PÁLYÁZATI LAP a „Színpadon a Természettudomány 2014” rendezvényre Köszönjük az érdeklődését, hogy jelentkezni kíván a „Színpadon a Természettudomány 2014” rendezvényre, amelyet 2014. okt. 11‐én, szombaton tartunk Debrecenben, a Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézetének (Atomki) területén. Kérjük, hogy ezt a jelentkezési lapot minél előbb, de legkésőbb 2014. szeptember 1‐ig postázza a következő e‐mail címre:
[email protected] A jelentkezés elfogadásáról 2014. szeptember 15‐ig értesítjük. A *‐al megjelölteket ki kell tölteni nemleges válasz esetén is! Csak a sárgával jelölt mezőkbe írjon! Oda viszont tetszőlegesen hosszú szövegeket írhat (hacsak nem jelezzük ezt másképpen). Főbb azonosító adatok Név * Szórád Endre Iskola/Szervezet neve* (ha nyugdíjas, akkor legutóbbi munkahelyét írja be. Az iskola címét később kérjük) Bolyai Tehetséggondozó Gimnázium és Kollégium Ha valaki mással együtt szeretne előadni, kérjük, nevezze meg: Közös prezentációhoz a Science on Stage Magyarország szervezőbizottságának a hozzájárulása szükséges A projekt adatai A projekt címe (legfeljebb 15 szó) * A kémia szépségei ‐ oszcilláló reakciók A projekt tartalma (legfeljebb 100 szó). Ezt tesszük fel a weblapra * Mit állított össze a projekt keretében, és ez miért különleges.
A természettudományokban rengeteg helyen találkozhatunk oszcillációval. Ha kinyújtunk egy rugót, majd hirtelen elengedjük, periodikus rezgőmozgást fog végezni. Az inga mozgása is periodikus. Nem csak a fizikában jelentősek ezek a folyamatok. A kémiában is nagy szerepük van. Ezeknek a kémiai oszcillációknak bonyolult matematikai számítások állnak a hátterében, melyeket a matematikusok a differenciálegyenletek segítségével írnak le. Amikor egy térben homogén reakcióelegyben időben periódikusan változik egyes komponensek koncentrációja, oszcilláló reakcióról beszélünk. Ilyenkor - bár nem „nyúlunk" bele a rendszerbe - hol az egyik, hol a másik anyag kerül túlsúlyba, ami, ha például különböző színű vegyületekről van szó, igen látványos színváltogatással jár együtt.
Mi teszi innovatívvá ezt a projektet?*
A kémiai változásokból eredő, azt kísérő periodikus jelenségek rendszeres kutatása csak rövid múlttal rendelkezik. A kémia lemaradása a többi tudományággal szemben meglepő, hiszen – ha szórványosan is – kémiai periodicitásra utaló megfigyelésekről jóval korábbi feljegyzések is beszámolnak. Robert Boyle már a XVII. század végén leírta, hogy foszfor oxidációjakor periódikusan felvillanó lumineszcencia észlelhető. Ezt a lemaradást szeretném bemutató kísérleteimmel tompítani. Mit tudnak más tanárok használni ebből a projektből az osztályukban?* A kísérletek egyszerűsége miatt már az általános iskolai kémia órákon bemutathatók, nem veszélyesek és alacsony anyagi ráfordítással igen látványosak is. A projekt részletes leírása (max 2.5 oldal).* Kérjük, hogy írja le: Hogyan jött a projekt ötlete? Milyen korú gyerekek tanításában ajánlott ezt a projektet használni? Vett‐e részt más is a projekt kifejlesztésében? Hogyan állította össze? (fényképek is lehetnek) Mennyibe került? Mennyire volt sikeres, és milyen bizonyítékai vannak a projekt sikerének? Kérjük, hogy a lehetőségekhez képest részletesen térjen ki ezekre.
A kémia szépségei- oszcilláló reakciók
Bolyai Tehetséggondozó Gimnázium és Kollégium Zenta
2 of 4
Bevezetés A természettudományokban rengeteg helyen találkozhatunk oszcillációval. Gondoljunk csak a fizikai ismétlődő jelenségekre. Ha kinyújtunk egy rugót, majd hirtelen elengedjük, periodikus rezgőmozgást fog végezni. Az inga mozgása is periodikus. Nem csak a fizikában jelentősek ezek a folyamatok. A kémiában is nagy szerepük van, habár ebben a tudományban még nem foglalkoznak velük olyan hosszú ideje. Fontos még megemlíteni, hogy ezeknek a kémiai oszcillációknak bonyolult matematikai számítások állnak a hátterében, melyeket a matematikusok a differenciál egyenletek segítségével írnak le.
Kémiai oszcilláció fogalma
Amikor egy térben homogén reakcióelegyben időben periodikusan változik egyes komponensek koncentrációja, oszcilláló reakcióról beszélünk. Ilyenkor - bár nem „nyúlunk" bele a rendszerbe - hol az egyik, hol a másik anyag kerül túlsúlyba, ami, ha például különböző színű vegyületekről van szó, igen látványos színváltogatással jár együtt. Az oszcilláló reakciók klasszikus képviselője a Belouszov-Zsabotyinszkíj reakció (bromátmalonsav-katalizátor). Napjainkban Belouszov-Zsabotyinszkij-reakciónak nevezünk minden olyan reakciót, amelyben valamilyen szerves szubtrátumot oxidálunk savas bromáttal átmenetifém-ionok jelenlétében. A leggyakrabban alkalmazott szubsztrátum a malonsav, amely azonban 3 of 4
bármely szerves molekulával helyettesíthető, ha az brómozható a reaktív brómtartalmú köztitermékkel, és oxidálható az alkalmazott átmenetifém-ionnal. Egy ilyen egyszerű rendszer esetén minden kémikus azt várná, hogy a reakció monoton módon halad előre az egyensúlyi állapot eléréséig, helyette pedig periódikusan változik egyes komponensek koncentrációja illetve a vegyületek színe.
Történelme Robert Boyle volt az első, aki megfigyelte ezt a jelenséget 1690-ben. A foszfor levegőn való autooxidációjakor ismétlődő felvillanásokat észlelt. A következő jelentős feljegyzés Bray nevéhez fűződik, aki leírta az első homogén fázisú oszcilláló kémiai reakciót. 1951-ben Belousov
a színoszcillációk megfigyelésének
terén tett hatalmas lépéseket.
Megfigyelte, hogy a négyes oxidációs számú cérium sárga, míg hármas oxidációs számú színtelen. A következő színoszcillációval tett kutatásokat Zhabotinsky végezte 1964-ben. Ő a bromátot vizsgálta malonsav rendszerben. A reakció során színváltozásokra lett figyelmes. Az oldat színe periodikusan változott pirosról kékre.
Megfigyelhetjük, hogy milyen sok idő telt el az első megfigyelés és a pontos definíció kialakítása között. Több mint 270 évre volt szükség, hogy az észlelésekből és feltevésekből kialakulhasson egy biztos és helytálló elmélet.
Bővített Landolt reakció A reakcióhoz szükséges kálium- jodát oldat, nátrium- hidrogén- szulfit oldat, keményítő oldat, higany(II)- klorid oldat. A nátrium-hidrogén-szulfit oldathoz hozzáadjuk a keményítő oldatot. A higany(II)-klorid-oldathoz desztilált vizet adunk. Ezután ehhez egyszerre hozzáadjuk a káliumjodát- és nátrium-hidrogén-szulfit oldatot.
4 of 4
5 of 4
Magyarázat A színtelen oldat pár másodperc elteltével narancssárga változik, majd kis idő elmúltával a narancssárga sötétkékre váltja a színét. A kálium-jodát és a hidrogén-szulfit közötti reakció eredményeként jodidionok keletkeznek: 3 H2SO3 + HIO3 3 H2SO4 + HI A jodidionok reakcióba lépnek a higany(II)-ionokkal: Hg 2+ + 2 I- HgI2 Ekkor narancsvörös csapadék keletkezik. Higanyion elfogyása után: HIO3 + 5 HI 3 H2O + 3I2 I2 + H2O + H2SO4 H2SO4 + 2HI Miután a szulfition elfogy, a kiváló jód a keményítővel kék színt ad.
Belousov‐ Zhabotinsky reakció Elkészítéséhez szükséges malonsav-oldat, kálium-bromát-oldat, kénsavoldat. Ezután a cériumszulfáthoz hozzáadjuk a kénsavoldatot és a desztitlált vizet. A cérium szulfátot helyettesítheti még mangán-szulfát is. Elegyítjük a malonsavoldatot, a kálium-bromát-oldatot, a kénsavoldatot, a desztilált vízet és a cérium-szulfát-oldatot vagy a mangán szulfát oldatot. Cérium esetén az oldat színtelenről sárgára, majd a sárgáról ismét színtelenre változik. Ez a színváltozás mangán esetén rózsaszín.
6 of 4
Magyarázat A Belousov-Zhabotinsky folyamat nem más, mint savas közegben lejátszódó bromát-bromid reakció, melyben a brómtartalmú reakciópartnerek sorozatos, kételektronos oxidációs-redukciós lépésekben oxigént cserélnek. A folyamat végterméke az elemi bróm: BrO3- + Br - + 2 H+ HBrO2 + HOBr
I.
HBrO2 + Br - + H+ 2 HOBr
II.
HOBr + Br - + H+ Br2 + H2O
III.
A reakció több, bonyolult részfolyamatból tevődik össze. Így az első folyamat is több részfolyamatból áll: „A” folyamat: I+II+3 . III BrO3- + 5 Br - + 6 H+ 3 Br2 + 3 H2O A „B” folyamat a Ce3+-ion savas oldatbeli oxidációja. BrO3- + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + H2O IV. BrO2 + Ce3+ + H+ HBrO2 + Ce4+
V.
2 HBrO2 BrO3- + HOBr + H+
VI.
„B” folyamat: 2 .V + 4.VI + IV BrO3- + 4 Ce3+ + 5 H+ HOBr + 4 Ce4+ + 2 H2O A „C” folyamatban a Ce4+ -ion (hipobrómossav jelenlétében) a következő sztöchiometriai egyenletek szerint oxidálja a szerves savakat és brómozott származékaikat : 6 Ce4+ + MA + 2 H2O + HOBr 6 Ce3+ + 3 CO2 + 7 H+ + Br 4 Ce4+ + BrMA + 2 H2O + HOBr 4 Ce3+ + 3 CO2 + 6 H+ + 2Br – A malonsav és a brómozott malonsav hatása kettős : fogyasztja a brómatomokat, de ugyanakkor bromidion-forrás is. A színváltozásért a cérium oxidációs számának változása a felelős, mivel négyes oxidációs számban sárga, hármas oxidációs számban viszont színtelen.
7 of 4
A metilénkék mint oxigénátvivő katalizátor A reakcióhoz szükség van nátrium-hidroxidra, glükózra, desztilált vízre, metilénkék oldatra. Az oldat elkészítés után lassan elszíntelenedik, majd rázás után újra megkékül. Állás közben megsárgul.
Magyarázat
A metilénkék oxigénátvivő katalizátorként működik ebben a reakcióban. Redukált alakja színtelen, oxidált alakja kék. Glükóz + OH- glükozid + H2O Oxigén(g) oxigén(aq) Oxigén + metilénkék(red) metilénkék(ox) Metilénkék(ox) + glükozid glükonsav+metilénkék(red)
Rázás közben oxigént oldunk fel az oldatban. Így a metilénkék redukált alakja oxidálódik. Ez az oxidált alak később reakcióba lép az előzőleg keletkezett glükoziddal, melynek eredménye a redukált metilénkék. 8 of 4
A színtelen oldat akkor is megkékül, ha egy pohár csapvizet adunk hozzá, mivel a víz jelentős mennyiségű oldott oxigént tartalmaz.
Ennek a folyamatnak biológiai kapcsolata is van. Amikor egy getnetikai hiba folytán a szervezetből hiányzik az oxigénátvivő katalizátor, a bőr megkékül. Ha ezekkel a betegekkel metilénkék tablettákat szedetnek, akkor a bőrük visszanyeri a színét, viszont vizeletük kékre szineződik. Ennek az a magyarázata, hogy az előzőleg túltermelődött methemoglobint a metilénkék redukálja hemoglobinná, ami már képes az oxigén szállítására.
Forrásaim - Orbán Miklós: Oszcilláló kémiai reakciók: Múlt, jelen, jövő (Magyar Kémiai Folyóirat) - Rózsahegyi Márta- Wajand Judit: Látványos kémiai kísérletek - Dr. Pais István: Kémiai előadási kísérletek Az Ön projektje bemutatásának mi lenne a legmegfelelőbb formája? * ☐ Poszter és kiállítási bemutató ☐ x Színpadi bemutató, ill. show (20 perc max.) ☐ Workshop/műhelyfoglalkozás kb. 20 tanár kolléga számára (20 perc) Kérjük, hogy írja le, hogyan tervezi a kiállítási/színpadi/műhely bemutatóját? * Húsz percben bemutatom a kísérleteket és magyarázatot adok hozzá. Adjon meg egy rövid mottót a projektje számára, annak reklámozása céljából * Vegyülj – (v)elem – a kémia szépségei Milyen eszközöket használ a projekt? (a helyszínen konnektor és wifi áll rendelkezésre)* Konnektor, projektor, lap top Van‐e veszélyes eleme a projektnek, ami a bemutató helyszínével kapcsolatban fontos lehet? (például maró folyadék használata, tűz, szellőztetést igénylő gázfejlődés, stb.) *
9 of 4
nincs Referenciák Ha van, kérjük nevezzen meg személyeket, akik ismerik a projektjét, és akik tudnak róla független véleményt adni (nem kötelező kitölteni) Ezek – többek között – a következők is lehetnek: egy másik tanár, iskolaigazgató, munkaközösség‐vezető stb. Nevet és e‐mail címet kérünk. Van‐e esetleg olyan publikáció, vagy valamilyen más, nyilvánosan elérhető forrás, ami a jelenlegi projektjéhez kapcsolódik? (nem kötelező kitölteni) Ezek lehetnek oktatással kapcsolatos publikációk, cikkek, konferencia előadások (pl. Tanári Ankéton bemutatott műhely) közösségi oldalakra feltöltött, nyilvánosan elérhető videók stb. Kérjük, adjon meg néhány keresőszót, ill. kifejezést, amely a projektjéhez kapcsolódik * A keresőszavak, ill. kifejezések más tanároknak segítenek az érdeklődésüknek megfelelő anyagot megtalálni. Gondosan válogassa meg ezeket, hogy jellemzők legyenek (ne csak a témát adja meg)! Oszcilláció, Landolt reakció, Belouszov‐ Zsabotyinszkij‐ reakciók Elérhetőségi adatok Mi a beosztása az iskolában/munkahelyén? * x☐ Tanár ☐ Más (kérjük, adja meg a funkcióját, és annak kapcsolatát az iskolai oktatással): Iskola/Munkahely címe * Kérjük az irányítószámot is adja meg! 24400 Zenta, Posta utca 18., Szerbia Az Ön e‐mail címe * Olyan e‐mail címet adjon meg, amit rendszeresen figyel, hogy elérhessük Önt.
[email protected] Mobil telefonszám * Ezt csak végső, fontos és sürgős esetben fogjuk használni, és semmiképpen sem adjuk tovább harmadik személynek. +381 64 87 56 957 Másik telefonszám Ha minden kötél szakad..! 10 of 4
+381 63 75 16 016 Másik cím (nem kötelező kitölteni) Ha jobban szeretné, hogy ne az iskolába, hanem haza érkezzenek a postái, akkor adja meg azt a címet. Néhány kiegészítő információ Önről Mennyi ideje oktat valamilyen természettudományos tárgyat/tárgyakat? * ☐ 0‐2 éve ☐ 2‐3 éve ☐ 5‐10 éve ☐ 10‐15 éve ☐ 15‐20 éve ☐x 20 évnél régebben Milyen iskolai szint a LEGjellemzőbb az Ön oktatására? Csak egy választ kérünk, jóllehet tudjuk, hogy különböző szinteken is oktathat. * ☐ Óvoda ☐ Általános iskola ☐ Középiskola 11‐14 éves ☐ x Középiskola 14‐18 éves ☐ Szakiskola 16‐19 éves ☐ Tanárképzés ☐ Tanár továbbképzés ☐ Más: A természettudományok mely ágának oktatása a LEGjellemzőbb Önre? Tudjuk, hogy több területen is oktathat, de mégis csak a legjellemzőbbet kérjük.* ☐ Biológia ☐x Kémia ☐ Fizika ☐ Matematika ☐ Informatika‐számítástechnika ☐ Más: Részt vett‐e már korábban valamelyik Science on Stage vagy Physics on Stage nemzetközi fesztiválon? Ha igen, kérjük írja meg, melyiken (melyeken) Science on Stage 2011, Koppenhága, Dánia Science on Stage 2008, Berlin, Németország Honnan hallott a „Színpadon a Természettudomány 2014”‐ről? ☐ x Fizinfo ☐ x Tapody Éva levelezőlistája 11 of 4
☐ x Fizikai Szemle ☐ Szóbeli tájékoztatás (kollégától, baráttól stb.) ☐ x http://elft.hu (Eötvös Loránd Fizikai Társulat weboldala) ☐ http://bolyai.hu weboldal (Bolyai János Matematikai Társulat weboldala) ☐ http://mke.org.hu (Magyar Kémikusok Egyesülete weboldala) ☐ http://isze.hu (Informatika‐Számítástechnika Tanárok Egyesületének weboldala) ☐ x http://szinpadon‐a‐tudomany.hu weboldal ☐ http://www.atomki.hu weboldal ☐ Egyéb: Kérjük, hogy ezt a kitöltött dokumentumot küldje vissza a következő e‐mail címre
[email protected] minél hamarabb, de legkésőbb 2014. szeptember 1‐ig. A “Színpadon a Természettudomány 2014” fesztivál 2014. október 11‐én, szombaton kerül megrendezésre Debrecenben, az Atomki területén. A legjobbak fogják képviselni Magyarországot a 2015 júniusában, Londonban megrendezésre kerülő “Science on Stage 2015” nemzetközi fesztiválon. KÖSZÖNJÜK A JELENTKEZÉSÉT!
12 of 4
