktiviteten i boken "Kjemi for lærere" av Hannisdal og Ringnes (2011). 2 Teori Destillasjon er en metode man kan bruke for å skille ulike stoffer i en væskeblanding fra hverandre ved hjelp av fordamping og kondensasjon (Hannisdal, Ringnes, 2011). Når man varmer opp en løsning vil en væske fordampe. Ved hjelp av glassrør forflytter man dampen til et sted hvor den blir avkjølt. Dermed kondenserer dampen og blir til væske igjen (Thomassen, udatert). Poenget er altså at de ulike stoffene i en blanding ikke vil fordampe ved samme temperatur. 1
Den blandingen vi har destillert er Pepsi Max. Det er en sukkerfri kullsyreholdig brus med ingredienser: Vann, karbondioksid, farge (karamell E 150d), søtstoffer (aspartam (inneholder fenylalaninkilde), acesulfam K), syrer (fosforsyre, sitronsyre), surhetsregulerende middel (natriumcitrat), aromaer (bl.a. koffein). (Wikipedia, 2011). Pepsi Max er en homogen blanding siden stoffene er jevnt fordelt. Man kan likevel stille spørsmål om blandingen er homogen når man åpner flasken og man tydelig kan se bobler øverst. Dette vil vi ikke gå nærmere inn på i denne teksten. Kondensasjon er når damp går over til væskeform, og det skjer en fysisk forandring. Fordamping derimot er når en væske går over til gassform. Vi forventer at ved hjelp av destillasjon vil vannet fordampe og deretter kondensere til en blank væske bestående av vann. Dette tror vi på grunn av at vannet har det laveste kokepunktet av alle ingrediensene i Pepsi Max. 3 Materiell og metode 3.1 Utstyr Kolbe med kork og glassrør Begerglass Reagensglass Gassbrenner Fyrstikker Stativ med trådnett Vernebriller Pepsi Max Bøtte med vann Bilde 1: Utstyr Fotograf: Camilla Edvardsen Utstyret kan være noe kostbart, og de fleste hjem er ikke utstyrt med dette. Denne aktiviteten er best å gjennomføre på skolen, da man i laboratoriet har tilgang til det man trenger. Man må 2
ikke bruke Pepsi Max når man skal destillere en væske, man kan også bruke for eksempel husholdningssaft. 3.2 Framgangsmåte 1. Sett sammen destillasjonsutstyret slik det er vist på bilde 2. Bilde 2: Destillasjonsoppstilling. Fotograf: Karoline Svensli 2. Hell Pepsi Max i kolben og kaldt vann i begerglasset. Reagensglasset skal være tomt. 3. Varm opp Pepsi Max'en til kokepunktet. 4. Registrer det som skjer og legg merke til stoffet som kommer i reagensglasset. Risikovurdering: Det er alltid en risiko tilstede når man arbeider med gassbrenner. I arbeid med gassbrenner skal man alltid bruke vernebriller. Forsøket er ikke farlig i den grad man tar de nødvendige forholdsreglene og man er forberedt på de farene som kan skje. Det er lurt å ha en bøtte med vann i nærheten når man skal bruke gassbrenner. Lærer må være tilstede når forsøket skal gjennomføres av elever. Elever må ha god kjennskap til hvordan man bruker en gassbrenner før man starter arbeidet med aktiviteten. (Husk! Tenn fyrstikk før gassen settes på.) Brannteppe må også være tilstede. 4 Resultater Da vi varmet opp løsningen (Pepsi Max) til kokepunktet, ble det dannet en damp inne i kolben. Dampen ble ført bort til reagensglasset. Der ble den avkjølt og omgjort til en blank væske. 2
Observasjoner underveis (se bilde 3 og 4): Løsningen begynte å danne små bobler nesten umiddelbart etter at vi tente gassbrenneren, deretter begynte løsningen å bruse noe i det øverste laget. Vi kunne observere at det ble dannet damp inne i kolben, for deretter å bli fuktig. Det vi kunne se er damp som er blitt kondensert når den blir avkjølt. Løsningen begynte deretter å koke, og dampen blir forflyttet gjennom glassrøret og ned i reagensglasset. Vi kunne også observere dråper som ble forflyttet til reagensglasset. Dampen i reagensglasset blir avkjølt, og det blir dermed til en blank væske. Kondensering. Den blanke væsken i reagensglasset lukter svakt Pepsi Max. Bilde 3: Fra venstre ser vi først løsningen før det begynner å koke. På det neste bildet kan vi se små bobler i det øverste laget av løsningen og at det har begynt å danne seg damp som har begynt å kondensere inne i kolben. På det tredje bildet ser vi også damp som er begynt å kondensere. Det siste bildet viser når løsningen koker og den kondenserte væsken begynner å trekke seg ut fra kolben. Fotograf: Camilla Edvardsen Bilde 4: Til venstre ser vi begerglasset med reagensglass før vi har startet å koke opp løsningen. Bilde nummer to fra venstre viser noe av dampen som har begynt å kondensere på vei til reagensglasset. På det tredje bildet kan vi se at noen dråper også er i ferd med å renne ut fra glassrøret og ned i reagensglasset (bilde er ikke av den beste kvaliteten, og det kan derfor være noe vanskelig å se). På det siste bildet ser vi at dampen er kondensert, og vi har klart å separere en væske ut av Pepsi Max-løsningen. 3
Fotograf: Karoline Svensli 5 Drøfting 5.1 Naturvitenskapelig drøfting Ut i fra det vi forventet kan vi se at den blanke væsken som har fordampet og kondensert består av vann. Derimot kunne vi bekrefte at den blanke væsken ikke kun består av vann, siden den hadde en svak lukt av Pepsi Max. Vi kan nokså bastant si at ingen av fargestoffene ble destillert, siden det ikke var noe farge på væsken. Fargestoffet karamell E150d har derfor mest sannsynlig et høyere kokepunkt enn vann. Siden vi kunne kjenne en svak lukt av Pepsi Max av væsken tror vi at noen av aromaene som er tilsatt Pepsi Max også har blitt destillert samtidig som vannet. Vannet har trolig det laveste kokepunktet (100 C) av alle ingrediensene i Pepsi Max og vil derfor koke først. Siden vi kunne kjenne en lukt av den blanke væsken som ble kondensert er det nærliggende å tro at (en eller flere av) aromaene har et kokepunkt litt over 100 C. I ingrediensene til Pepsi Max kan vi se at det er tilsatt aromaer. En av disse er koffein, men det er trolig flere "hemmelige"/uspesifiserte aromastoffer. Det kan derfor være trolig at koffein eller noen av de andre aromastoffene i løsningen også er blitt fordampet mer eller mindre samtidig som vannet, for deretter å kondensere og blande seg inn med den blanke væsken. Grunnen til at vi hadde kaldt vann i begerglasset som reagensglasset stod i var for å avkjøle dampen som kom gjennom glassrøret. Dette for at dampen skal kondensere og bli til væske. Når H2O(g) kondenserer vil det dannes hydrogenbindinger mellom vannmolekylene. Disse er svakt bundet sammen. (Hannisdal, Ringnes. 2011). Det er viktig å påpeke at en del av dampen muligens blir kondensert underveis i glassrøret, da temperaturen synker så fort dampen trekkes bort fra den høye temperaturen. Noe av dampen er derfor blitt til væske før det renner ned i reagensglasset (se bilde 5). 4
Bilde 5: Kondensert damp og vanndråper som blir ført til reagensglass i glassrør. Fotograf: Camilla Edvardsen De observasjonene vi gjorde i begynnelsen av forsøket var tegn som viste oss at brusen begynte å koke. Dråpene vi så etter hvert var det kokende vannet (og muligens aromaen) i brusen som har begynt å fordampe (damp som har kondensert på veien til reagensglasset). Siden en del av dampen ble kondensert allerede inne i kolben, rant noe av dette ned i Pepsi Max-løsningen igjen. Dette kan være en av årsakene til at vi ikke fikk så mye blank væske i reagensglasset. Hadde vi kokt løsningen enda lengre, ville det muligens blitt kondensert enda mer blank væske enn det vi fikk (se bilde 6). Å klare å skille ut alt vannet i Pepsi Maxløsningen er en langsom prosess og vil ta mye tid. Bilde 6: Den blanke væsken som er separert fra Pepsi Max-løsningen. Fotograf: Karoline Svensli Det som kunne ha påvirket resultatet er at vi ikke hadde noen mål for når brusen var kokt opp til 100 C. Hadde vi stoppet kokingen ved 100 C, ville vi kanskje ikke kjent noen lukt av 5
væsken. Dette er uvisst for vår del, siden vi ikke utforsket dette noe mer og siden vi ikke vet det eksakte kokepunktet til de uspesifiserte aromaene. Siden Pepsi Max inneholder veldig mye vann, tror vi ikke at temperaturen nådde over 100 C i dette forsøket. Hadde Pepsi Max'en nådd 100 C ville alt vannet fordampet, og det gjorde det ikke i vårt tilfelle (forholdsvis liten mengde med blank veske). Dette er dog noe man kunne forberedt, og kanskje utforsket mer hvis man skulle gjennomføre dette i en klasse. Spørsmål en da kan stille seg er: "Hvor lenge skal man koke brusen for at den blanke væsken består av kun vann? Og når vil den blanke væsken bestå av vann og samtidig ha en lukt? Er det ingen forskjell?" I videre arbeid med dette kunne aktiviteten også blitt knyttet opp mot hovedemnet "Forskerspiren" i LK06. Det kunne også vært interessant å smake på den blanke væsken som skilte seg ut, men av sikkerhetsmessige årsaker gjorde ikke vi dette under gjennomførelsen. Utstyret vi brukte er blitt brukt tidligere i kjemiundervisning, og vi har derfor ingen garanti for hvilke rester som fortsatt kunne være/er tilstede. Hadde man derimot gjennomført forsøket hjemme, og brukt utstyr fra kjøkkenet, ville det høyst sannsynlig ikke være noen risiko i å smake på den blanke væsken. Da ville vi kanskje også funnet ut om den blanke væsken kun består av vann og aromaer, eller om den eventuelt består av andre stoffer. Væsken som ble kondensert består altså i hovedsak av vann, men det er trolig også blitt destillert noen av aromaene i Pepsi Max siden væsken hadde en lukt. 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting Meningen med dette forsøket er at elevene skal lære om destillasjon som metode for å separere stoffer og hvordan man setter opp en destillasjonsoppsats. Vi har ikke gjennomført dette forsøket i en undervisningssituasjon, men vi tror at dette forsøket er hensiktsmessig å gjennomføre hvis man har som mål å lære om destillasjon. For elever på ungdomstrinnet kan det være motiverende å gjennomføre et slikt forsøk siden man får arbeide med stoffer de kjenner til fra før. Ut i fra elevenes hverdagsforestillinger kan et slikt forsøk være med på å synliggjøre at løsninger består av flere stoffer. Vi har jo i dette forsøket bevist at Pepsi Max består av vann, - og at vi kan skille ut vannet fra resten av løsningen. De ulike gruppene i klassen kunne kanskje fått destillert forskjellige blandinger. Siden forsøket ikke har noen særlig stor risiko, kan elever utføre forsøket gruppevis uten at det nødvendigvis skaper noen form for fare. 6
Antall frihetsgrader i denne aktiviteten må tilrettelegges for hver klasse. Siden man arbeider med gassbrenner og varme væsker må sikkerhet prioriteres. Antall frihetsgrader vil derfor bli begrenset. Aktiviteten vi gjennomførte kan klassifiseres som et "kokebokforsøk". Det hensiktsmessige med et slikt forsøk er at elevene får trening i å behandle utstyr og hvordan man bruker ulike arbeidsteknikker. Man får også mer oppmerksomhet rettet mot det som skjer underveis. Antall frihetsgrader i et "kokebokforsøk" er liten. Derimot kan dette forsøket uten store vanskeligheter tilrettelegges slik at frihetsgradene blir større. Det er dog viktig å påpeke at elevene må ha erfaring og modenhet før de får "gjøre som de vil". (Hannisdal, Ringnes. 2011.) Å gjennomføre slike forsøk skaper trolig engasjement og nysgjerrighet hos elevene. Samtidig krever ikke et slikt forsøk mye teoribakgrunn før man starter arbeidet. Derimot vil forsøket forhåpentligvis få elevene til å stille spørsmål til det som skjer. F.eks. "Hva består den blanke væsken av?" Lærer har da et godt grunnlag til å gå videre/dypere inn i teori rundt temaet. For eksempel kan det kanskje være hensiktsmessig å trekke inn andre metoder for å separere stoffer (kromatografering, filtrering og inndampning). "Enhver læring må starte der eleven befinner seg." (Sjøberg. 2001:114.) Man må derfor kontrollere hva elevene kan fra før og tilrettelegge undervisningen til deres forutsetninger. Dette gjelder for så vidt mesteparten av arbeidet i skolen. Teorien må bygges på elevenes hverdagsforestillinger og kunnskap om emnet. (Sjøberg. 2001.) Man kan koble inn partikkelmodellen i dette arbeidet, siden man arbeider med stoffer i både væske- og gassform. Det kan da være fornuftig å trekke inn partiklenes bevegelse, tetthet og fart. Vannet blir først fordampet for deretter å kondensere til væske igjen. Stoffenes tilstand er avhengig av temperaturen - noe som er bevist i dette forsøket og kan forklares ved hjelp av partikkelmodellen. Hvis vi skulle gjennomført dette opplegget med en skoleklasse ville vi ha organisert elevene i grupper på opptil tre personer. Vi ville først ha forklart hva som skal gjøres for deretter å la elevene diskutere hva de tror kommer til å skje (lage hypoteser). Skulle vi ha gjennomført forsøket i en klasse på mellomtrinnet ville vi gjort et "demonstrasjonsforsøk". På ungdomsskoletrinnene ville vi kanskje brukt dette forsøket for å la elevene bli vant med arbeid med gassbrenner. Da ville de forhåpentligvis få erfaring som de kan ta med seg videre 7
når de skal jobbe med forsøk som innebærer større risiko. Vi ser for oss at et slikt forsøk er mest hensiktsmessig på ungdomskolen. De fleste barneskoler er uansett ikke utstyrt med et laboratorium hvor det er hensiktsmessig å gjennomføre slike forsøk. Å arbeide med gassbrenner krever sikkerhetsutstyr (brannteppe, vernebriller, brannslukkingsapparat osv). Man kan knytte inn de grunnleggende ferdighetene i aktiviteten ved å for eksempel be elevene skrive rapport (skriftlig) og fremføre resultatet (muntlig). I denne aktiviteten får elevene presentert en del nye begreper de muligens ikke har kjennskap til fra før. Dette er en aktivitet som kanskje vil være med på å gi elevene en dypere forståelse av disse, enn om man leser i en bok. I LK06 er det presisert at praktisk arbeid skal være en del av naturfagsundervisningen. (Hannisdal, Ringnes. 2011.) Bilde 7: Lukter på vannet. Fotograf: Camilla Edvardsen 6 Konklusjon Man kan skille ut en væske fra Pepsi Max ved hjelp av destillasjon. Dette er et forholdsvis enkelt forsøk å gjennomføre og resultatet er lett observerbart. Det er derfor gunstig å gjennomføre dette på ungdomsskolen for at elevene skal 1) få erfaring i arbeid med gassbrenner 2) tilegne seg begreper gjennom praktisk arbeid 3) få kunnskap om at det er mulig å bruke destillasjon som metode for å skille stoffer fra en blanding. 8
4) lære hvordan man gjennomfører en destillasjon og de ulike stegene i prosessen (fysisk forandring). 9
7 Kildeliste Hannisdal, M. Ringnes, V. (2011). Kjemi for lærere. Gyldendal Norsk Forlag A.S. Oslo. Sjøberg, Svein. (2001). Natur- og miljøfag. Fagdebatikk - fagdidaktisk innføring i sentrale skolefag. Gyldendal Akademisk, Oslo. Thomassen, Hanne (udatert). Destillasjon. Hentet 05.10.2011 fra http://www.iu.hio.no/~hannet/organisk_kjemi/org_tekn/des.htm Wikipedia (2011). Pepsi. Hentet 05.10.2011 fra http://no.wikipedia.org/wiki/pepsi_max 10