Razvoj in optimizacija eksperimenta z/brez uporabe IKT

3. EKSPERIMENTALNI DEL DIPLOMSKE NALOGE

3.2. Eksperiment 2: Katero poleno boš izbral?

3.2.1. Razvoj in optimizacija eksperimenta z/brez uporabe IKT

Pri poskusu sem uporabila kalorimeter, katerega sem izdelala sama. Kalorimeter je naprava za merjenje kalorimetrijskih toplot. Meri sežigno toploto različnih snovi, s pomočjo katere ugotovimo, kakšno energijo v obliki toplote sprošča oziroma odda neka snov v okolico. Toploto označujemo s črko Q in ima enako enoto kot energija - Joule J. Za določanje reakcijskih toplot se danes uporabljajo kalorimetri, v katerih proces poteka pri konstantnem tlaku ali konstantnem volumnu. Pogosto se uporabljajo adiabatni kalorimetri, pri katerih je stena kalorimetra izolirana in preprečuje izgubo toplote v okolico. Ko v kalorimetru izvršimo reakcijo, reakcijska toplota q povzroči spremembo temperature ΔT, ki jo izmerimo: q = C·ΔT. C je toplotna kapaciteta kalorimetra in reakcijske mešanice v njem. Pri tem poskusu sem ugotavljala, katera vrsta lesa sprošča največ energije, ki se kaže v obliki sproščene toplote (Hribar-Lee, 2007, Bešter-Rogač, 2013).

Za vzorec sem izbrala različne vrste lesa. Lesna vlakna so najbolj uporabljena celulozna vlakna, ki se zaradi specifičnih lastnosti uporabljajo v sodobni kompozitni industriji. Les ima fizikalne, mehanske in estetske lastnosti, pri zgradbi pa ločimo kemično celično ter makroskopsko zgradbo. Na kurilno vrednost lesa vpliva vsebnost vode oziroma vlažnost lesa, kemična zgradba, gostota, drevesna vrsta oziroma del drevesa (lesna korenina, deblo, veje) ter zdravstveno stanje lesa. Kemično oziroma elementarno les sestavljajopredvsem ogljik (50%), vodik (6%), kisik (44%). Skupna količina dušika in ostalih elementov, kot so kalij, kalcij, železo pa je manj kot 1%. Les vsebuje veliko različnih spojin: celulozo, polioze, lignin, pektine, tanine, terpenske derivate, kot so eterična olja, smole, alkaloidi, barvila, pepel. Celično les sestavljajo celice lesnih vlaken in trahejnih elementov, poleg pa najdemo še parenhimske celice (Fran, M.

in Dai, D., 2014).

Zgradbo lesa lahko vidimo s prostim očesom.Različne celice ustvarjajo značilno strukturo in videz lesa, ki se razlikujejo glede na smer prereza debla (Eckhar, 2008).

64 Skupni pripomočki in materiali:

 velika konzerva (m=800 g)

 mala konzerva (m=200 g)

 odpirač za konzerve

 kladivo

 žebelj

 kovinska paličica (l=15 cm)

 večja posoda za vodo (V=cca. 5 L)

 trinožno stojalo

 mufa

 prižema

 lesni opilki bukve

 lesni opilki smreke

 lesni opilki javorja

 lesni opilki češnje

 lesni opilki bezga

 etanol

 vžigalnik ali vžigalice

Specifični pripomočki za izvedbo z IKT

 Vernier senzor za merjenje temperature

 računalnik s programom Logger lite Specifični pripomočki za izvedbo brez IKT

 termometer

 štoparica

65 Slika 25: Vzorci različnih vrst lesa

Slika 25 prikazuje različne vzorce lesa, oziroma lesnih opilkov. Vzorce nastrgamo ter zdrobimo v terilnici, da je njihova aktivna površina čim večja. Vse vrste lesa sem pred uporabo sušila in shranjevala pri enakih pogojih.

Varnost:

Pri delu v laboratoriju je potrebno nositi zaščitno obleko ter očala.

Odpad:

Materiali, ki se jih uporablja pri danem eksperimentu, niso škodljivi človekovemu zdravju ali okolju, zato jih po končanem eksperimentiranju lahko odvržemo v koš za organske odpadke oziroma odpadne tekočine zlijemo v odtok.

Postopek z uporabo IKT:

a) Napolnimo veliko posodo z vodo. Posodo z vodo pustimo stati toliko časa, da se voda ustali na sobno temperaturo. Med tem izdelamo svoj kalorimeter.

b) Veliki konzervi z odpiračem odstranimo dno in pokrov. V spodnji del posode napravimo luknje s kladivom in žebljem. (Luknje bodo služile za dovod kisika.) Na spodnjem delu napravimo še odprtino (d=4 cm; v= 3 cm), skozi katero bomo vstavljali podstavek čajne svečke z zmesjo. Pol centimetra pod vrhom velike pločevinke napravimo dve vzporedni luknji, ki bodo služile za vpenjanje male konzerve. Aluminij

je po rezanju lahko zelo oster, zato moramo paziti, da se ne vrežemo ob robove konzerve. Konzervo speremo in posušimo.

c) Mali konzervi z odpiračem odstranimo pokrov. Pri vrhu, pol centimetra pod robom konzerve, naredimo dve vzporedni luknji ter skozi vstavimo kovinsko paličico. Tako bomo lahko na koncu namestil manjšo konzervo z vodo na večjo.

d) Na trinožno stojalo namestimo mufo in prižemo ter vpnemo Vernier senzor za merjenje temperature.

e) Senzor povežemo z računalnikom, na katerem je nameščen program za merjenje količin z uporabo Vernier senzorjev.

f) V manjšo konzervo za vsak poskus nalijemo vedno enako količina vode (Vvode=1dl), ter jo z železno paličico vpnemo v večjo konzervo.

g) Vernier senzor za merjenje temperature vstavimo v manjšo konzervo z vodo.

h) Zatehtamo izbrani vzorec (mLesenih opilkov=0.05 g). Za vsak poskus zatehtamo vedno enako maso želene testne snovi.

i) Izbran vzorec snovi stresemo v podstavek čajne svečke. Dolijemo odmerjen volumen etanola (Vetanola=2mL).

j) Podstavek z zmesjo postavimo v veliko konzervo tako, da je podstavek čajne svečke na sredini te pločevinke ter pod sredino male konzerve, ki je napolnjena z vodo.

k) Snov prižgemo z gorečo trsko ali z vžigalico. Pri tem pazimo, da se ne opečemo.

l) Istočasno pričnemo z meritvami in na računalniku pritisnemo start. Zabeležimo Tzačetno

in čas ter merimo dalje. Temperatura vode se segreje do Tmax.

m) Zabeležimo Tmax in čas ter merimo dalje do preteka tristo sekund oziroma pet minut in zabeležimo Tkončno. in čas.

n) Na računalniku pritisnemo stop, končamo z merjenjem, zabeležimo meritve.

o) Ta postopek ponovimo za vsak izbran vzorec snovi.

Postopek brez uporabe IKT:

a) Napolnimo veliko posodo z vodo. Posodo z vodo pustimo stati toliko časa, da se voda ustali na sobno temperaturo. Med tem izdelamo svoj kalorimeter.

napravimo dve vzporedni luknji, ki bodo služile za vpenjanje male konzerve. Aluminij je po rezanju lahko zelo oster, zato moramo paziti, da se ne vrežemo ob robove konzerve. Konzervo speremo in posušimo.

d) Na trinožno stojalo namestimo mufo in prižemo ter vpnemo termometer za merjenje temperature.

e) V manjšo konzervo za vsak poskus nalijemo vedno enako količino vode (Vvode=1 dl), ter jo z železno paličico vpnemo v večjo konzervo.

f) Termometer za merjenje temperature vstavimo v manjšo konzervo z vodo.

g) Zatehtamo izbrani vzorec (mLesenih opilkov=0.05 g). Za vsak poskus zatehtamo vedno enako maso želene testne snovi.

h) Izbran vzorec snovi stresemo v podstavek čajne svečke. Dolijemo odmerjen volumen etanola (Vetanola=2 mL).

i) Podstavek z zmesjo postavimo v veliko konzervo tako, da je podstavek čajne svečke na sredini te pločevinke ter pod sredino male konzerve, ki je napolnjena z vodo.

j) Pripravimo si štoparico, kajti v naslednjem koraku bomo pričeli z meritvami.

k) Snov prižgemo z gorečo trsko ali z vžigalico. Pri tem pazimo, da se ne opečemo.

l) Istočasno pričnemo z meritvami in zabeležimo Tzačetno in čas. S termometrom in s štoparico merimo čas, ki je potreben, da se temperatura vode segreje do Tmax.

m) Zabeležimo Tmax in čas ter merimo dalje do preteka tristo sekund oziroma pet minut in zabeležimo Tkončno in čas.

n) Končamo z merjenjem s štoparico ter zabeležimo meritve.

o) Ta postopek ponovimo za vsak izbran vzorec snovi.

Zbiranje podatkov:

Konstante:

V(vode) =1 dl = 100 mL m(lesnih opilkov) = 0.05 g V(etanola) = 2 mL

Tabela vseh meritev temperature (z Vernier senzorjem za merjenje temperature) pri gorenju različnih vrst lesa je v prilogi 3.

Rezultati:

Slika 26: Sprememba temperature v odvisnosti od časa pri gorenju lesa bezga

Slika 26 prikazuje spremembo temperature v odvisnosti od časa pri gorenju lesa bezga.

Temperatura vode v lončke pri gorenju katerekoli vrste lesa narašča, ko lesni opilki pogorijo, pa se prične ohlajati zaradi hladnejše okolice.

0 10 20 30 40 50 60

T[⁰C]

t[s] T[⁰C]

Slika 27: Sprememba temperature v odvisnosti od časa pri gorenju različnih vrst lesa

Slika 27 prikazuje spremembo temperature v odvisnosti od časa pri gorenju lesa bezga, bukve, češnje, javorja in smreke. Iz grafa je razvidno, da se največ energije v obliki toplote sprosti ob gorenju lesa češnje, ostale vrste lesa ji sledijo v zaporedju smreka, javor, bukev in bezeg pa se skoraj pokrivata oziroma se pri gorenju teh dveh vrst sprosti približno enaka količina energije v obliki toplote.

0 10 20 30 40 50 60 70

T[⁰C]

t[s]

T[⁰C]

bukev T[⁰C]

češnja T[⁰C]

javor T[⁰C]

smreka T[⁰C]

Slika 28: Vzorci različnih vrst lesa in ostanek (ogorki in pepel).

Slika 28 ponazarja vzorce različnih vrst lesa, prikazuje pa tudi ostanek pri gorenju, ogorki in pepel. Različne vrste lesa po gorenju pridelajo tudi različen ostanek pepela.

3.2.2. Izdelava učiteljevih in učenčevih navodil za eksperimentalno delo z oziroma brez uporabe IKT

UČITELJEVA PRIPRAVA Katero poleno boš izbral?

KEMIJSKA REAKCIJA IN ENERGIJA

Priimek in ime učitelja/kandidata: / Šola: /

Učna enota: Kemijska reakcija in ener

Operativni učni cilji:

 učenci prepoznajo kemijsko spremembo, snovno in energijsko spremembo pri reakciji

 učenci prepoznajo kemijsko reakcijo, pri kateri se energija sprošča ali veže oziroma porablja

 učenci na konkretnem primeru vidijo, da pri kemijski reakciji velja zakon o ohranitvi mase

 učenci uporabljajo eksperimentalno-raziskovalni pristop in poglabljajo znanja iz varnega dela v laboratoriju

 PowerPoint predstavitev,

 delovni listi.

b) Učni pripomočki:

 računalnik, Vernier senzor za merjenje temperature.

72 IZVEDBENI NAČRT

V tabeli so predstavljene posamezne faze izvedbe učne ure (uvajanje/pripravljanje, novo znanje/obravnava nove snovi, urjenje/vadenje, ponavljanje ter zaključek). Opis izvedbe, oziroma posebnosti pri posamezni izvedbi, so označene ob posameznih fazah.

Tabela 13: Tabela faz učne ure Katero poleno boš izbral?

Faze Učna strategija Metode/obl

ike dela Čas Učila in učni

76 KRATKA VSEBINSKA PRIPRAVA

Kemijska reakcija: pri kemijski reakciji nastane nova snov, pri tem se sprošča ali porablja energija. Energija se sprošča ali porablja v obliki:

 toplote,

 svetlobe,

 zvoka,

 ali elektrike.

Energija nastopa v različnih oblikah, večji del le-te pa potrebujemo za ogrevanje, kuhanje, prevoz in v industriji ter proizvodnji. Energijo za vse te dejavnosti dobimo iz lesa, premoga nafte, zemeljskega plina in goriv. Pri večini kemijskih reakcij se energija sprošča, glede na to, ali se sprošča ali porablja pa ločimo:

Eksotermne reakcije: toplota se sprošča, pri tem pa se okolica segreva.

Endotermne reakcije: toplota se porablja, pri tem pa se okolica ohlaja.

Energija pri kemijski reakciji niti ne nastane niti ne izgine, vendar se spreminja iz ene oblike v drugo. Vsaka reakcija pa potrebuje za začetek energijo. Večino energije pa dobimo iz goriv.

Energijski diagram: je grafični prikaz energijske spremembe pri kemijski reakciji.

Popolno gorenje: gorivo reagira s kisikom in nastane ogljikov dioksid in vodni hlapi.

Nepopolno gorenje: gorivo reagira s kisikom pri tem pa nastane ogljikov dioksid, vodni hlapi, ogljikov oksid in saje (Devetak, 2010; Glažar, 2005; Smrdu, 2012).

Kalorimetrija: (latinsko calor = toplota) je tehnika, s katero merimo sproščeno toploto pri kemijski reakciji.

Kalorimeter: je naprava za merjenje kalorimetrijskih toplot. Meri sežigno toploto različnih snovi, s pomočjo katereugotovimo, kakšno energijo v obliki toplote sprošča oziroma odda neka snov v okolico.

Toplota: označujemo jo s črko Q in ima enako enoto kot energija - Joule J. Za določanje reakcijskih toplot se danes uporabljajo kalorimetri, v katerih proces poteka pri konstantnem tlaku ali konstantnem volumnu.

Pogosto se uporabljajo adiabatni kalorimetri, pri katerih je stena kalorimetra izolirana in preprečuje izgubo toplote v okolico. Ko v kalorimetru izvršimo reakcijo, reakcijska toplota q povzroči spremembo temperature ΔT, ki jo izmerimo: q = C·ΔT. C je toplotna kapaciteta kalorimetra in reakcijske mešanice v njem (Hribar-Lee, 2007, Bešter-Rogač, 2013).

Les: oziroma lesna vlakna, so najbolj uporabljena celulozna vlakna, ki se zaradi specifičnih lastnosti uporabljajo v sodobni kompozitni industriji. Les ima

 fizikalne,

 mehanske

 in estetske lastnosti, pri zgradbi pa ločimo:

 kemično,

 celično

 ter makroskopsko zgradbo.

Na kurilno vrednost lesa vpliva vsebnost vode oziroma vlažnost lesa, kemična zgradba, gostota, drevesna vrsta oziroma del drevesa (lesna korenina, deblo, veje) ter zdravstveno stanje lesa.

Kemično oziroma elementarno les sestavljajopredvsem ogljik (50 %), vodik (6 %), kisik (44

%). Skupna količina dušika in ostalih elementov, kot so kalij, kalcij, železo pa je manj kot 1 %.

Les vsebuje veliko različnih spojin: celulozo, polioze, lignin, pektine, tanine, terpenske derivate, kot so eterična olja, smole, alkaloidi, barvila, pepel. Celično les sestavljajo celice lesnih vlaken in trahejnih elementov, poleg pa najdemo še parenhimske celice (Fran, M. In Dai, D., 2014).

Zgradbo lesa lahko vidimo s prostim očesom.Različne celice ustvarjajo značilno strukturo in videz lesa, ki se razlikujejo glede na smer prereza debla (Eckhar, 2008).

Etanol: oziroma etilni alkohol, se uporablja kot gorivo, razkužilo ali topilo. Je brezbarvna kapljevina, vsebujejo ga alkoholne pijače. Pridobiva se z destilacijo, v naravi pa ga glive kvasovke pridobivaju iz sladkorja z alkoholnim vrenjem.

PREDLOGA UČNEGA LISTA ZA UČENCE (Z UPORABO IKT)

DELOVNI LIST: Katero poleno boš izbral?

KEMIJSKA REAKCIJA IN ENERGIJA

I. Teoretične osnove: Razložite spodaj zapisane pojme.

Kemijska reakcija: eksperimenta ter sledite navodilom zapisanim pod točko 4 (postopek).

1. Pripomočki in materiali:

 velika konzerva (m=800 g)

 Vernier senzor za merjenje temperature

 računalnik s programom Logger lite

 lesni opilki bukve

 lesni opilki smreke

 lesni opilki javorja

 lesni opilki češnje

 lesni opilki bezga

 etanol

 vžigalnik ali vžigalice

 štoparica

2. Varnost:

Pri delu v laboratoriju nosite zaščitno obleko ter očala. V kolikor uporabljate zaščitne rokavice, jih pred uporabo ognja (natančneje preden s trsko zanetite vzorec) snemite.

3. Odpad:

Materiali, ki se jih boste uporabili pri danem eksperimentu niso škodljivi človekovemu zdravju ali okolju, zato jih po končanem eksperimentiranju lahko odvržete v koš za organske odpadke oziroma odpadne tekočine zlijete v odtok.

4. Postopek:

a) Napolnite veliko posodo z vodo. Posodo z vodo pustite stati toliko časa, da se voda ustali na sobno temperaturo. Med tem izdelajte svoj kalorimeter.

b) Veliki konzervi z odpiračem odstranite dno in pokrov. V spodnji del posode napravite luknje s kladivom in žebljem. (Luknje bodo služile za dovod kisika.) Na spodnjem delu napravite še odprtino (d=4 cm; v= 3 cm), skozi katero boste vstavljali podstavek čajne svečke z zmesjo. Pol centimetra pod vrhom velike pločevinke napravite dve vzporedni luknji, ki bodo služile za vpenjanje male konzerve.

Aluminij je po rezanju lahko zelo oster, zato pazite, da se ne vrežete ob robove konzerve. Konzervo sperite in posušite.

c) Mali konzervi z odpiračem odstranite pokrov. Pri vrhu, pol centimetra pod robom konzerve, naredite dve vzporedni luknji ter skozi vstavite kovinsko paličico. Tako boste lahko na koncu namestili manjšo konzervo z vodo na večjo.

d) Na trinožno stojalo namestite mufo in prižemo ter vpnite Vernier senzor za merjenje temperature.

e) Senzor povežite z računalnikom, na katerem je nameščen program za merjenje količin z uporabo Vernier senzorjev.

f) V manjšo konzervo za vsak poskus nalijete vedno enako količino vode (Vvode=1 dL), ter jo z železno paličico vpnete v večjo konzervo.

g) Vernier senzor za merjenje temperature vstavite v manjšo konzervo z vodo.

h) Zatehtajte izbrani vzorec (mLesenih opilkov=0.05 g). Za vsak poskus zatehtajte vedno enako maso želene testne snovi.

i) Izbran vzorec snovi stresite v podstavek čajne svečke. Dolijte odmerjen volumen etanola (Vetanola=2 mL).

j) Podstavek z zmesjo postavite v veliko konzervo tako, da je podstavek čajne svečke na sredini te pločevinke ter pod sredino male konzerve, ki je napolnjena z vodo.

k) Snov prižgite z gorečo trsko ali z vžigalico. Pri tem pazite, da se ne opečete.

l) Istočasno pričnete z meritvami in na računalniku pritisnete start. Zabeležite Tzačetno

in čas ter merite dalje. Temperatura vode se segreje do Tmax.

m) Zabeležite Tmax in čas ter merite dalje do preteka tristo sekund oziroma pet minut in zabeležite Tkončno. in čas.

n) Na računalniku pritisnete stop, končate z meritvami, zabeležite meritve.

o) Ta postopek ponovite za vsak izbran vzorec snovi.

III. Rezultati: meritve

Tabela 14:Tabela meritev temperature in časa

Vzorec

81 IV. Razlaga eksperimentalnih opažanj in sklepi:

_____________________________________________________________________

V. Vprašanja in naloge:

1. Poiščite ustrezno vprašanje v prvem stolpcu za odgovor v drugem stolpcu, ter poleg zapišite ustrezno črko.

A) Kako se imenuje tehnika, s katero ste opravljali eksperiment?

B) S katerim doma narejenim pripomočkom ste izvajali postopek?

C) Kaj se zgodi, ko vzorec lesa z etanolom prižgemo?

D) Kakšne vrste reakcija poteče?

 Kalorimetrija.____ vzorca lesa. Graf tudi ustrezno podnaslovi.

Graf:____________________________________________________________________

3. Kaj ponazarja energijski diagram, ki ste ga pravkar skicirali?

_____________________________________________________________________

4. Razložite, kaj nastane pri reakciji goriva s kisikom pri popolnem gorenju in kaj pri reakciji kisika z gorivom pri nepopolnem gorenju.

Popolno gorenje:

_____________________________________________________________________

Nepopolno gorenje:

_____________________________________________________________________

5. Dopolnite spodnje besedilo z ustreznimi pojmi:

_____________________ __ je naprava za merjenje kalorimetrijskih toplot. Meri ___________________ toploto različnih snovi, s pomočjo katereugotovimo, kakšno _____________________ v obliki toplote sprošča oziroma odda neka snov v ___________________.

PREDLOGA REŠENEGA UČNEGA LISTA ZA UČITELJE (Z UPORABO IKT)

DELOVNI LIST: Katero poleno boš izbral?

KEMIJSKA REAKCIJA IN ENERGIJA

I. Teoretične osnove: Razložite spodaj zapisane pojme.

Kemijska reakcija: je snovna in energijska sprememba. Pri kemijski reakciji nastane nova snov, pri tem se sprošča ali porablja energija. Energija se sprošča ali porablja v obliki toplote, svetlobe, zvoka ali elektrike.

Eksotermne reakcije: toplota se sprošča, pri tem pa se okolica segreva.

Endotermne reakcije: toplota se porablja, pri tem pa se okolica ohlaja.

Energijski diagram: je grafični prikaz energijske spremembe pri kemijski reakciji.

Kalorimetrija: (latinsko calor = toplota) je tehnika, s katero merimo sproščeno toploto pri kemijski reakciji.

II. Navodila za delo: Na delovni pult si pripravite pripomočke in materiale za izvedbo eksperimenta ter sledite navodilom zapisanim pod točko 4 (postopek).

1. Pripomočki in materiali

 velika konzerva (m=800 g)

 lesni opilki javorja

 lesni opilki češnje

 lesni opilki bezga

 etanol

 vžigalnik ali vžigalice

84 2. Varnost:

Pri delu v laboratoriju nosite zaščitno obleko ter očala. V kolikor uporabljate zaščitne rokavice, jih pred uporabo ognja (natančneje preden s trsko zanetite vzorec) snamete.

3. Odpad:

Materiali ki se jih boste uporabljali pri danem eksperimentu niso škodljivi človekovemu zdravju ali okolju, zato jih po končanem eksperimentiranju lahko odvržete v koš za organske odpadke oziroma odpadne tekočine zlijete v odtok.

4. Postopek:

a) Napolnite veliko posodo z vodo. Posodo z vodo pustite stati toliko časa, da se voda ustali na sobno temperaturo. Med tem izdelajte svoj kalorimeter.

Aluminij je po rezanju lahko zelo oster, zato pazite, da se ne vrežete ob robove konzerve. Konzervo sperite in posušite.

c) Mali konzervi z odpiračem odstranite pokrov. Pri vrhu, pol centimetra pod robom konzerve naredite dve vzporedni luknji ter skozi vstavite kovinsko paličico. Tako boste lahko na koncu namestili manjšo konzervo z vodo na večjo.