Specifické činnosti učitele chemie a jeho žáků na téma UDRŽITELNÝ ROZVOJ V PRAZE Metodická příručka pro gymnázia
Doc. RNDr. Karel Holada, CSc.
Univerzita Karlova v Praze – Pedagogická fakulta 2007
Zpracoval Doc. RNDr. Karel Holada, CSc. © Karel Holada Technická spolupráce: Renata Skálová Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou. Tato publikace je vydávána jako součást projektu Ekogramotnost, který je financován z ESF, státního rozpočtu ČR a rozpočtu HMP 2
Obsah Místo předmluvy ................................................................................................. 5 Úvod .................................................................................................................... 5 Edukační hry s ekochemickou tematikou ............................................................ 7 Efektní ekochemické experimenty .................................................................... 10 Monitorovací stanice ......................................................................................... 16 Závěr .................................................................................................................. 17 Obrazová příloha ............................................................................................... 18
3
4
Místo předmluvy Tato metodická příručka, na rozdíl od její skicy1, je minimalizována v částech úvodních, aby mohla být upřednostněna část praktická. Naopak, její pojetí je plně v souladu se skicou – můžeme jej, pro změnu, vyjádřit citací: „Řekni mi a zapomenu. Ukaž mi a budu si pamatovat. Nech mě udělat a pochopím.“ (Mnozí). K tomuto pojetí jsme dospěli společně s účastníky pracovních setkání koordinátorů environmentální výchovy ve výuce chemii na středních školách v Praze, která probíhala v období září 2006 až únor 2007 na katedře chemie a didaktiky chemie PedF UK v Praze.
Úvod Účinnost výchovy k ekogramotnosti Hlavním problémem výchovy k ekogramotnosti pro udržitelný rozvoj je podle - našeho názoru – její malá účinnost. Používané formy, metody a prostředky bývají pedagogicky málo efektivní a jsou velmi často pouze verbální (školní, mimoškolní i mediální) a tak jsou pejorativně označovány (s prominutím) jako „ekokecy“. Přitom již před mnoha lety odsoudil tento způsob „agitace“ např. W. Churchill slovy: „Čím víc člověk čte o tom, že kouření škodí zdraví, tím spíš přestane číst!“ (volně citováno). Bohužel i dnešní, moderní (spíše módní) prostředky, včetně multimediálních, na tom nejsou lépe – ono, totiž, „není těžké dělat věci nové, ale dobré“. Připočítáme-li k tomu, že na ekogramotnosti parazituje řada lidí pro které je zdrojem příjmů, popř. politickým kolbištěm, je bídný obraz dokreslen. Specifické činnosti učitele chemie a jeho žáků Se záměrem zefektivnit výchovu k ekogramotnosti jako podmínky udržitelného rozvoje (v Praze), orientujeme se na specifické činnosti učitele chemie a jeho žáků, které jsou výuce chemii imanentní. Tyto činnosti odvozujeme: a) ze specificky lidských činností, za které jsou všeobecně považovány hra, učení a práce (první dvě obvykle jako příprava na třetí), b) z pořadí prostředků výuky a výchovy, jak je seřadili naši klasikové Jan Amos Komenský a Gustav Adolf Lindner (i jiní). Podle nich (opět volně citováno): „ ... na 1. místě je věc sama, na 2. místě je model, 3. je obraz a 4. jsou znakové systémy“. I když bychom dnes nebyli tak rigorózní, můžeme s nimi souhlasit s tím, že nyní tyto prostředky ve výuce chemii a výchově chemií budeme chápat moderněji: např., na 1. místě budou metody a prostředky poznávání „věci samé“ (chemických látek a reakcí), na 2. místě modelování v pojetí odpovídajícím informatizované společnosti, na 3. místě vizualizace (nikoli jen obraz, ale široké spektrum metod a prostředků) a na místě 4. symbolizace (pro chemii tak příznačná).
1
HOLADA, K.: Environmentální výchova ve výuce chemii na středních školách. Metodická příručka – skica. (Projekt JPD 3. Ekogramotnost pro udržitelný rozvoj v Praze.) Praha: UK PedF a MHMP – odbor školství, 2006. 24 str.
5
Vztahy mezi některými zmíněnými specifickými činnostmi zobrazuje následující diagram. (Ne všechny se nám podařilo zařadit do této metodické příručky.)
■ Experimentování s modely ■ Modelový experiment
■ Modelování
■ Experimentování
■ Vizualizace
■ Elementarizace
■ Vizualizace modelu ■ Vizualizace modelováním
■ Vizualizace experimentu ■ Vizualizace experimentováním
Poznámka k námi do české pedagogiky chemie zavedenému pojmu elementarizace. Využívá – jak je vidět na obrázku – experimentování, modelování, vizualizace (ale i symbolizaci) k pedagogické prezentaci (nejčastěji) metod studia chemických látek a reakcí. Postup je obvykle následující: 1. sestavení funkčního modelu přístroje, 2. modelové pokusy objasňující princip metody a zásady práce s přístrojem, 3. důkazy a stanovení pomocí modelu přístroje, event. 4. práce se skutečným přístrojem. Máme vlastní videozáznamy elementarizace metod optických, elektroanalytických, chromatografických. Elementarizace úzce souvisí s instrumentací edukačních chemických pokusů.
6
Edukační hry s ekochemickou tematikou a) domina 1. Ekochemicky významné oxidy (též hydroxidy, kyseliny, soli). Kameny se skládají tak, aby vznikly správné vzorce existujících oxidů, jejichž ekologický význam je třeba doplnit. 2. Ekochemicky významné organické sloučeniny. Obdoba č. 1. 3. Nebezpečné chemikálie. K názvům látek se přiřazují normalizované piktogramy označující jejich nebezpečnost. Ukázka (příloha s. 18). 4. Druhotné suroviny. Tvoří se dvojice: odpad-výrobek z něho. 5. Kategorie drog. Skládají se páry: kategorie drog – konkrétní příklady. 6. „Éčka“. Obdoba č. 5: skupinové označení – konkrétní příklad, oba kameny jsou označeny čísly. 7. Párování ekochemických pojmů. Lze též hrát verbálně. b) pexesa 1. ABC udržitelného rozvoje. Hledají se dvojice označující hesla obrazového terminologického slovníčku, např.: atmosféra, biosféra, biomasa, cirkulace, devastace, emise, atd. 2. Chemické procesy a aparáty v průmyslu a v domácnosti. Na kartičkách jsou reálná zobrazení doplněná symboly z proudových výkresů konstrukčních. Ukázka (příloha s. 18). 3. Rostlinné alkaloidy. Obrázky známých rostlin se jmény jsou doplněny názvy příslušných alkaloidů. 4. Aditiva. Podklad obrázku tvoří znázornění výrobku a přes něj je nápis s názvem aditiva vč. skupiny, do které patří. c) puzzle 1. Ze vzduchu, vody a kamene. Schematické znázornění surovinových zdrojů anorganického průmyslu. 2. Surovinové zdroje organickochemického průmyslu. Viz 1. 3. Biomasa a biotechnologie v potravinářském průmyslu. Viz 1. 4. Pyramida účinků polutantů životního prostředí na biotu. Schéma obsahuje: část postižené populace – soubor polutantů v organizmu – fyziologické aj. změny neznámého významu – fyziologické příznaky nemocí – nemocnost – úmrtnost. 5. Koloběhy látek. 6. Skleníkový efekt. Obrázek doplněný texty. Ukázka (příloha s. 19). 7. Kyselý déšť – obdoba č. 6.
7
d) bingo Školní varianty známe TV soutěže na nejrůznější témata. Žáci soutěží v párech, sami si předkreslí čtverečky s 3 x 3 částmi a do nich opíší jimi vybrané pojmy z těch, které učitel napsal na tabuli na zvolené téma. Další postup je známý: učitel čte text a žáci do svých archů zaškrtávají odpovídající pojmy. Po vytvoření „lajny“ (svislé, vodorovné, uhlopříčné) zavolají „bingo“. Lze, ovšem, pokračovat ve hře až do stavu „full hause“. (Učitel na tabuli samozřejmě napíše pojmů více než 9, např. 12.) e) karty 1. Černý Petr „Nebezpečné chemikálie“. Hráči se zbavují dvojic karet: název látky – piktogram označující její nebezpečnost. Obdoba a) 3. 2. Kartičky „Udržitelný rozvoj“. Hráči se zbavují karet tím, že vytvářejí dvojice pojmů, které k sobě patří. Pro případ „švindlování“ je sada opatřena kartami „chyba“. 3. Kvarteta „Suroviny – meziprodukty – produkty – odpady“. Sbírají se čtveřice karet o výrobě známých látek. Ukázka (příloha s. 19). 4. Kvarteta „Éčka“. Čtveřici karet tvoří: chemický název – vzorec – původ (přírodní, přírodně identický, syntetický) – kategorie aditiv (např. konzervant, barvivo, ... ). Všechny karty čtveřice jsou označeny příslušným číslem z oficiálního seznamu. 5. Kvarteta „Drogy“. Analogie č. 4. f) tabulové, postupové 1. Ekochemická periodická tabulka prvků. Hraje se na variabilní PSP (superdlouhá nebo dlouhá, event. krátká). Postupuje se podle házení kostkou (osmistěnem), či elektronického voliče náhodných čísel. Obsazují se políčka až po sdělení jaký je význam příslušného prvku, či jeho sloučeniny pro udržitelný rozvoj. 2. Energie. Hra řízená učitelem. Lze volit různé cesty. Postupuje se podle kvality odpovědí na otázky: startovní, postupové a prémiové. Ukázka (příloha s. 20). g) hry mimo učebnu 1. Terčový závod. Absolvuje se trasa (lesem, parkem apod.) na níž jsou rozmístěna stanoviště s praktickými i teoretickými úkoly ekologické povahy se 2 možnostmi jejich řešení. Soutěžící z kapací lahvičky (A, B) nanáší kapku na svůj startovní průkaz podle zvoleného řešení. V cíli se postříknutím průkazu vyvolají barevné skvrny, označující správná a nesprávná řešení úkolů na trase. V případě shodného počtu správných řešení rozhoduje čas za který byla trasa absolvována. Ukázka (příloha s. 20). 2. Řízená vycházka. Vedle trasy jsou zadány úkoly. Témata, např.: za odpady, samočistící schopnosti, k domácí (obecní) čističce odpadních vod...
8
h) tvořivé 1. Tvorba plakátu, posteru apod. na dané (ekologické) téma. Skupinové práce při koncipování, opatřování podkladů a materiálů, vlastní tvorba. 2. Slovní tenis s pojmy o udržitelném rozvoji. 3. Co mám na sobě, event. kdo (co) jsem – verbální hry. 4. Doplňovačky, rohačky, křížovky, hádanky atd. 5. Sudoku s chemickou tematikou.
9
Efektní ekochemické experimenty a) Pokusy převážně analytické povahy 1. Stopová analýza: z 0,1 M roztoku CuSO4 se připraví škála roztoků odstupňovaných koncentrací a barevných odstínů (0,1 až 0,000001 M). Nejprve se dokazují kationty Cu2+ běžnými činidly a poté (na konci škály) činidly specifickými a vysoce citlivými: – kuprizonem (0,5 % roztok v EtOH) jehož se na 10 ml vzorku přidává 0,5 ml – thiosulfátoželezitým komplexem, jehož rozpad (odbarvování) urychlují i stopy Cu2+. Činidlo se připravuje těsně před důkazem slitím stejných objemů 0,01 M roztoků FeCl3 a Na2S2O3. – alkalickým roztokem luminolu s 3-5 % H2O2, který po přilití vzorku se stopami Cu2+ modře září. Viz též b.3.1. 2. Modrý efekt: v 50 ml vody se rozpustí 1 g NaOH a poté se přidá 1 g glukosy, potom se do vzniklého roztoku přikápne roztok methylenové modře. Nádobka (minimálně na 100 ml) se uzavře a nechá se stát – po chvíli se modrý roztok odbarví, po protřepání opět zmodrá, atd. 3. Důkazy plynů: ukazují se jednoduché metodiky reakcí plynů s činidly: probublávání, visutá kapka na tyčince, činidlo na papíru (reagenční a indikátorové papírky), činidlo na silikagelu (průkazníkové trubičky), apod. Vhodný příklad: důkazy SO2, či par EtOH okyseleným roztokem K2Cr2O7. 4. Produkty kouření tabáku: jednoduchou aparaturou sestavenou ze 3 promývaček (i improvizovaných) se prosává kouř z cigarety – produkty kouření se zachycují v náplních promývaček (silikagel, voda, minerální vata aj.). Pokus lze zatraktivnit jeho cimrmanovskou úpravou (zlato vefukováním tabákového kouře do vody). 5. Plynoměrné stanovení močoviny podle Borodina (např. v půdním výluhu, v roztoku reprezentujícím např. moč aj.): vzorek reaguje s bromnanovým louhem (silně alkalický roztok bromnanu) a měří se objem unikajícího dusíku – ten se přepočítá na močovinu. Bromnanový louh: ve 100 ml 30 % NaOH se rozpustí 1,6 ml bromu. 6. Lékopisné zkoušky na čistotu: připraví se roztok obsahující maximální (povolené) množství polutantu (např. chloridů, těžkých kovů – jako Pb2+, volné salicylové kyseliny atd.) a po reakci s odpovídajícím činidlem (v uvedených příkladech s AgNO3, Na2S, FeCl3) je vzniklá sraženina, či zabarvení porovnávána se sraženinou, či zabarvením vzniklým za stejných podmínek reakcí vzorku. 7. Exprestesty a jednoduché prostředky selfmonitoringu: předvádějí se průkazníkové (trubičkové) soupravy k semikvantitativnímu stanovení par ethanolu ve vydechovaných plynech a ke stanovení plynů a par v ovzduší (CO2, SO2, CO atd.). Dále je možné provádět kontrolu správnosti stanovení glukosy, ketolátek aj. papírky DIAPHAN, které jsou určeny pro stanovení některých složek moče. Ty, kteří to nepotřebují zaujme stanovení krevního cukru glukometrem. 8. Důkazy složek a polutantů půdy: z odebraného vzorku půdy se po vysušení a prosátí připraví jemnozem a z ní půdní výluh (vodní nebo v některých případech pomocí zředěné HCl). V něm se dokazují, popř. orientačně stanovují např. chloridy (AgNO3), sírany (Ba(NO3)2), uhličitany (HCl), vápenaté kationty (šťavelanem amonným), olovnaté sloučeniny (dithizonem ve chloroformovém extraktu). Dále se měří pH vodního výluhu dostupnými metodami. Existují soupravy pro orientační půdní rozbory (pro zahrádkáře).
10
b) Pokusy k energetice chemických reakcí Přehled pokusů podle druhů energií a podle toho zda je při chemické reakci „produkována“, nebo „konzumována“, včetně fenomenologického popisu pokusů, je uveden v následující tabulce. Za tabelárním přehledem jsou další, realizační, poznámky k pokusům. CHEMICKÁ REAKCE PRODUCENT
KONZUMENT
ENERGIE 1. tepelné Hořící gel: slitím 2 bezbarvých kapalin Chladivé mléko: protřepáváním 2 vznikne tuhý gel, který nevyteče z nádobky. upráškovaných bílých látek vznikne Lze jej zapálit. (1.1) „mléko“– a směs se citelně ochladí. (1.2) 2. elektrické Danielův článek: měděný a zinkový Elektrolýza vody: v elektrolyzéru z násypky poločlánek se připojí ke galvanoměru – ten se jímají produkty elektrolýzy do ukáže výchylku až po spojení obou kalibrovaných zkumavek, měří se a dokazují poločlánků elektrolytickou spojkou (může jí jednoduchými zkouškami. (2.2) být i ruka, či řetěz lidí). (2.1) 3. světelné Fotosenzibilita AgBr: čerstvě připravená Chemiluminiscence: roztok luminolu se 2+ stopami Cu přikapáváním zředěného H2O2 jemná suspenze AgBr působením modře září (šero, či tma zvýší efekt). (3.1) intenzivního světla tmavne (pro srovnání stejná suspenze uložená ve tmě, např. v plechovce). (3.2) 4. mechanické Vybuchující plechovka: k otvoru v uzavřené Dětské kapslíky: na svépomocně zhotovené plechovce, v níž se vyvíjí acetylen, se přiloží kapslíky se tluče kladívkem a ty explodují se plamen na konci špejle – exploze odmrští zvukovým a světelným efektem. (Jododusík víčko i plechovku. (4.1) exploduje již velmi slabým nárazem – „šimráním“ ptačím brkem připevněným na tyči.) (4.2) 1.1 Hořící gel: do 5 ml nasyceného roztoku octanu vápenatého (v kádince na 50 ml) se vlije (prudce) 37,5 ml ethanolu. Má-li vzniknout barevný gel, přidá se do ethanolu acidobazický indikátor (fenolftalein, thymolftalein) a roztok octanu se zalkalizuje kapkou koncentrovaného roztoku hydroxidu sodného. Zbarvení plamene lze docílit např. rozpuštěním kyseliny borité v ethanolu. 1.2 Chladivé mléko: jde o reakci pevných reaktantů při níž vzniká kapalný produkt – reakce je dále zajímavá tím, že je silně endotermická, což lze snadno demonstrovat pomocí termoskopu, či termistoru. Použije se (ve zkumavce) 1 g Ba (OH)2.8 H2O a 5 g NH4SCN. Obě látky je nutné upráškovat a poté postupně vložit do zkumavky a protřepávat. 2.1 Danielův článek: měděný poločlánek (elektroda) do kádinky s 0,1 M roztokem CuSO4 je vložen měděný plech, zinkový poločlánek (elektroda) do kádinky s 0,1 M roztokem ZnSO4 je vložen zinkový (pozinkovaný) plech. Oba plechy jsou elektrickými vodiči (banánek, krokosvorka) připojeny k voltmetru – ten ukáže výchylku až po spojení elektrolytů v kádinkách solným můstkem, kterým může být harmonikovitě složený filtrační papír namočený v roztoku KNO3.
11
2.2 Elektrolýza vody: elektrolyzér tvoří násypka uzavřená pryžovou zátkou, kterou procházejí dva silnější hřebíky (dráty) – ty jsou elektrodami připojenými ke zdroji stejnosměrného napětí (např. nabíječka autobaterií). Voda je okyselena H2SO4 (jde o 10 % roztok H2SO4) Po naplnění zkumavek plyny se vodík dokáže zapálením a kyslík doutnající špejlí. Vhodnou aparaturou je též trubice U s bočními vývody. 3.1 Chemiluminiscence: alkalický roztok luminolu se připraví rozpuštěním 0,1-0,2 g luminolu ve 100 ml 0,1 M roztoku NaOH, dále je potřeba zředěný roztok CuSO4 (nejlépe v kapací lahvičce) a 3-5 % roztok H2O2 (též v kapací lahvičce). K demonstraci je vhodná kyveta (např. obal od bonbonů Tic-Tac). Zaujmou zmínky, či ukázky bioluminiscence, galvanoluminiscence, ale též fluorescence a fosforescence. 3.2 Fotosenzibilita AgBr: jde o známý příklad fotochemické reakce. Suspenze AgBr, má-li být velmi jemná, musí být připravena slitím stejných objemů velmi zředěných roztoků (0,001 M) AgNO3 a KBr. Intenzivním zdrojem světla může být např. transprojektor. Jiným zajímavým pokusem je izomerace maleinové kyseliny na fumarovou působením UV záření, což se projeví vznikem sraženiny v původně čirém roztoku (fumarová kyselina je mnohonásobně nerozpustnější než maleinová kyselina). 4.1 Vybuchující plechovka: zdar pokusu závisí na rychlosti provedení: po vložení kousku CaC2 do plechovky a jeho pokropení vodou z kapací lahvičky je třeba plechovku ihned uzavřít víčkem a co nejdříve k otvoru přiložit oheň (předem hořící). Při zpoždění klidně hoří C2H2 unikající z plechovky. Variace: výbuchy jiných plynných i pevných třaskavých směsí v různých uspořádáních, střelba z palných zbraní, modely raket, ale i efektní pokus „rtuťové srdce“. 4.2 Dětské kapslíky: odděleně se rozestře 1 g červeného fosforu a 3 g chlorečnanu draselného, potom se postupně rozmíchají s řidší arabskou gumou (klovatinou, ale postačí i voda) na hustou kaši. Směs se kape na pruh papíru (kapky velikosti sezamového semínka, ne větší!) a usuší např. pomocí fénu, či infražárovky. Bezpečnost vyžaduje pracovat jen s malými množstvími látek a míchat je jen za vlhka! Rozhodně nepřipadá v úvahu poskytnout některou ze složek komukoli (nebezpečí výbuchu, ale i surovina pro přípravu některých drog, např. pervitinu). Jododusík se připravuje zásadně v malém množství protřepáním rozetřeného jodu ve zkumavce se 2-3 ml koncentrovaného roztoku NH3. Po 15 minutách se roztok zfiltruje a filtr se suší na vzduchu. Suché, červenošedé krystalky jododusíku jsou nebezpečné – explodují pohybem, slabým nárazem, ale i ostrým světlem (práce s malým množstvím a jen se suspenzí ve vodě, nebo s vlhkým preparátem!!).
12
c) Akumulace a zpětné uvolňování energie Přehled pokusů podle druhů energií včetně fenomenologických popisů a realizačních poznámek je uveden v následující tabulce. AKUMULACE A ZPĚTNÉ UVOLŇOVÁNÍ ENERGIE 1. tepelné Hřející balíček: kapalina v balíčku po iniciaci postupně tuhne a uvolňuje se při tom teplo. Modelový pokus: pomocí termoskopu se demonstruje, že: a) rozpouštění thiosíranu sodného je děj endotermický, b) krystalizace thiosíranu z přesyceného roztoku je děj exotermický. Možná varianta s termistorem (stačí elektrotechnický) zapojeným v elektrickém obvodu s baterií do kapesní svítilny a ampérmetrem. 2. elektrické Model autíčka na palivový článek: autíčko pohání elektromotorek a ten je napájen elektrickým proudem z palivového článku kyslíko-vodíkového. Oba plyny jsou získávány elektrolýzou vody – zdrojem proudu jsou pro ni solární články. Modelový pokus (reverzní elektrolýzy): elektrolýzou vody, resp. 10 % kyseliny sírové mezi 2 porézními uhlíkovými elektrodami vzniká na katodě vodík a na anodě kyslík. Oba plyny se pohlcují v elektrodách a vzniká tak elektroda vodíková a elektroda kyslíková. Asi po 10-15 sekundách se odpojí zdroj (nabíječka) a elektrody se připojí k voltmetru, který ukáže výchylku. 3. světelné Fotoakumulátor - chemotronické čidlo UV záření. Modelový (neefektní) pokus (pouze v rukou učitele!): slitím bezbarvých 0,1 M roztoků Hg2+ a Fe2+ vznikne bezbarvý roztok. Po několika minutách z něj odebereme kapku a dokážeme v ní např. thiokyanatanem Fe3+. Reakční směs uložíme do tmy (krabice, plechovka) a po hodině (i déle) z ní opět odebereme kapku k důkazu Fe3+, tentokrát bude negativní, tzn., že: ⎯svetlo ⎯ ⎯→ Hg+ + Fe3+ Hg + Fe ←⎯⎯ tma Tento děj lze uspořádat jako elektrochemický článek, který se světlem (zejména UV) nabíjí a za tmy vybíjí – poskytuje elektrickou energii. 4. mechanické Střelba z perkusní zbraně (předvádí na střelnici kvalifikovaná osoba): 1. nabití zbraně střelným (černým) prachem, ucpávkou a koulí, 2. prohlídka a nasazení zápalky (azid v zápalce), 3. vlastní výstřel: po stisknutí kohoutku, kladívko udeří na zápalku – ta exploduje a tak zapálí střelný prach a plynné zplodiny (nejen plynné) vymetou kouli z hlavně. Varianta: vypuštění modelu rakety na školním hřišti učitelem, či raketovým modelářem. 2+
2+
poznámky: 1. Ztuhlý balíček se aktivuje ohřátím v teplé vodě – při tom z tuhé látky opět vznikne roztok. Termistor je polovodičový prvek známý již žákům ZŠ. Jeho elektrická vodivost závisí na teplotě přímo: s rostoucí teplotou roste i jeho vodivost. 2. Podobně jsou konstruovány i systémy kosmické techniky, např. na raketách, transportérech, stanicích (Apollo, Gemini).
13
3. Tento fotoakumulátor je založen na chemických dějích, zatímco tranzistorový solární článek využívá fyzikální jev (fotovoltaický). 4. Při výstřelu z palné zbraně se uplatňuje chemická reakce jako konzument mechanické energie (úder na zápalku) i jako producent mechanické energie, která vymete kouli z hlavně. Modely raket, raketové motorky, palníky lze zakoupit v prodejnách modelářských potřeb. Raketové slože, popř. i jednoduché modely raket umí učitel chemie připravit, ale není radno způsob jejich přípravy žákům sdělovat. V nouzi lze vystačit s ukázkami střelných prachů (černého a bezdýmého) a jejich hoření a se zápalkou do perkusní zbraně, popř. s jejím odpálením úderem, či odpálením vlastnoručně připraveného azidu což vyžaduje přirozenou opatrnost, ale vyplatí se též jako demonstrace principu airbagů. Poznámky k pokusům, tematické souvislosti a.1 Stopová analýza: významná metoda v analytice životního prostředí, medicíně, potravinářství, produkci a aplikaci superčistých materiálů, kosmochemii... Lze jí dokazovat a stanovovat množství látek řádově 0,1.10-18, tj. 0,1 atto (chemiluminiscenční analýzou – b.3.1). a.2 Modrý efekt: lze považovat za model postupu stanovení hnilobnosti vody, při němž se měří čas potřebný k odbarvení vzorku vody obarvené methylenovou modří). Hnilobné látky redukují modř na bezbarvou formu. a.3 Detekce plynů: uvedené jednoduché metody jsou základem řady exprestestů a terénních zkoušek na polutanty ovzduší – též bojových chemických látek. a.4 Produkty kouření tabáku: účinná ukázka co vdechuje kuřák do svých plic, lze provádět též semi- i kvantitativně . a.5 Plynoměrné stanovení močoviny: ukázka rychlé varianty proti kjeldahlizaci, předepsané např. lékopisem, zaujmou též informace o Borodinovi jako hudebním skladateli. a.6 Lékopisné zkoušky na čistotu: ukázky kontroly léčiv, ale i potravinářských výrobků, kosmetiky, apod. – zkoušky na potravinářská aditiva („éčka“). a.7 Exprestesty: příklady orientačních, rychlých, terénních zkoušek ovzduší na pracovištích, v domácnostech, zjišťování úniku nebezpečných látek, aj. a.8 Důkazy složek a polutantů půdy: význam pro zemědělství, sadařství, vinařství, zahrádkáře, biofarmy, potřeba hnojení, nežádoucí zatěžování půdy, skládky odpadů, eroze, vlivy dopravy, turistiky... b. Zatím těžko nahraditelné chemické zdroje energie (tepelné, elektrické, světelné, mechanické) bez nichž by nebylo dnešní úrovně civilizace. Problematika spalování versus chemického zpracování fosilních paliv, biomasy, apod. Význam chemických oborů: termochemie, elektrochemie, fotochemie, chemické fyziky. b.1.1. Hořící gel: zajímavý způsob produkce tepla a světla hořením, bezpečnější formy balení paliva (gel místo kapaliny). Není to gelová svíčka (ta je z parafinů). b.1.2. Chladivé mléko: příklad reakce tuhých reaktantů, kterou žáci prakticky neznají a navíc za běžných laboratorních podmínek endotermická – produkující chlad. Příležitost připomenout zákon akce a reakce a jeho využití při urychlování rozpouštění a reakcí.
14
b.2.1 Danielův článek: připomínka široké palety chemických zdrojů elektrické energie: primárních i sekundárních (vč. palivových). Efektní provedení představuje „můstek“ mezi poločlánky vytvořený rukou, nebo řetězem rukou – potřeba citlivého voltmetru. b.2.2 Elektrolýza vody: evokuje elektrolýzu jako významný technologický proces, jímž se vyrábí řada látek – zde vodíku a kyslíku (i pro palivové články), vodíku jako paliva pro spalovací motory. b.3.1 Chemiluminiscence: využívá se v kinetické stopové analýze (viz a.1), ve zdrojích studeného světla. Vhodné jsou připomínky bioluminiscence, galvanoluminiscence a rozdíly mezi luminiscencí vs. fosforescence a fluorescence. b.3.2 Fotosenzililita AgBr: jeden z chemických základů klasického fotografování. Připomínka řady prakticky významných fotoreakcí (fotosyntéza, průmyslové procesy, halogenace, negativní účinky světla, fotosenzibilita materiálů, ale též pokožky). b.4.1 Vybuchující plechovka: navádí k poučení o bezpečnosti, explozích, výbušninách, trhavinách, raketách, tryskových motorech, střelných zbraních. Hranice mezi ustrašeností a respektem! Předvést rtuťové srdce – oblíbený pokus akademika J. Heyrovského – zmínky o polarografii i o bezpečnosti práce se rtutí a vůbec. b.4.2 Dětské kapslíky: poučení o bezpečnosti práce, o mechanické (bezděčné) iniciaci reakcí (i explozí), princip zápalek palných zbraní. c. Závažné problémy: - uchování (skladování) energie, - přeměny různých forem energie navzájem s centrální pozicí energie chemické. Aplikační náměty a jiné připomínky jsou uvedeny v poznámkách pod tabulkou Akumulace a zpětné uvolňování energie.
15
Monitorovací stanice Funkční model využívající elektroanalytických metod Funkční model stanice monitorující některé parametry udržitelného rozvoje je příkladem elementarizace metod studia chemických látek a reakcí. Je velmi snadno sestavitelný např. z modulů elektrotechnické stavebnice Z 3/III, která je běžná v kabinetech fyziky již na základních školách. Stavba modelu nevyžaduje od učitele ani od žáků zvláštní vědomosti ani dovednosti. Již žáci 8. ročníků ZŠ (někdy i žáci 5. a 6. ročníků) se stavebnicemi běžně pracují ve fyzice a zejména v základech techniky. Základní zapojení (obr. příloha s. 21) využívá spojovacích materiálů a modelů obsažených ve stavebnici: S sběrnice, N napájecí zdroj (monočlánek, baterie do kapesní svítilny), C čidlo (na obr. dvě kontaktní destičky – součást stavebnice), Z tranzistorový zesilovač, I indikační modul (zde žárovka 1,5 V na panelu). Rozšíření funkce monitorovací stanice je snadné a lze je provést dvěma způsoby: 1. na modulu čidel, kam lze dále připojit: 1.1 kontaktní hroty, 1.2 vodivostní elektrody a jejich improvizace, 1.3 funkční model plameněionizačního detektoru, 1.4 termistor, 1.5 fotorezistor, 1.6 fotočlánek, 1.7 gassenzor, 1.8 čidlo pH (dvojelektrodu). 2. na modulu indikačním lze doplnit: 2.1 svítivou diodu (LED), 2.2 piezzobuzer, 2.3 motorek, 2.4 model servozařízení, 2.5 V-A metr (ručkový, či digitální), 2.6 registrační V-A metr (ve školách např. Vareg), 2.7 PC sběrač, zobrazovač a vyhodnocovač signálů. Napájení zařízení elektrickým napětím lze modifikovat, např. uplatněním nabíječek (mobilů, apod.), event. baterií solárních článků. Z hlediska exaktnosti je možné pracovat: a) kvalitativně, kdy se deteguje přítomnost – nepřítomnost dokazovaného polutantu, parametru aj., b) semikvantitativně, kdy se např. rozlišuje zda sledovaná veličina přesahuje – nepřesahuje nastavený limit, c) kvantitativně, kdy se stanovují naměřené hodnoty (ve zvolených jednotkách) veličin. Monitorování může být diskontinuální (jednorázové, nebo ve zvolených časových intervalech, řízených např. časovačem, popř. žákem), ale i kontinuální, které předpokládá registrační měřící přístroj, nebo PC vybavený odpovídajícím programem.
16
Závěr Náš manuál představuje část výsledků získaných řešením projektu JPD 3 Ekogramotnost pro udržitelný rozvoj v Praze v období červen 2006 až březen 2007. Z plánovaných výstupů2 je to zlomek, který přednostně dáváme k dispozici především koordinátorům projektu a jejich kolegům na školách. Další, související, informace, materiály, hry, záznamy pokusů na DVD, resp. CD-ROM, vzorová sestava monitorovací stanice s čidly a vyhodnocovacími indikačními přístroji, centigramová množství úzkoprofilových chemikálií byla a jsou i nadále koordinátorům dostupná přímo u autora této příručky. Ostatním zájemcům budou – zejména pokusy – zprostředkovány začátkem školního roku 2007/8 na DVD po telefonické, či písemné dohodě s autorem, popř. s některým ze zúčastněných koordinátorů a po slíbení připomínek, doporučení, nabídek ke spolupráci, názorů na uspořádání praktika pokusů a her uvedených v příručce a semináře o studentských projektech s tematikou udržitelného rozvoje v Praze (obě poslední akce pro „chemiky“ ze středních škol v Praze). Přestože bylo leccos uděláno, je dost práce před námi. Pojďte s námi!
Doc. RNDr. Karel Holada, CSc. katedra chemie a didaktiky chemie UK v Praze M. D. Rettigové 4 116 39 Praha 1 tel. 221900124
2
Připomínáme je ze skici metodické příručky 1. Specifické činnosti učitele chemie a jeho žáků na téma Udržitelný rozvoj v Praze. Metodická příručka pro učitele. 2. Instruktážní videopořad (DVD) k metodické příručce. 3. Filipatran, či prezentační PC program – informačně-vizualizační pomůcka pro učitele chemie k metodické příručce. 4. Malé praktikum pokusů, měření a pozorování pro studenty vč. námětů pro jejich projekty. 5. Sada didaktických her s ekochemickou tematikou rozšiřující a prohlubující ekogramotnost pro udržitelný rozvoj. 6. Dvě praktika koordinátorů Modelové monitorování vybraných indikátorů udržitelného rozvoje (v Praze): 6.1 Elektroanalytické metody s využitím Jandovy stavebnice, 6.2 Optické a chromatografické metody. 7. Efektní ekochemické experimenty: 7.1 Bodový scénář show s realizačními pokyny, 7.2 Videopořad – podle možností na DVD, popř. VHS
17
Obrazová příloha
18
19
20
21
