Název: Nenewtonovská kapalina Autor: Mgr. Jiří Vozka, Ph.D. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, biologie, fyzika Ročník: 5. Tématický celek: Polysacharidy, popř. fyzikálně-chemické vlastnosti látek Stručná anotace: Pracovní list je sestaven tak, aby mohl být použit i ve škole, která nemá potřebné vybavení. Veškeré experimenty jsou zdokumentovány a mohou být žákům promítnuty, nebo je žáci mohou provést sami ve školní laboratoři. Žáci pracující ve skupinách po 3 až 4 na základě experimentů navrhnou teoretické vysvětlení pro chování nenewtonovské kapaliny, které budou následně obhajovat v řízené diskusi. Časová dotace: 1 vyučovací hodina v laboratoři, možné využití při běžné vyučovací hodině za pomoci poskytnuté video dokumentace.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Pomůcky (seznam potřebného materiálu) Viz pracovní list Teorie Viz pracovní list Postup práce U postupu práce je důležité, aby učitel průběžně kontroloval vzniklé nenewtonovské kapaliny jednotlivých skupin. Bramborový škrob od jednotlivých výrobců se může lišit, a proto je možná částečná úprava návodu. Výsledná nenewtonovská kapalina by měla mít konzistenci tekuté pasty (viz video dokumentace). Výsledky Úkol č. 1) Při pomalém pohybu prstu v kapalině kapalina obtéká prst stejně jako newtonovské kapaliny. (viz Video 1) Úkol č. 2) Při trhaném pohybu prstu v kapalině dojde k zadržení prstu v kapalině. Může se stát, že se v kapalině objeví trhliny. (viz Video 1) Úkol č. 3) Vytvořená kulička se jeví pevná, ale na rovné dlani se opět rozteče. (Viz Video 2) Úkol č. 4) Po vymačkání vody ztrácí materiál své vlastnosti. Může dojít k roztečení kuličky jako v úkolu 3), ale bude pomalejší a zůstanou pevné kousky škrobu. (viz Video 2) Vysvětlení experimentů je několik. Zde uvedené patří mezi nejsrozumitelnější a také nejčastější. Škrob se skládá ze dvou polysacharidů, amylosy a amylopektinu. Amylosa polyglukan tvořící dlouhé nerozvětvené řetězce uspořádané do šroubovice a je rozpustná v horké vodě, zatímco amylopektin je polyglukan, který je větvený a svou strukturou je podobný zásobnímu polysacharidu živočichů glykogenu. Amylopektin je málo rozpustný i v horké vodě. Struktury obou polysacharidů jsou uvedeny na Obrázku 1.
H
OH
R 1O HO
H
H H
R1 O HO
H H
H
H
HO
OH
H
H
O
O
H
O H
H
O
H
OH
H
OH
H
HO
H
H
O
H
O
H OH OR 2
Amylopektin
H O
H
HO
O
Amylosa
OH
H
OH
H
OH
H
OH
OH
H R3 O
O
H
HO H
H
O H
OH
H
OH O
H
HO H
H
O
H OH OR 2
Obrázek 1: Chemické struktury amylosy a amylopektinu. Pokud budeme prstem pohybovat rovnoměrně a pomalu, dlouhé řetězce polysacharidů budou mít dostatek času na přeuspořádání a kapalina se bude chovat jako běžná newtonovská kapalina. Při rychlém, trhaném pohybu dojde k částečnému vytlačení vody z kapaliny v místě pohybu. Polysacharidové řetězce se dostanou do blízkého kontaktu, důsledkem čehož kapalina v místě prudkého pohybu prudce zvýší svoji viskozitu a v krajním případě může dojít i k „prasknutí“ kapaliny, které je typické pro pevné látky. Ostatní vysvětlení pozorovaných jevů jsou popsána v citované literatuře. Diskuze Cílem diskuze je naučit žáky argumentovat a obhájit si svůj návrh teoretického vysvětlení experimentu nebo vyvrátit návrh jiné skupiny. Učitel funguje jako moderátor a udržuje diskuzi v rozumných mezích, vysvětluje chyby diskutujících a pomáhá při tvorbě argumentů. Diskuze může probíhat rovnou během laboratorních prací, nebo až po domácí přípravě. Při druhé možnosti je ale pravděpodobné, že si studenti najdou odborné vysvětlení na internetu a diskuze ztratí na významu. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, … Laboratorní práci je možné rozšířit o důkaz škrobu. Roztok škrobu je možné mít připravený dopředu, nebo jej připravit přímo před studenty během jejich experimentální práce. Důkazem škrobu je modré zabarvení, které vznikne po přidání Lugolova roztoku (hnědý). Toto zbarvení vzniká inkluzí trijodidového anionu I3- do šroubovice amylosy. Chemikálie: 0,2% roztok škrobu, Lugolův roztok (0,5g I2 s 1,5g KI v 100 mL vody) Postup: Do zkumavky vlijte 2 ml 0,2 % roztoku škrobu a přidejte kapku Lugolova roztoku.
Video dokumentace Video 1: Odlišné chování nenewtonovské kapaliny vlivem rychlosti pohybu Video 2: Kulička připravená z nenewtonovské kapaliny. Zdroje VODRÁŽKA, Z.: Biochemie. 2. vydání, Praha: Academia, 2007. http://fyzsem.fjfi.cvut.cz/2011-2012/Zima11/proc/newtkap.pdf , [cit. 2014-01-25]
Pracovní list pro žáka
Nenewtonovské kapaliny Laboratorní práce číslo:……….
Jméno…………………………… Třída……… Datum………
Teorie Pojmem nenewtonovské kapaliny se označují kapaliny, které se vymykají Newtonovým zákonům. Do této skupiny patří celá řada běžně používaných látek, jako jsou tekutá mýdla, zubní pasta, ropa, sklo nebo třeba kečup. U newtonovských kapalin je rychlost jejich deformace přímo úměrná napětí (resp. tlaku), zatímco u nenewtonovských kapalin tomu tak není. Tyto odlišnosti jsou zapříčiněny molekulami nenewtonovských kapalin, které na sebe působí odlišnými silami než částice kapaliny newtonovské. Během laboratorní práce budeme zkoumat vlastnosti roztoku bramborového škrobu ve vodě, který je příkladem nenewtonovské kapaliny. Chemikálie Bramborový škrob, voda, popř. potravinářské barvivo Pomůcky Kádinky, plastová mísa
Postup práce Do mísy nasypte bramborový škrob a přilijte mL vody (popř. lžičku potravinářského barviva). Objemové množství škrobu a vody by mělo být přibližně 1:2. Směs dobře rozmíchejte, popř. přidejte některou ze složek. Výsledná směs by měla mít podobu tekuté pasty. Poté, co bude směs připravena, proveďte následující úkoly: 1) Ponořte do směsi prst a POMALU jím ve směsi pohybujte. Pozorování:
2) Ponořte do směsi prst a TRHANĚ jím ve směsi pohybujte. Pozorování:
3) Odeberte část směsi a vytvořte z ní v ruce kuličku, poté ji nechte v rozevřené dlani. Pozor, nevymačkejte ze směsi všechnu vodu. Pozorování:
4) Pokus s kuličkou opakujte, ale tentokrát vymačkejte z kuličky všechnu vodu. Pozorování:
Navržené teoretické vysvětlení experimentů: Na základě pozorování z úkolů 1- 4 se pokuste navrhnout teoretické vysvětlení pro průběh experimentů. Vycházejte přitom z chemického charakteru škrobu.
Diskuze Diskutujte svoje teoretické vysvětlení s ostatními skupinami a učitelem.
