1. No category

ekmovanje
Znanstveno t
za srednje Sole
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Priročnik za uporabnike
Fizikalni in kemijski eksperimenti
Uvod
Dragi dijak in dijakinja,
če bereš naslednja navodila, to lahko pomeni dvoje: da te zanima znanost
ali da se rad družiš s sošolci. Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije ti bo
pokazalo, da je mogoče združiti oboje.
V nadaljevanju sledi kratka razlaga, kaj natanko je znanstveno tekmovanje iz
verižne reakcije in kaj moraš storiti, da postaneš del te zabavne izkušnje, ki bo
hkrati izboljšala tvoje znanje.
Ali si pripravljen? Potem se loti dela, bodi kreativen in domiseln!
Priročnik za uporabnike
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Kaj je naprava z verižno reakcijo?
Naprava z verižno reakcijo je posebna naprava, izdelana iz vsakdanjih materialov, pri kateri si v nizu sledijo fizikalne in
kemijske reakcije. Vsaka reakcija sproži naslednjo reakcijo, zaradi česar celotna naprava neprekinjeno deluje.
Na primer kotaleča se kroglica porine vrsto domin, ki prevrne skodelico soli, ta pade v posodo z vodo, in ker voda prevaja energijo,
se LED-lučka prižge itd.
Zgodovina
Zgodovina naprav z verižno reakcijo sega pribl. 100 let nazaj, ko je
ameriški risar stripov in izumitelj Rube Goldberg izdelal prvo napravo, ki
naredi zelo preprosto nalogo na zelo zapleten način in pri tem uporabi
verižno reakcijo. Med njegove najbolj znane takšne ‘izume’
morda sodi samoodpiralni prtiček, s katerim je svet
spoznal te spektakularne naprave.
Vsi imajo radi zabavne naprave
V Združenih državah Amerike še danes potekajo številni
šolski projekti, tekmovanja in prostočasni krožki na to temo
in učenci z veseljem sestavljajo naprave Ruba Goldberga.
Podobna tekmovanja sta organizirala tudi NASA in Google,
obstaja pa tudi nova TV-serija o tovrstnih napravah, ki se je
pravkar začela na Discovery Channel.
Cilj znanstvenega tekmovanja iz verižne reakcije
Poglavitni cilj znanstvenega tekmovanja iz verižne reakcije je pritegniti pozornost in pokazati, kako pomembna je znanost in
da sta fizika in kemija lahko zelo zabavna in zanimiva predmeta, ne le zgolj nekaj formul, ki se jih je treba naučiti.
Fizika in kemija premikata svet okoli nas. Zdaj si na vrsti ti, da ga premakneš!
Fizika in kemija nas nevidno ves čas obdajata. Če se odločiš za sodelovanje na tekmovanju, bo tvoja naloga, da opazuješ, analiziraš
in znanstveno ‘kopiraš’ postopke in reakcije. Kako? Bodi kar se da ustvarjalen! Medtem pa lahko spoznaš, za kaj vse je mogoče
uporabiti prazne plastenke za vodo, pločevinke kokakole in najlonske vrečke oz. katere koli odpadke, ki jih je mogoče reciklirati, pri
tem pa hkrati paziš še na okolje in sonaravnost.
Kdo se lahko udeleži tekmovanja?
Na tekmovanju iz verižne reakcije lahko sodelujejo ekipe srednješolcev (v starosti od 14 do 18 let).
Vsaka ekipa je sestavljena iz največ petih učencev in enega mentorja (profesor kemije). Člane skupine izbere profesor kemije
glede na rezultate učencev v obdobju načrtovanja, in sicer izbere tiste, ki imajo najboljše in najbolj izvirne zamisli, ki jih je mogoče
znanstveno utemeljiti.
Kaj je naloga?
Naloga tekmovanja je načrtovanje in izdelava naprave z verižno reakcijo, ki je sestavljena iz niza kemijskih in fizikalnih reakcij.
Ekipa lahko za izdelavo uporabi različne materiale:
• različna orodja in materiali iz kompleta Magic Box*,
• pripomočke in materiale iz šolskega kemijskega laboratorija,
• katere koli druge predmete, tudi igrače, prinesene od doma
(npr. prazne PET-plastenke, doma izdelane predmete iz
kartona, plastične igrače itd.).
* Magic Box je brezplačen začetniški komplet, ki vsebuje vrsto
pripomočkov in materialov, ki so šolam na voljo v omejeni količini.
Magic Box ni pogoj za sodelovanje na tekmovanju.
3
Priročnik za uporabnike
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Kako izdelati napravo?
Preoblikuj vsakdanje materiale v izredno napravo!
1. Izdelaj načrt!
Razmislite, katere fizikalne in kemijske reakcije bi želeli pripraviti za svojo verižno
reakcijo. Nekaj zamisli lahko poiščete v tem priročniku in na videoposnetkih na
spletni strani CHEMGENERATION.COM, pokažite jih svojem mentorju (profesorju/
profesorici kemije).
2. Preizkusi reakcije!
Najbolj obetavne zamisli,
tako kot tudi fizikalne in
kemijske reakcije, ki naj bi se
uporabile, je treba pred začetkom izdelave naprave preizkusiti v praksi, seveda
le pod nadzorom profesorja za kemijo. Večkrat, ko boš reakcijo preizkusil, bolj
zanesljivo bo delovala v napravi z verižno reakcijo.
Ne preizkušaj kemijskih eksperimentov doma!
Preberi ‘Varnostne napotke’ na strani 6!
3. Izdelaj napravo!
Če imaš resnično dobre zamisli, lahko postaneš eden od petih članov ekipe, ki se
bo udeležila tekmovanja. Tu se pokaže resnično timsko delo: ti in ostali člani
ekipe morate korak za korakom izdelati verižno napravo in pri tem uporabiti vse
svoje zamisli. Za nalogo si vzemite čas: posvetiti se morate napravi, ki jo boste
morali izdelati v šolskih prostorih, med odmori in verjetno kdaj tudi po šoli.
4. Posnemi video
Če je naprava pripravljena, jo moraš predstaviti na videoposnetku, medtem ko
obratuje. To je morda videti kot lahka naloga, a je vendarle zahtevna: kratek
videoposnetek mora biti posnet v enem ‘posnetku’, kar pomeni, da mora kamera
vseskozi snemati dogajanje.
Potem ko eden od članov ekipe po korakih prikaže delujočo napravo, lahko
predstavi še svoje teoretično znanje.
5. Naloži video
Na koncu je treba prek spleta posredovati še prijavnico in videodatoteko, ki jo
je treba naložiti prek spletne strani CHEMGENERATION.COM. Prijavnico mora
posredovati profesor mentor.
6. Povabi svoje prijatelje in znance h glasovanju!
Zdaj lahko veselo pričakuješ rezultate. Medtem ko strokovna žirija ocenjuje
prispele videoposnetke, lahko javnost za posredovane posnetke glasuje
na spletni strani CHEMGENERATION.COM. Pridobi glasove javnosti! Povabi
prijatelje, naj si ogledajo videoposnetek in glasujejo zanj, če jim je všeč.
Rezultate tekmovanja bo najprej dobil tvoj mentor, ki ti bo, upamo, sporočil veselo novico …
Podrobnosti in prijava:
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/
4
Osnovna pravila
Avtomatska naprava
Bistvo naprave z verižno reakcijo je, da po zagonu
sama deluje z uporabo fizikalnih in kemijskih
reakcij brez človeške pomoči.
Najmanj 10 korakov
Naprava mora vsebovati najmanj deset korakov.
Seveda jih je lahko več: daljša in zanimivejša kot je
naprava, boljši rezultat lahko doseže ekipa.
Najmanj 3 koraki na osnovi kemijske reakcije
Naprava mora vsebovati vsaj 3 korake, ki
temeljijo na kemijskih reakcijah (npr. elektroliza,
prostorninsko širjenje snovi, reakcije sol + kislina, topnost
snovi itd.). Podrobno preveri kemijske eksperimente, opisane
v pričujočem priročniku, nato zberite zamisli skupaj s svojim
profesorjem kemije in premislite, katere reakcije bi lahko
vključili v verižno reakcijo!
Ed dotik je dovoljen
Kot je opisano v 1. točki, je cilj naprave z verižno
reakcijo, da po zagonu naprava sama deluje z
uporabo različnih fizikalnih in kemijskih eksperimentov brez
nadaljnje človeške pomoči. Lahko se zgodi, da se kaj pri
napravi zalomi in se zaustavi. V tem primeru je dovoljeno, da
eden od članov ekipe priskoči na pomoč in posreduje enkrat,
ampak res samo enkrat.
En rez je dovoljen
Načeloma mora biti videoposnetek s predstavitvijo
naprave z verižno reakcijo posnet v ‘enem’
posnetku, kar pomeni, da mora kamera vseskozi snemati
dogajanje. Le v primeru kemijske reakcije je dovoljen en rez,
ki ga je mogoče narediti s programom za urejanje
videoposnetkov. Ta rešitev je sprejemljiva le, če ena kemijska
reakcija zahteva veliko časa, da mora kamera čakati nekaj
minut, da se reakcija zaključi.
Vizualni elementi
Vse kemijske reakcije niso primerne za verižno
reakcijo. Zato je dovoljeno kemijske reakcije
uporabiti kot vizualne elemente. V tem primeru reakcija ne
sproži naslednjega gibanja, temveč je v verižnem nizu zgolj
kot vizualni element. Verižno reakcijo lahko nadaljujete tako,
da sprožite dvojno gibanje z enim premikom hkrati: eno
gibanje je kemijska reakcija, ki se zgodi sama, medtem ko
druga reakcija sproži naslednje gibanje naprave.
Sonaravnost
Ker postaja sonaravnost vedno bolj pomembna,
žirija podeljuje dodatne točke za naprave, ki
uporabljajo zeleno energijo (npr. sončno, vetrno ali vodno
energijo itd.), recikliranje (npr. recikliran papir) ali različne
okolju prijazne materiale in visokotehnološke rešitve (npr.
biorazgradljive plastike, svetlobne diode LED itd.).
Pridobite dodatne točke
Pomagate lahko promovirati znanost, tako da
logotip CHEMGENERATION.COM na različne
načine vključite v napravo (npr. na papirnate zastavice, z
nalepkami itd.). Ti vizualni elementi prinašajo dodatne točke
žirije vaši ekipi.
Logotip CHEMGENERATION.COM si je mogoče prenesti v
elektronski obliki z naslednje povezave URL:
http://www.chemgeneration.com/logo.zip
Spravite druge v smeh!
Čeprav sta fizika in kemija poglavitni znanosti,
bomo zelo veseli, če boste ti dve naravoslovni
znanosti v prijavnici predstavili na zabaven in
duhovit način, saj se naš osrednji slogan glasi:
Kemija je kul, znanost je zabavna. Bolj kot bo zabaven tvoj
video, uspešnejši bo, saj bo zanj glasovalo več ljudi.
Pozor! Natančna pravila za znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije lahko najdete v Pravilniku tekmovanja na spletni
strani CHEMGENERATION.COM.
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/pravilnik-tekmovanja/
5
Priročnik za uporabnike
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Naša pomoč
Seveda te ne bomo pustili samega med načrtovanjem in izdelavo naprave. Pomagali ti bomo pri pripravi in praktičnem delu
z naslednjimi materiali:
Uporabniški priročnik za verižno reakcijo
Uporabniški priročnik za verižno reakcijo, ki ga
pravkar prebiraš, je uradni pripomoček znanstvenega
tekmovanja iz verižne reakcije. Vsebuje kratke ilustrirane opise
fizikalnih in kemijskih eksperimentov, ki jih lahko tvoja ekipa
uporabi v napravi z verižno reakcijo. Preberi jih in jih izboljšaj,
načrtuj, kako jih lahko vključiš v svojo napravo, da bodo
povezani med seboj, in poišči še nove reakcije.
Videoposnetki eksperimentov
Videoposnetke
eksperimentov,
opisane
v
priročniku, si je mogoče ogledati na spletni strani
CHEMGENERATION.COM. Fizikalni in kemijski eksperimenti
so jasno predstavljeni korak za korakom v počasnem
posnetku, tako da je mogoče opazovati vsako podrobnost. Z
videoposnetki lahko dobiš tudi zamisli o tem, kako povezati
posamezne eksperimente med seboj.
Pričujoči priročnik za uporabo si lahko preneseš kot elektronski
dokument v obliki PDF za tiskanje z naslednje povezave:
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/prirocnikza-uporabnike/
Educational videos can be watched on the following page:
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/videa/
Nagrade
Prva nagrada
Vsi člani (5 srednješolcev) in tudi mentor, profesor kemije najboljše ekipe, izbrani s strani
žirije, prejmejo bogate nagrade, nagrado pa prejme tudi šola zmagovalne ekipe, in sicer
v obliki izobraževalnega materiala.
Nagrada občinstva
Vsi videoposnetki verižne reakcije bodo naloženi v videogalerijo na spletni strani
CHEMGENERATION.COM, kjer bo javnost lahko zanje glasovala. Video z največ glasovi bo
prejel ‘nagrado občinstva’.
Nagrade in podrobne informacije o razglasitvi rezultatov najdeš
na spletni strani CHEMGENERATION.COM:
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/
Varnostna navodila
Pazljiva uporaba opreme
Vsi fizikalni in kemijski eksperimenti zahtevajo pozornost in natančnost. Vso opremo in orodja je treba uporabljati na pravilen
način. Pripomočkov iz kompleta Magic Box ne dajajte otrokom, uporabljaš jih lahko le ti in člani tvoje ekipe. Delajte vedno pravilno,
natančno in v čistem okolju.
Kemijski eksperimenti: le pod nadzorom profesorja za kemijo
Med izvedbo kemijskih eksperimentov, opisanih v tem priročniku, boš lahko prišel v stik z različnimi kemikalijami, med katerimi so
nekatere škodljive za zdravje in okolje. Zato je treba vse eksperimente izvajati v skladu z zakonodajo o kemijski varnosti. Pomembno
je, da veste, da je eksperimente, v pričujočem priročniku označene z rdečim opozorilom, dovoljeno izvajati le z ustrezno pazljivostjo
in pod strogim nadzorom profesorja. Kemijski eksperimentov ne preizkušajte doma!
6
Priloga
Fizikalni in kemijski eksperimenti
Vzorčni eksperimenti, opisani na naslednjih straneh,
so vam lahko v pomoč pri sestavi naprave z verižno reakcijo.
Poiščite zamisli in jih razvijte naprej!
Pozor!
Fizikalne in kemijske eksperimente si je mogoče ogledati na
videoposnetkih na spletni strani Chemgeneration.com:
http://www.chemgeneration.com/si/chainreaction/videa/
Opozorilo!
Za nekatere kemijske reakcije so potrebne kemikalije, ki so zdravju
oz. okolju nevarne. Priporočamo, da se ti eksperimenti izvajajo
v šolskem kemijskem laboratoriju pod nadzorom profesorja za
kemijo. Ne poskušajte izvajati teh kemijskih eksperimentov doma!
Preberite si ‘Varnostne napotke’ na strani 6!
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Trk
Trk je dinamični dogodek, sestavljen iz blizu ležečih dveh ali več premikajočih se teles, ki trčijo skupaj, kar nenadoma povzroči
spremembo hitrosti (moment, sunek). Ker je pri verižni reakciji predmete treba obdržati v nenehnem gibanju, je nujno treba
uporabiti tudi trke. Obstajajo različne vrste trkov. Ena od njih je popolnoma elastični trk, ki predstavlja srečanje dveh teles,
katerih skupna kinetična energija obeh teles je po srečanju enaka njuni skupni kinetični energiji pred srečanjem.
Poglejmo si nekaj primerov, kako lahko tovrstni trk uporabite v verižni reakciji!
Newtonova zibelka
Izdelajte Newtonovo zibelko, ki uporablja popolnoma elastični trk, pri katerem
zadnja kroglica požene naslednji element verižne reakcije! Kroglice, obešene na
vrvice, postavite tesno skupaj. Ko potisnete eno od zunanjih kroglic, se zgodi
naslednje:
Če trčita dve kroglici z enako težo, se hitrost trčenja izmenja. Če se ena od
kroglic premakne in druga stoji na mestu, potem se premikajoča kroglica ustavi,
mirujoča kroglica pa se prične premikati s hitrostjo predhodne premikajoče se
kroglice. Če so kroglice postavljene v vrsto, sila potuje po vrsti in potisne zadnjo
kroglico navzgor. Zatem se enako zgodi v obratni smeri.
Če se na enem koncu dvigne več kroglic, potem se na drugem koncu niza dvigne enako število kroglic.
Trk na tračnici
Če želite karseda zaustaviti telo ali ga celo povsem zaustaviti s pomočjo trka,
uporabite popolnoma neelastični trk. Dve kotaleči se kroglici z enako težo
postavite nasproti na tračnico in ju z enako silo porinite eno proti drugi. V tem
eksperimentu se gonilni sili dveh teles z različno smerjo izničita, kinetična
energija se porazgubi, zato se obe telesi ustavita.
Nasvet: Da boste natančno vedeli, kaj se zgodi, ko dve telesi trčita,
preverite zakon o ohranitvi energije in zakon o ohranitvi gonilne sile
(sunka).
Konstantno menjavajoče se gibanje: pospeševanje
Pospeševanje je mera, s katero se hitrost telesa spreminja s časom. To je lahko pozitivno ali negativno (zaviranje).
Poglejmo, kako lahko to gibanje uporabite v verižni reakciji!
Nagnjena ploskev
Naredite nagnjeno ploskev, tako da na enem koncu pod leseno polico podstavite
nekaj knjig. Predmet (npr. frnikolo ali jekleno kroglico) spustite z vrha ploskve.
Videli boste, da se bo telo navzdol premikalo s konstantno pospeševalnim
gibanjem.
Pesek na nagnjeni ploskvi
Sedaj na spodnjo stran ploskve položite pesek in po ploskvi zakotalite frnikolo.
Videli boste, da bo telo zaradi kotalnega upora na mestu, kjer je posut pesek,
začelo zavirati (negativno pospeševanje). Če je stopnja trenja dovolj visoka oz. je
poševna ploskev dovolj dolga, se bo kroglica morda celo ustavila.
Nasvet: Preizkusite različne materiale. Zabeležite si, kateri material je
najboljši za doseganje najnižje stopnje trenja in za pospeševanje ali
zaviranje predmetov.
8
Fizika
Prosti pad, gravitacija
Če spustite predmet, da pade v težnostno polje Zemlje, se bo pomaknil proti
središču Zemlje. Prosti pad se zgodi, če se seveda to gibanje ne prepreči.
Zanimivo je tudi, da ima vsak predmet enak gravitacijski pospešek. To
pomeni, da če vržemo dva predmeta enake velikosti, a iz različnih materialov
z iste višine, bosta istočasno pristala na tleh.
Poglejmo si primer!
Pad
Naredite dve pokončni cevki iz plastičnih steklenic, zatem v eno od njiju hkrati
spustite lahko penasto kroglico in v drugo težko jekleno kroglico. Videli boste,
da bosta obe kroglici istočasno padli na tla. Premislite, kako lahko ta pojav
uporabite za svojo verižno reakcijo.
Nasvet: Da boste natančno
razumeli, kaj se dogaja pri
prostem padu, si poglejte zakon
univerzalne gravitacije.
Upor
Upor se nanaša na aerodinamične ali hidrodinamične sile, ki delujejo v obratni smeri gibajočega se trdnega predmeta. Sila
upora je enaka sili trdnega predmeta, ki se premika s stalno hitrostjo. Na primer, upor je odvisen od kakovosti sredstva in tudi
od velikosti, oblike in hitrosti telesa.
Če želite, da se predmet v verižni reakciji premakne počasi, uporabite silo upora. Oglejmo si nekaj primerov.
Hidrodinamični koktajl uporov
V merilnem valju ustvarite plasti tekočih snovi z različno gostoto (npr. užitna
želatina, med, voda, olje itd.) in dajte najgostejšo na dno valja. Eksperiment
bo še toliko bolj spektakularen, če boste za obarvanje različnih plasti uporabili
barvila za hrano. Predmet spustite v valj in videli boste, da se bo predmet skozi
zgornje manj goste plasti premikal hitreje kot skozi gostejše spodnje snovi, kjer
se bo upočasnil in ustavil.
Padalo
Zrak prav tako učinkuje na premikajoče se predmete, zato temu pojavu rečemo
zračni upor. Da bi ga preizkusili, iz vsakdanjih materialov naredite padalo.
Iz plastične vrečke izrežite krog in na konce v nekaj centimetrskih razmakih
namestite vrvice. Nanje privežite obtežbo in padalo je pripravljeno. Testirajte
padala različnih oblik in velikosti, da ugotovite, katero je najbolj učinkovito pri
zaviranju.
Kako bi dosegli, da se padalo spusti le, če ga sproži predhodni element v verižni
reakciji?
9
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Spiralno in krožno gibanje
Krožno gibanje pomeni, da se predmet premika po krožni poti. Krožno in spiralno gibanje je mogoče doseči s centripetalno
silo, na podlagi katere predmet sledi krožni poti. To se lahko zgodi zaradi gravitacije (nebesna telesa), električne privlačnosti,
pritisne sile ali električne sile. Spiralno in krožno gibanje lahko v verižni reakciji naredita velik vtis.
Podajamo nekaj primerov.
Papirnati stožec
Naredite papirnato vrečko v obliki stožca, postavite jo pokonci in vanjo spustite
frnikolo, ki se začne hitro vrteti po krožni poti in že imate spiralno gibanje.
Sile (gravitacija in pritisna sila) silijo frnikolo, da potuje po krožni poti in hkrati
navzdol.
Kako lahko to vključite v verižno reakcijo? Na dnu stožčaste papirnate vrečke
naredite luknjo, tako da lahko kroglica pride ven iz stožca in potisne naslednji
element v verižni reakciji.
Kozarec vrteč se v krogu
Postavite kozarec v obliki stožca ali erlenmajerico na stran in jo zavrtite. Zaradi
oblike se bo premikala po krožni poti.
Spiralni žleb
Naredite spiralno pot iz žic
ali prozorne plastične cevi in
preučujte sile, ki delujejo na
kroglico pri gibanju navzdol.
Glejte, kako se kroglica
premika v zavojih.
Nihalo
Nihalo je teža, obešena na tečaju, tako da lahko prosto niha, če je s strani odmaknjena od svojega nevtralnega ravnotežnega
položaja. Nihalo niha z določeno dobo. Nihajno gibanje je mogoče opazovati v številnih vsakodnevnih napravah, kot je
nihajna ura, gugalnica in keglji.
Nihajno gibanje je mogoče uporabiti tudi v verižni reakciji. Poglejmo, kako lahko to naredite.
Nihajno kladivo
Ročaj kladiva v eni točki pritrdite, glavo kladiva dvignite v zrak in jo fiksirajte. Ko
predhodni element verižne reakcije osvobodi glavo kladiva, ta zaniha in lahko
potisne naslednji predmet.
Namizni keglji
Obtežbo (težko kroglico)
privežite na en konec vrvi,
drugi konec pa pritrdite,
dvignite obtežbo na eno stran in jo fiksirajte. Če sprostite pritrditev, predmet
začne nihati. Če na pot nihajočega predmeta postavite predmet, ga bo nihalo
podrlo in verižna reakcija se bo nadaljevala.
Nasvet: Poglejte si, kako deluje nihajna ura.
10
Fizika
Preprosta naprava: škripec
Preprosta naprava je tista, ki lahko menjava smer in/ali obseg sile. Z drugimi besedami, njena najpomembnejša lastnost je, da
omogoča uporabo bolj ali manj koncentrirane sile za pomikanje predmetov. Seveda poraba energije ostaja enaka.
Pritrjeni škripec, ki ima os nameščeno na podporni element, sodi med takšne
uporabne naprave. Oglejmo si, kako škripec lahko uporabite v verižni reakciji!
Preprosti škripec
Vrv napeljite skozi pritrjeni škripec in na enem koncu nanjo privežite težak
predmet. S škripcem lahko predmet z lahkoto dvignete, če potegnete za drug
konec vrvi.
Nasvet: Ker predmeta v verižni reakciji ne morete premakniti z roko, je odlična
rešitev protiutež, ki jo namestite na drugi konec vrvi in za premikanje predmeta
uporabite gravitacijsko silo.
Arhimedov sistem škripcev
Naredite Arhimedov sistem škripcev, ki je sestavljen iz več škripcev. V tem sklopu
vsak od škripcev prepolovi tovor, tako lahko z lahkoto dvignete tudi zelo težke
predmete. Tako na primer delujejo žerjavi na gradbiščih.
Učinek domin
Padanje domin, postavljenih v vrsto, povzroči udarni val, ki potuje skozi celotni sistem. Hitrost padanja je odvisna od višine
domin, razdalje med njimi in gravitacije. Eksperimenti kažejo, da je padanje domin v vrsti najhitrejše, če razdalja med
dominami znaša dve tretjini njihove velikosti. Padajoča vrsta domin je lahko zelo učinkovita in uspešna v verižni reakciji.
Padajoča vrsta domin
Vzporedno na enako razdaljo postavite stabilne predmete, ki se z lahkoto
prevrnejo (npr. vžigalice). Če potisnete prvi predmet, potuje udarni val skozi
celoten sistem in podre vse vžigalice.
Toda kaj se dogaja? Udarni val vrže predmete iz svojega ravnotežnega položaja
in zaradi gravitacije padejo.
Rastoča vrsta domin
V vrsto postavite vedno večje predmete in pri tem pazite, da lahko predmet
prevrne drugi predmet, ki je enkrat in pol večji od predhodnega. Ta prizor je
lahko zelo izrazit in navdušujoč v verižni reakciji! Sedaj si morate zamisliti le še
naslednji element verižne reakcije, ki ga bo vrsta domin sprožila …
Sprožitev
Če želite predmet vreči visoko v zrak, potrebujete začetno gonilno silo (ali energijo). Velikost te sile mora biti dovolj velika,
da premaga silo gravitacije. Na primer, to silo je mogoče primerjati z vzmetno silo pri raztegnjeni elastiki (glej 10. točko) ali z
reakcijsko silo pri izstrelitvi rakete.
Sprožitev je lahko zanimiv del verižne reakcije. Oglejmo si nekaj primerov.
11
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Katapult
Naredite katapult z uporabo lopatke in elastike. V tem primeru silo, potrebno za
sprožitev katapulta, zagotavlja razteznostna sila elastike.
Nasvet: Sprožite lahko karkoli, ne da bi se pri tem dotaknili naprave, kar je lahko
atraktiven del verižne reakcije: katapult pritrdite z vrvjo in ga sprožite tako, da
vrvico zažgete.
Šumeča raketa
Uporabite nadtlačno silo na kemijski način z uplinjanjem: šumečo tableto vrzite
v steklenico, do polovice napolnjene z vodo, in zaprite zamašek. Prične se
razvijati plin, ki kmalu zamašek potisne visoko navzgor. Takšna eksplozivna
reakcija lahko z lahkoto sproži naslednji element verižne reakcije.
Nasvet: Z uporabo steklenice z dolgim vratom boste lahko nadzirali
čas, tako da šumeča tableta v tekočino pade šele, ko predhodni
element verižne reakcije premakne steklenico.
Vzmetna sila
Za raztezanje ali stiskanje vzmeti je potrebna sila. Ta sila je neposredno sorazmerna z razliko v dolžini, kar pomeni, da bolj ko
vzmet raztegnemo, večja je uporabljena sila. Guma se obnaša enako.
Vzmetna sila je zelo uporabna pri verižni reakciji, če želite, da se predmet zelo hitro premakne. Sledi nekaj primerov.
Raztegovanje vzmeti
Vzmet obesite na kljuko in na njen spodnji konec pritrdite težak predmet, da se
vzmet raztegne. Ko na vzmet obešate vedno težje predmete, se ta vedno bolj
razteguje in lahko opazujete nihanje.
Elastičen motor
Naredite elastičen motor
za vozilo s propelerjem, na
primer za majhen čoln ali
letalo: del elastike pritrdite na
rotacijsko os propelerja vozila s kljukico, drugi konec pa privežite na določeno
točko na koncu vozila. Če zavrtite propeler, se elastika začne navijati in postaja
vedno bolj napeta. Elastika shrani elastično silo, dokler se propeler ne fiksira.
Ko propeler sprožite, se elastika ponovno odvije, propeler se zavrti in vozilo se
začne premikati ...
Avtomobilček igrača s potegom nazaj
V verižni reakciji lahko uporabite avtomobilček igračo ‘s potegom nazaj’! Kako
deluje ta že stoletja dolgo izumljena naprava? S pomikanjem koles nazaj se
spiralna vzmet v avtomobilčku napne. Če avtomobilček spustite, se shranjena
energija nenadoma prenese na kolesa in avtomobilček se začne premikati.
Nasvet: Profesorja kemije vprašajte, katere molekule in sile spajanja so
odgovorne za elastičnost gume.
12
Fizika
Vzgon
Vzgon je sila tekočine ali plina, ki deluje navzgor in nasprotuje teži potopljenega predmeta. Na vsak predmet, potopljen v
tekočino ali plin, deluje sila vzgona, ki je enaka teži tekočine ali plina, ki jo predmet izpodrine. To je Arhimedovo načelo.
Pri verižni reakciji lahko za premikanje predmetov v tekočini uporabite vzgon.
Oglejmo si nekaj primerov.
Potapljajoči se balon
Srednje napihnjen balon pritrdite na dno posode ali akvarija, napolnjenega z
vodo. Če odvežete vrv, vzgon balon potisne na površino. Seveda je na vrv,
pritrjeno na balon, lahko pritrjen manjši predmet, ki nadaljuje verižno reakcijo.
Obtežba iz kocke sladkorja
Vzgon lahko preučujete tudi tako, da uporabite penasto žogico iz polistirena. Ker
ta material vsebuje veliko zraka, bo žogico težko potopiti. Nanjo morate navezati
večjo obtežitev, npr. kocko sladkorja. Pri tem mora biti teža kocke sladkorja večja
od vzgona obeh teles (sladkorja in žogice). Ko se kocka sladkorja v vodi raztopi,
vzgon žogico potisne na površino, kjer lahko trči ob drugi predmet in verižna
reakcija se nadaljuje.
Toplotno raztezanje
Toplotno raztezanje je nagnjenost snovi, da spremeni svojo prostornino zaradi spremembe temperature. Toplotno raztezanje
je mogoče opazovati v vsakdanjem življenju, na primer pri kovinah, po tem principu pa deluje tudi Stirlingov motor, toplotna
naprava, ki jo tudi lahko uporabite v verižni reakciji. Poglejmo, kako.
Stirlingov motor
Stirlingov motor izdelajte iz vsakdanjih predmetov. Naprava
lahko požene rotacijsko os zaradi segretega zraka, kar lahko
sproži novo gibanje v verižni reakciji.
Propeler, ki se vrti na vročino
Gostota zraka se ob segrevanju zmanjša. Žarnica ali čajna
svečka lahko tako segrejeta zrak, da dvigajoči zrak povzroči, da
se manjši mlin na veter zavrti.
Nasvet: Poglej si zakon termodinamike.
13
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Sprememba agregatnega stanja
Snovi imajo različne fizične lastnosti glede na agregatno stanje. Trdne snovi se lahko spremenijo v tekočine s taljenjem;
tekočine je mogoče spremeniti v plin z uplinjanjem.
Spreminjanje agregatnega stanja lahko uporabite tudi pri verižni reakciji. Podajamo nekaj primerov.
Ogenj, led in voda
Nekaj kock ledu položite na kovinski krožnik in ga od spodaj
z nekaj svečkami segrejte. Ko se kocke stopijo, voda odteče s
površine, kapljajoča voda pa lahko sproži naslednje delovanje
verižne reakcije.
Mali parni motor
Naredite parni propeler iz vsakdanjih predmetov! Predrite velik
zamašek iz plute in skozi luknjo vstavite cevko. Zatem odrežite
pokrov pločevinke, jo napolnite z vodo in zamašek trdno
pričvrstite na pločevinko. Če vodo zavrete, gredo lahko hlapi
(para) le skozi majhno cevko, ki premakne celo propeler.
Sprememba teže
Teža telesa je sorazmerna z njegovo maso. Sprememba v teži ima za posledico pogosto spremembo v gibanju, zato jo lahko
zlahka uporabite tudi v verižni reakciji. Oglejmo si nekaj primerov.
Prevesica z gobico
Namestite po eno gobico na vsako stran prevesice in pazite, da sta obe strani
povsem uravnoteženi. Potem na eno gobico nakapajte vodo. Presenečeni boste
nad dejstvom, da tako majhna gobica lahko vpije tako veliko vode. Zanimiv del
eksperimenta pa je, da se prostornina gobice pri tem ne spremeni, medtem ko
se lahko njena teža pomnoži.
Drča s frnikolami
Frnikole položite v prazen
plastični kozarec, ki je z
vrvjo privezan na fiksno pritrjeni škripec. Ko teža kozarca narašča, se sistem
prične premikati: kozarec se pomakne navzdol in sproži naslednji element
verižne reakcije.
Električni tok iz obnovljivih virov energije
Uporabite obnovljivo energijo za proizvodnjo elektrike ali za premikanje predmetov v verižni reakciji. Podajamo nekaj
primerov.
Uporabite obnovljivo energijo za proizvodnjo elektrike ali za premikanje predmetov v verižni reakciji. Podajamo nekaj primerov.
Mini hidroelektrarna
Os vodnega kolesa, narejenega iz vsakdanjih materialov, povežite z enosmernim
mikro motorjem (nizko energetski motor), ki se lahko uporabi tudi kot generator.
Če voda teče na kolo, se kolo prične premikati in prenašati energijo na generator,
ki kinetično energijo spremeni v električno energijo. Ta energija lahko prižge
svetlobno diodo LED.
Enako lahko naredite tudi z vetrno turbino, ki jo poganja ventilator, saj se pri
izrabljanju energije vetra kinetična energija prav tako spremeni v električno
energijo.
14
Fizika
Doma narejena sončna plošča
Sončno celico z žicami priključite na enosmerni mikro motor (nizko energetski
motor). Sončna plošča proizvaja elektriko na kemijski način in motorju zagotavlja
energijo za vrtenje kolesa.
Nasvet: Če za eksperiment ni na voljo dovolj svetlobe, ob okno
postavite ogledalo in svetlobo usmerite na sončno ploščo. Uporabite
lahko tudi luč z močno svetlobo.
Jadrnica
Energija vetra lahko sproži premikanje vozil. Zrak, ki prihaja iz ventilatorja ali
sušilca za lase, energijo prenaša na lahek predmet, na primer na igračko jadrnico,
ki plava na vodi. Sedaj morate le še ugotoviti, kako prižgati ventilator ali sušilec
za lase v verižni reakciji!
Prestava
Prestava je vrteča naprava z zobniki oz. zobci, ki se ujemajo z drugim zobatim delom (na splošno z drugo prestavo) za prenos
navora. Naprave s prestavami lahko spreminjajo hitrost, navor in smer izvora energije.
Na primer, prestave delujejo pri prenosu moči koles in so odgovorne za prenos
med pogonsko gredjo in gnano gredjo. Prestavo je mogoče povsem preprosto
vključiti v verižno reakcijo. Oglejmo si nekaj primerov!
Prestava po principu ‘naredi sam’
Postavite sistem, ki bo vseboval prestave različnih velikosti iz vsakdanjih
materialov. Začetno gibanje dodelite prvi prestavi, ostale prestave se bodo
začele gibati pri različnih hitrostih glede na njihovo velikost. Če na zadnjo
prestavo pritrdite lopatico, lahko ta porine naslednji predmet in verižna reakcija
se nadaljuje.
Magneti
Magnet ima vedno dva pola (severni in južni pol); en sam pol sam po sebi ne obstaja. Nasprotna pola se privlačita, enaka pola
se odbijata drug od drugega. Magneti pa ne učinkujejo le sami nase, temveč tudi na določene kovinske predmete (železo,
železove zlitine): oba pola jih privlačita.
Kovinske predmete je z magneti mogoče povsem preprosto premikati v verižni
reakciji. Podajamo primer.
Magnetna nagnjena ploskev
Premaknite težko jekleno kroglico po nagnjeni ploskvi navzgor z močnim
magnetom, tako da magnet premikate pod ploskvijo. Kroglica bo sledila
premikanju magneta, dokler se bo nahajala v magnetnem polju. Premislite,
kako lahko ta pojav uporabite v svoji verižni reakciji!
Nasvet: Poiščite, kaj pomeni vrtinčni tok in kateri materiali se trenutno
uporabljajo kot najmočnejši magneti.
15
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Vibracija
Vsako nihanje, ki se časovno ponavlja, imenujemo vibracija. Mehanska vibracija je pojav, pri katerem se oscilacija pojavlja
okoli točke ravnotežja.
Vibracija lahko sproži zanimivo in spektakularno gibanje v verižni reakciji.
Poglejmo si primer.
Žolna
Opazujte tradicionalno igračo, imenovano žolna na palici, in poskusite kopirati
opazovani pojav.
Če sprožite majhno ptico, pritrjeno na vrhu vejice, boste videli, da žolna ne pade
z vejice v trenutku, temveč se med vibriranjem postopoma pomika navzdol. Pri
tem kompleksnem gibanju pomembno vlogo igrajo tudi gravitacija, vibriranje in trenje.
Nasvet: Preberite si, kaj pomeni resonanca in kaj se zgodi, če na igrišču
potiskamo osebo na gugalnici, da gre še višje in višje.
Ravnotežje, središče gravitacije
Ravnotežje obstaja, ko so sile, ki delujejo na telo ali sistem, v ravnovesju. Predmeti, ki so izven svojega ravnotežja, lahko v
verižni reakciji sprožijo spektakularne premike. Navajamo nekaj primerov.
Lebdeče vilice
Vilice staknite skupaj pri rogljih in med srednje roglje na vbočeni strani
vilic vstavite vžigalico. Celotno stvar obrnite navzdol in postavite na vrh
vžigalice. Skoraj neverjetno je, da vilice ne padejo in z lahkoto stojijo v
stabilnem položaju. Razlaga tega presenetljivega pojava je, da se središče
ravnotežja tega sistema nahaja neposredno pod oporno točko (rotacijska os).
Uravnavanje vrvohodca
Napnite vrv in nanjo položite premikajoči se predmet (npr. igračko motor).
Na obe strani razporedite uteži tako, da visijo pod ravnjo vrvi. Ker se središče
gravitacije predmeta nahaja pod oporno točko, predmet ostaja v ravnotežju in
se lahko premika po vrvi.
Plovec
Pingpong žogico prerežite na polovico in vanjo namestite obtežbo, recimo
težak vijak. Oba dela žogice zlepite skupaj in na žogico namestite papir ali krpo,
tako da bo lutka dobila lepo obliko. Ker se središče gravitacije lutke vedno nahaja na eni strani, se bo lutka ne glede na to, kako jo
premaknete, vedno vrnila v svoj izhodiščni nevtralni položaj.
16
Fizika
Protiutež
Protiutež je izenačevalna teža, ki uravnoveša ali zmanjšuje učinek tovora. Klasični primer protiutežne naprave je starodavni
tribok, ki so ga uporabljali v srednjeveških bitkah. Ta naprava lahko shrani in sprosti mehansko energijo in deluje z uporabo
gravitacije, zato jo lahko uporabite tudi v vaši verižni reakciji. Poglejmo, kako.
Tribok
Na eno stran prečnika namestite protiutež. Drugo stran prečnika potisnite
navzdol in pritrdite na tla. Ko predhodni element verižne reakcije sprosti
pritrditev, gravitacija protiutež potegne navzdol, drugi konec prečnika se dvigne
navzgor in pri tem vrže izstrelek.
Nasvet: Preberite si, kako delujeta stolpni žerjav in dvigalo.
17
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Topnost
Medsebojno vplivanje in neprestano gibanje raztopljenih snovi in topilnih delcev omogočata raztopitev. Topilne molekule
pridejo v stik z raztopljenimi delci in zaradi medsebojnega vplivanja se prekine kohezivna trdnost in ustvari se molekulski ščit
okoli raztopljenih delcev. Včasih medsebojno kemijsko učinkovanje povzroči topnost raztopljenih snovi v topilu (npr. voda). V
tem primeru se raztopljeni delci v topilu raztopijo zaradi termalnega gibanja in izenačenja koncentracije.
Topnost lahko sproži učinkovite in barvite prizore v verižni reakciji. Podajamo nekaj primerov:
Sadni čaj, ki spreminja barvo
Vrečke sadnega čaja potopite v vročo vodo. Raztapljanje se v tekočini z visoko
temperature nemudoma prične: najprej hitro topni pigmenti vodo obarvajo
modrikasto. Čez nekaj časa tekočina okoli čajnih vrečk prične spreminjati svojo
barvo: pojavi se rdeča barva. Razlaga za to počasno sproščanje se skriva v
prisotnosti organskih kislin, ki protonirajo vodne molekule, tako da pH raztopine
postane kisel. Ta sprememba se pokaže v barvi pigmenta, ki deluje kot indikator.
Raztapljanje netopljivih snovi
Nasičeno alkoholno raztopino žvepla nalijte v čašo polno vode. Nepolarne
molekule žvepla se v vodi ne raztopijo, temveč se raztopijo v alkoholu. Mešanica
dveh topil povzroči zmanjšano topljivost žvepla, zato se tvorijo lepljivi delci:
nastane suspenzija. Če skozi stekleno čašo usmerite laserski žarek, se bo značilna
tekstura suspenzije bolje videla.
Nasvet: Pozanimajte se, kaj so koloidi. Zakaj koloidi razpršijo svetlobo
v nasprotju s pravimi raztopinami? Katere koloide uporabljamo vsak
dan?
Nasičene in supernasičene raztopine
Topnost snovi pomeni, koliko gramov raztopine je lahko vsebovanih v 100 gramih topila pri določeni temperaturi. Raztopina
je nasičena, če topilo pod določenimi pogoji ne more raztopiti več raztopljenih snovi, zato je doseženo ravnovesje topljivosti.
V tem primeru je koncentracija topila konstantna. Če raztopimo manj topila, kot je mogoče, je raztopina nenasičena. Ker je
mogoče na višji temperaturi raztopiti več snovi v trdem stanju, je mogoče ustvariti supernasičeno raztopino, če vročo nasičeno
raztopino previdno ohladite. To ni stabilno stanje, zato se presežek topila v primeru mehanskega stresa hitro obori v obliki
kristalov, recimo če pride do mehanskega tresenja posode z raztopino.
Ta kemijski fenomen je tudi mogoče vključiti v verižno reakcijo. Poglejmo, kako:
Tekoča skulptura
Naredite supernasičeno solno raztopino iz natrijevega acetata in jo zatem počasi
zlijte na mizo ali v porcelanasto posodo. Ko se tekočina dotakne površine, se
nemudoma strdi in oblikuje vedno višji ‘solni stolp’. Iz supernasičene solne
raztopine je mogoče ustvariti celo majhen kip. Druga zanimiva lastnost tega
eksperimenta je, da če začnete segrevati kristaliziran natrijev acetat, se raztopi v
lastno kristalizirano vodo. (In tu ne gre za topljenje!)
Jamski nakit
Zlijte 5 g prozornega natrijevega acetata, CH3COONa x 3H2O, v testno epruveto. Zatem dodajte 3 cm3 destilirane vode. Testno
epruveto segrevajte nad plamenom, tako da se sol raztopi. Epruveto zatem ohladite pod tekočo hladno vodo. Na ta način boste
dobili supernasičeno raztopino natrijevega acetata. Da bi naredili ‘jamski nakit’, morate vsebino testne epruvete hitro zliti na
solne kristale (natrijev acetat), položene na hladno kovinsko ali keramično ploščico. Ko se raztopina dotakne kristala, pride do
kristalizacije. Kristal zraste in naredi obliko, ki je podobna jamskemu nakitu. Na ta način lahko ustvarite skulpture različnih oblik.
Znano je, da supernasičene raztopine niso stabilne in da lahko do kristalizacije pride, če samo potresete testno epruveto.
18
Kemija
Prevodnost soli
Materiali so razdeljeni na prevodnike in izolatorje glede na to, ali prevajajo elektriko. Dobri prevodniki so kovine (npr. cink,
baker) in elektrolitske raztopine, medtem ko je plastika izolator. Elektroliti (npr. soli, alkalije, kisline) niso prevodniki elektrike
v trdnem stanju, temveč to postanejo v vodni raztopini in ko se stopijo. Prevodnost je odvisna od kemične sestave materiala,
če jo spremenite, lahko inducirate prevodnost. Najlažji način je z dodajanjem soli.
Poglejmo si primer:
Slana voda kot prevodnik
Grafitne elektrode položite v čašo, napolnjeno z destilirano vodo, in dodajte vir
nizkonapetostne energije in porabnika, npr. lučko LED. LED trenutno še ne gori,
toda če vodi dodate drobnozrnato sol in če jo, po potrebi, zmešate s tekočino,
zaradi ionske mešanice raztopine voda začne prevajati elektriko in lučka LED
zagori. Ker slana voda deluje kot slanovodno stikalo v tokokrogu, lahko s tem z
lahkoto sprožite naslednji element v verižni reakciji s sklenitvijo tokokroga.
Nasvet: Pozanimajte se, kateri material je najboljši električni
prevodnik!
Elektrokemija
Elektrokemija proučuje kemijske reakcije, ki se razvijejo zaradi električnega toka ter postopkov in pravil pretvarjanja kemijske
energije v električno energijo.
Proizvodnja električnega toka je v verižni reakciji lahko zelo uporabna. Podajamo nekaj primerov:
Sadna celica
Ustvarite galvansko celico iz majhnih koščkov kovine in sadja, v katerih kemijske
reakcije proizvajajo elektriko. Dve različni kovini (npr. baker in cink) položite v
sočne, kisle koščke sadja ali zelenjave in vgrajena lučka LED nemudoma zagori.
Kako je to mogoče? Ker postopek oddajanja in sprejemanja elektronov poteka v
različnih delih, se prenos elektronov zgodi med dvema deloma. Kovine in
obdajajoča raztopina (v tem primeru sadni sok) se obnašajo kot elektrode in
elektrolit, pri čemer se električna potenciala med seboj razlikujeta. Dve elektrodi,
povezani skozi raztopino, tvorita galvansko celico, razlika med potencialoma
obeh elektrod pa imenujemo električna poljska jakost. Konverzija kemične energije v električno energijo je rezultat oksidacijskih in
redukcijskih postopkov, ki potekajo v elektrodah.
Elektroliza namizne soli
Nasičeno raztopino NaCl zlijte v kozarec, ki vsebuje predhodno pripravljeno jajčno
lupino, tako da raztopina v kozarcu pokrije lupine. Zatem priključite električni vir
DC z napetostjo 6V na grafitne elektrode. Katodo potopite v raztopino v kozarcu
in anodo v raztopino znotraj jajčne lupine, dodate nekaj kapljic raztopine fenolftalena (indikator, ki je brezbarven v nevtralnih in
kislih okoljih). Po nekaj minutah se pojavi vijolično obarvanje okoli katode. Razlog za to je, da se v postopku elektrolize hidrogen
loči, zato NaOH, ki se razkroji v ione, ostane na katodi, barva fenolftalina pa je v alkalnem okolju vijolična. Hkrati se elementarni klor
loči od anode, kar se da dokazati z dodatkom nekaj kapljic kalijevega jodida (KI) v območje anode (znotraj jajčne lupine). Klor kot
bolj reaktiven element potegne element jod (I2) iz raztopine KI, zato se okoli anode pojavi rjavo obarvanje. Čez nekaj časa območje
okoli anode in katode, ločeno s polprepustno membrano (jajčna lupina) v kozarcu, postane vidno ločeno z različnimi barvami:
katodna stran z vijolično in anodna z rumenkasto rjavo.
Nasvet: Pozanimajte se, kateri so
osnovni trije elementi (sestavine)
elektrokemijskega sistema!
19
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Reakcije nevtralizacije
Reakcije nevtralizacije so reakcije med kislinami in bazami, produkt katerih sta voda in sol. Reakcije kislina-baza temeljijo na
principu protoniranja baz z deprotoniranjem kislin, to je sposobnost kislin, da ‘donirajo’ hidrogenske ione oz. protone bazam,
ki jih ‘sprejmejo’. Merilo za kislost oz. bazičnost je pH. pH indikator je kemijski detektor protonov v titracijah kislina-baza.
Z uporabo indikatorjev lahko dosežete spektakularne barvne spremembe v verižni reakciji. Poglejmo si nekaj primerov!
Indikator iz rdečega zelja
Zavrite 50 g rdečega zelja v 100 cm3 vode (sok zelja je vijoličen). Naredite
razredčene raztopine solne kisline in natrijevega hidroksida. Sok rdečega zelja
razporedite v šest kozarcev. Dodajte 3-4 kapljice solne kisline v prvi kozarec,
raztopino natrijevega hidroksida v drugi kozarec, raztopino natrijevega
bikarbonata v tretji kozarec, citronsko kislino v čajno žličko v četrti kozarec,
detergent za pomivanje posode v peti kozarec in šesti kozarec pustite za
primerjavo. Opazili boste spremembo v barvi in zaključili, da se lahko sok
rdečega zelja uporablja kot indikator kisline-baze. Videli boste, da se rdeča barva
pojavi v kislini, temno vijolična v šibki bazi in zelena ali rumena barva v visoko bazičnem okolju. V verižni reakciji lahko sok rdečega
zelja zmešate z milnico (milna raztopina) ali kisom.
Nasvet: Ali je voda baza ali kislina? Ali morda oboje? Poučite se o tem,
kaj je amfolit!
Skriti napis
Skriti napis, ki ga je mogoče kemijsko razviti, zahteva reakcijo, pri kateri je končni izdelek barvast, toda vsaj eden od reaktantov
je brezbarven. Najprej pišemo na papir z brezbarvnim reaktantom, zatem sprožimo razvoj barvne reakcije. Reakcija lahko
temelji na kislini-bazi, precipitaciji, oksidaciji-redukciji ali postopku kompleks-redoks.
V verižni reakciji je mogoče predstaviti kemijske formule ali zabavna sporočila z uporabo skrite pisave brez dotika naprave.
Poglejmo, kako!
Skriti napis s kurkumo
Paličico za čiščenje ušes potopite v bazično raztopino, na primer v vodno
raztopino sode bikarbone, in potem s paličico nekaj napišite na filtrirni papir.
Pisava še ni vidna, ker je raztopina sode bikarbone brezbarvna. Če raztopino s
kurkumo zlijemo na papir, bel papir postane rumen, medtem ko bazična
površina napisa postane rjava. Kakšna je razlaga tega fenomena? Pigment,
imenovan kurkumin, postane rjav v bazičnem sredstvu, zato se obnaša kot
indikator. Nasvet: v verižni reakciji je mogoče poln kozarec izvlečka kurkume zliti
na papir s pisavo iz sode bikarbone in vaš skriti napis bo nemudoma postal
viden.
Namig: V verižni reakciji lahko kozarec poln izvlečka kurkume zlijete
na papir s pisavo iz sode bikarbone, zaradi česar bo pisava postala
vidna.
Eksperiment lahko opravite tudi na naslednji način:
• Napis iz sode bikarbone prekrijte z izvlečkom iz rdečega zelja (iz eksperimenta “Sadna celica“)
• Napis iz limoninega soka prekrijte z izvlečkom rdečega zelja (iz eksperimenta “Sadna celica“)
• Napis iz vitamina C prekrijte z izvlečkom rdečega zelja (iz eksperimenta “Sadna celica“)
20
Kemija
Kisline
Kisline so zmesi, ki donirajo protone vodnim molekulam, zato pH vodne raztopine postane kisla, njena pH se zniža. Zmesi z
vrednostjo pH manj kot 7 so kisle. V našem vsakdanjem življenju nas obkrožajo različne kisline, na primer ocetna kislina, ki jo
uporabljamo v kuhinji, klorovodikova kislina, ki jo uporabljamo med čiščenjem, ali vitamin C, ki je dejansko askorbinska
kislina, ki je zelo učinkovita pri varovanju našega zdravja.
Korozivni učinki kislin so lahko zelo učinkoviti elementi verižne reakcije.
Podajamo nekaj primerov.
Perforacija aluminijaste folije
Raztegnite folijo na površino in po kapljicah nanjo nakapajte vsaj 20%
klorovodikove kisline. Aluminij je amfoterična kislina, kar pomeni, da je topna v
kislinah in hkrati v bazah, zato bo kislina slej ko prej naredila luknjico v aluminiju.
Kako ta postopek vključiti v to verižno reakcijo? Na površino aluminijaste folije
položite frnikolo, ki je odporna na kislino, premikati pa se bo v napravi začela
šele po kemijski reakciji, v kateri se bo aluminijasta folija preluknjala.
Savjet: Pozanimajte se, kaj je beljakovinska denaturacija.
Plin in proizvodnja plina
Plin je eno od agregatnih stanj snovi. Plini in tekočine se podobno obnašajo: tečejo in so odporni na deformacije. Plini
napolnijo celotno prostornino posode.
Številne kemijske reakcije vključujejo tvorjenje plina, kar lahko pomaga pri vzdrževanju verižne naprave v nenehnem gibanju.
Poglejmo, kako.
Leteči balon
Dobro znano je, da se srednje napolnjen balon s helijem dvigne sam od sebe, ker ima helij manjšo gostoto od zraka, ki ga obkroža.
Ta postopek je mogoče vključiti tudi v verižno reakcijo, na primer tako, da se na balon namesti obtežba z vrvico, ki se pretrga in
balon, ki se dviguje, lahko zadane ob naslednji predmet.
Mahajoča rokavica
Mešanico sode bikarbone in citronske kisline stresite v gumijasto rokavico, ki je
odporna na kisline, in jo nežno navlecite na ustje steklenice, ki je do polovice
napolnjena z vodo. Za začetek reakcije mešanico iz rokavice zlijte v tekočino.
Trdne snovi, ki se topijo v vodi, reagirajo med seboj, pri tem se razvije ogljikov
dioksid, ki napihne balon, ki lahko potisne naslednji element verižne reakcije.
Nasvet: Svojega profesorja za kemijo vprašajte, kateri žlahtni plini
obstajajo in zakaj se tako imenujejo.
21
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Nastajanje pene
Peno je mogoče v tekočinah ustvariti z nastajanjem plina. Če je nastajanje plinov aktivno, pena nastaja hitro in v velikih
količinah, kar lahko sproži gibanje v verižni reakciji. Poglejmo si, kako.
Peneči vulkan
Bazično sodo bikarbono stresite v kisli kis in dolijte mešanico vode in detergenta.
V reakciji med kislino in bazo se sprošča ogljikov dioksid, ki v kratkem času naredi
tekočino s peno detergenta.
Halogeni
Izraz halogen pomeni tvorjenje soli, saj ti elementi s kovinami tvorijo soli. Ta skupina vključuje fluor (F), klor (Cl), brom (Br) in
jod (I). Halogeni so visoko reaktivni, pri čemer jih je mogoče najti v naravi kot del spojin oz. v ionskih oblikah.
Reakcije halogenov in kovin naredijo velik vtis v verižni reakciji. Poglejmo si na primeru.
Klorirana voda
Pripravite šest testnih epruvet in čep za vsako testno epruveto s stekleno cevko za plin, ki poteka skozi čep. Polno žlico kalijevega
permanganata in manganovega (IV) oksida stresite v eno testno epruveto in hitro dodajte 5 cm3 koncentrirane raztopine
klorovodikove kisline. Klor se bo ločil, zato ga morate dovesti v testno epruveto, do polovice napolnjeno z vodo. Na ta način se
pripravi klorirana voda. Klorirano vodo dodajte naslednjim testnim epruvetam: 1 – mešanica vodne raztopine kalijevega bromida
in n-heksana; 2 – mešanica vodne raztopine kalijevega jodida in n-heksana; 3 – raztopina črnila ali čisto črnilo; 4 – cvetni listi rdečih
vrtnic.
Nasvet: Svojega učitelja za kemijo vprašajte, zakaj se halogeni
uporabljajo v žarnicah.
Plastika
Plastika so umetno sintetizirani oz. spremenjeni organski polimeri z visoko molekulsko maso. Srečamo jih skorajda povsod v
našem vsakdanjem življenju. Super vpojni polimeri, ki lahko vsrkajo veliko količino vode in vodnih raztopin, tvorijo relativno
novo kategorijo plastike. Večinoma so narejeni iz deloma nevtraliziranih, rahlo medmrežno povezanih poliakrilnih kislin.
Superabsorbenti se na primer uporabljajo v pleničkah in higienskih vložkih za vsrkavanje vlage kot tudi v kmetijstvu za
vsrkavanje vlage zemlje.
Plastika in superabsorbent sta lahko posebna dela verižne reakcije. Podajamo nekaj primerov:
22
Kemija
Hitro nabrekli superabsorbent
Kozarec do polovice napolnite s superabsorbentom in nanj zlijte poln kozarec
vode. Ker superabsorbent lahko veže velike količine vode, tekočino zadrži v sebi.
Zaradi sprejema vode se prostornina neverjetno poveča, tako da superabsorbent
postane velikokrat večji, napolni cel kozarec, vendar se ne bo polil, tudi če
kozarec obrnete na glavo.
Nasvet: Ali ste vedeli, da že obstaja okolju prijazna povsem
razgradljiva plastika? Preberite si nekaj informacije o biorazgradljivih
polimerih!
Topljiva plastika
Kos polistirenske pene (recimo nikecell) položite v aceton. Plastika se prične
počasi raztapljati in njena prostornina postopoma zmanjševati. Ta postopek je
mogoče povsem preprosto uporabiti tudi v verižni reakciji, če železno kroglico
položite na vrh plastičnega kosa in se kroglica odkotali, ker se plastika raztopi, s
tem pa se premakne naslednji element v verižni reakciji.
Urne reakcije
Urne reakcije so kemijske reakcije, pri katerih se spremembe zgodijo nenadoma po preteku določenega časa (na katerega je
mogoče vplivati s spreminjanjem pogojev). Kinetika tega postopka je precej zapletena, a pomembno je, da vzporedno poteka
niz reakcij, ki imajo različno hitrost. Pogoje, ki vplivajo na hitrost kemijskih reakcij, je mogoče nastaviti tako, da se predmeti
sprožijo ob različnih časovnih intervalih.
Takšen prizor je lahko zelo navdušujoč v verižni reakciji. Poglejmo si primer.
Jodova ura
Naredite raztopino A, ki vsebuje 2 g kalijevega jodata v 1 dm3 vode, in raztopino
B, pripravljeno z dodatkom 2 g škroba v 50 cm3 vrele vode, ki tvori koloidno
raztopino škroba. Nastala škrobova raztopina se ohladi, razredči z vodo, zmeša z
0,5 g natrijevega sulfita in 3 cm3 žveplene kisline v koncentraciji po 6 mol/dm3,
zatem se razredči z vodo do 1 dm3. Raztopino A in destilirano vodo zlijte v 250
cm3 kozarce skladno z naslednjimi podatki.
Nasvet: Raziščite, kateri dejavniki
vplivajo na hitrost kemijske reakcije
in na kakšen način.
Dodajte 50 cm3 raztopine B v vsak kozarec. Prišlo bo do modrega obarvanja v
kozarcih v različnih časovnih intervalih od prvega do četrtega.
23
Eksperimenti
Znanstveno tekmovanje iz verižne reakcije
Detergenti
Detergenti so površinsko aktivni agenti, ki znižujejo površinsko napetost tekočine, po navadi vode, in pomagajo razpršiti
snovi, ki so v vodi netopne. Imenovani so tudi sulfakanti. Detergenti so sestavljeni iz molekul s polarnimi (hidrofilnim) ‘glavami’
in nepolarnimi (hidrofobnimi) ‘repi, ki pomagajo odstranjevati madeže med pranjem, saj se hidrofobni deli molekul vežejo na
oljne madeže, hidrofilni deli pa na polarno vodo.
Poglejmo si, kako lahko eksperiment z detergenti vključite v verižno reakcijo.
Prah, ki polzi po površini vode
V petrijevko nalijte vodo in nanjo vsujte visoko hidrofobični likopodij*, ki se
enakomerno razporedi po površini vode. Če v sredino petrijevke kanete eno
kapljico detergenta, prah ‘teče’ po površini. Kakšna je razlaga? Na površini
vode molekule detergenta vodi ‘pokažejo’ svojo hidrofilni del, medtem ko
hidrofobični del ‘gleda navzgor’. Delci prahu se lahko pomikajo po površini vode
zaradi formacije te plasti.
* Rumeni prah, sestavljen iz suhih spor rastline kijastega lisičjaka
Barvno mleko
Nasvet: Na podlagi kemijske strukture ugotovite, katere so štiri vrste
Mleko zlijte na krožnik. Zatem uporabite
detergentov.
kapalko in z njo nanesite nekaj kapljic barvila
za živila (rdeče, modro, rumeno, zeleno …)
na štiri strani krožnika, zatem na bombažno
krpo zlijte detergent za pomivanje posode in ga namočite v sredino krožnika z mlekom. Ta postopek ponovite tako, da namesto
alkohola uporabite detergent.
Osmoza
Osmoza je prehajanje molekul topila skozi polprepustno membrano, ki dovoli prehajanje topilnih molekul, a ne raztopljenih
molekul. Do osmoze pride, ko se koncentracija dveh raztopin na dveh straneh polprepustne membrane razlikuje, tako da se
lahko izenači. Topilne molekule se iz okolja z nižjo koncentracijo premaknejo v okolje z višjo koncentracijo raztopine.
Ta zanimivi eksperiment lahko verižno reakcijo naredi bolj barvito. Poglejmo, kako.
Cvetlični vrt kemika
Naredite raztopino vode in natrijevega silikata v razmerju 1:1, potem dodajte
‘cvetlična semena’, tj. različne kovinske soli (kot je železov (III) sulfat, nikljev
klorid, manganov (II) sulfat, kromov (III) klorid, kobaltov klorid, bakrov
sulfat, magnezijev nitrat). Soli se pričnejo raztapljati in kovinski ioni tvorijo
polprepustno membransko oborino z ioni metasilikata. Tlak v membrani zaradi
osmoze naraste in membrana ‘poči’, a zatem zaradi kovinskih ionov na novo
oblikuje ‘izbruh’. Na ta način ‘rastline’ rastejo. Ker ta reakcija poteka zelo počasi, je
bolje ta eksperiment načrtovati na začetku verižne reakcije. Ugotoviti morate le
še, kako kovinske soli dodati v vodo.
Kristali različnih soli prehodnih kovin reagirajo z raztopino natrijevega
silikata tako, da se na površini kristalov ustvari membrana netopnih silikatov.
Koncentracija raztopine znotraj membrane je višja od koncentracije raztopine
natrijevega silikata. Zato se voda skozi silikatno membrano razširi v notranjost.
Membrana se napihne, dokler ne poči, zatem stopljena sol pride v stik z
raztopino natrijevega silikata. Ko membrana poči, nastane nova membrana.
Ta postopek se ponavlja in zrastejo različne barvaste oblike, ki spominjajo na
cvetlični vrt. ‘Rastline’ tako rastejo, dokler je osmotski tlak znotraj membrane
enak osmotskemu tlaku v okolju. Raztopino natrijevega silikata lahko odlijete
in vrt napolnite z destilirano vodo. Hermetično zaprt lahko vrt traja neomejeno
dolgo.
Ker je ta reakcija nekoliko počasnejša kot druge, predlagamo, da jo načrtujete na
začetku verižne reakcije.
24
Zahvala
Radi bi se zahvalili svojim partnerjem in strokovnjakom za vso strokovno podporo pri znanstvenem tekmovanju iz verižne
reakcije:
Matej Mlakar
univ. dipl. ing. kem. ing.
Sestava in izvedba kemijskih eksperimentov:
Strokovni predavatelj:
Dr. Zoltán Murányi
Eszterházy Károly College,
Oddelek za kemijo, profesor in vodja oddelka
Dr. Miklós Riedel
Eötvös Loránd University,
Oddelek za fizikalno kemijo, višji predavatelj
Vince Oldal
Eszterházy Károly College,
Oddelek za kemijo, profesor
Sestava vsebine:
Borbála Szendőfi
glavna urednica spletne strani Chemgeneration.com.
Pravne informacije – Omejevanje odgovornosti
Družba BASF SLOVENIJA d.o.o., Dunajska cesta 111a, 1000 Ljubljana, davčna številka SI 72814454 (v nadaljevanju: »organizator tekmovanja«), želi
vse udeležence in vodje ekip znanstvenega tekmovanja iz VERIŽNE REAKCIJE opozoriti, da se morajo strogo držati vseh varnostnih napotkov in
opozoril, povezanih z izvajanjem eksperimentov v okviru tekmovanja iz VERIŽNE REAKCIJE, ki se nahajajo v tem priročniku. Da bi se preprečilo
poškodovanje premoženja in povzročitev nevarnosti za življenje in zdravje ljudi oz. povzročitev kakršne koli druge možne škodne posledice, se
morajo vsi eksperimenti, izvajati zgolj ob prisotnosti odrasle strokovne osebe (t.j. profesorja/profesorice za kemijo), ki je vodja ekipe, ob uporabi
dovoljenih materialov in snovi, kot jih predpisujejo Pravila in predpisi za znanstveno tekmovanje iz ‘Verižne reakcije’ ter ustrezne opreme in
inštrumentov, oblikovanih v ta namen, tako kot tudi ustrezne zaščitne opreme za vse eksperimente, ki se tudi sicer izvajajo v prostorih sodelujoče
šole.
Organizator tekmovanja poudarja, da sodelovanje vseh udeležencev na znanstvenem tekmovanju, izbor ter izvajanje eksperimentov temelji na
prostovoljni odločitvi udeležencev tekmovanja, ki imajo ob posvetovanju z vodjo ekipe možnost izbrati eksperimente iz priročnika, tako kot
tudi druge eksperimente, ki tu niso navedeni. Mladoletni udeleženci tekmovanja, ki še niso dopolnili petnajst (15) let, lahko sodelujejo le, če
organizatorju tekmovanja ob prijavi na tekmovanje predložijo pisno soglasje njihovega zakonitega zastopnika (staršev oz. skrbnikov).
Organizator tekmovanja ne odgovarja za poškodovanje premoženja in povzročitev nevarnosti za življenje in zdravje ljudi, niti ne odgovarja za škodo,
ki bi nastala udeležencem tekmovanja, drugim učencem, ki pomagajo iz ozadja ali drugim osebam, zaradi ravnanj udeležencev znanstvenega
tekmovanja iz VERIŽNE REAKCIJE, tretje osebe oz. zaradi izvajanja eksperimentov iz tega priročnika.
Izključena je tudi odgovornost organizatorja v primeru nastanka škodljivih posledic zaradi nepravilnih informacij, podanih v prijavi, nepravilnega
ravnanja z uporabljenimi materiali ali snovmi ali neupoštevanja postopkov in varnostnih napotkov ter opozoril iz tega priročnika, Pravil in predpisov
za znanstveno tekmovanje iz VERIŽNE REAKCIJE z vsemi prilogami ali neupoštevanja navodil odrasle strokovne osebe, ki je vodja ekipe.
Vodja ekipe je dolžan izvajati nadzor nad vsemi pripravami, izvedbo eksperimentov, izdelavo naprave z verižno reakcijo ter ravnati v skladu s Pravili
in predpisi za znanstveno tekmovanje iz VERIŽNE REAKCIJE, drugimi varnostnimi napotki in opozorili, ki se nahajajo v tem priročniku ter pravili
stroke. Organizator tekmovanja ne odgovarja za izvedbo nadzora vodje ekipe ter njegovo strokovnost.
V primeru dvoma ali dodatnih informacij v zvezi z metodologijo izvajanja eksperimentov, sestavo ali količinami uporabljenih snovi, se prosimo
obrnite na spodnji naslov:
BASF Slovenija d.o.o., Dunajska cesta 111a, 1000 Ljubljana, ali pišite na e-pošto: [email protected].
Copyright © 2013 Vse pravice pridržane.