Tanulói munkafüzet
Biológia–Fizika–Kémia 10. évfolyam Németh Tamás Hegedüs János Dr. Heblingné Takács Dóra
Pécs, 2014
Készült a TÁMOP 3.1.3-11/2-2012-0010 azonosító számú, „A természettudományos oktatás megújítása a Pécsi Leőwey Klára Gimnáziumban” c. projekt keretében a laboratóriumot használó tanulók és tanárok számára. Lektorálta: Dr. Pollák Edit (biológia); Dr. Honyek Gyula (fizika); Dr. Petz Andrea (kémia) Szerkesztette: Gönye László Kapcsolódó kerettanterv: 51/2012. (XII. 21.) sz. EMMI rendelet Szerző: Németh Tamás (biológia), Hegedüs János (fizika) és Dr. Heblingné Takács Dóra (kémia) A kiadó a kiadói jogot fenntartja. A kiadó írásbeli hozzájárulása nélkül sem a teljes mű, sem annak része, semmiféle formában nem sokszorosítható. Kiadja: Pécs Megyei Jogú Város Önkormányzata Minden jog fenntartva: © Pécs Megyei Jogú Város Önkormányzata Cím: 7621 Pécs, Széchenyi tér 1. Telefon: 06-72-533-800 E-mail:
[email protected],
[email protected] Internet: www.pecs.hu Felelős kiadó: Dr. Páva Zsolt
Nyomás: Apáti Nyomda, Cegléd Felelős vezető: Apáti-Tóth Áron
Tartalomjegyzék Biológia .................................................................................................................................. 2 Témakör: Típusállatok boncolása ............................................................................................. 2 1. Földigiliszta boncolása ..................................................................................................... 2 2. Konyhai csótány boncolása ............................................................................................... 4 3. Ponty boncolása .............................................................................................................. 9 Fizika .................................................................................................................................... 12 Bevezetés ........................................................................................................................ 12 I. témakör: Hőtani mérések ...................................................................................................12 1. Folyadék fajhőjének mérése súrlódási kaloriméterrel ......................................................... 12 2. A szilárd test fajhőjének meghatározása keverési kaloriméter segítségével .......................... 13 3. A Boyle–Mariotte-törvény igazolása ................................................................................. 15 II. témakör: Elektromosságtan ...............................................................................................17 4. Ellenállások kapcsolása .................................................................................................. 17 5. Ohm törvénye – kis és nagy ellenállások mérése .............................................................. 19 6. LED karakterisztikájának mérése .................................................................................... 21 7. Izzókarakterisztika mérése ............................................................................................. 23 Kémia ................................................................................................................................... 26 I. témakör: Térfogatos elemzés, titrimetria ..............................................................................26 1. Étkezési ecet ecetsavtartalmának meghatározása ............................................................. 26 2. Oxálsavoldat koncentrációjának meghatározása ................................................................ 27 3. Réz(II)-ionok koncentrációjának meghatározása jodometriásan .......................................... 28 II. témakör: Szerves kémia ....................................................................................................30 4. Kísérletek etil-alkohollal ................................................................................................. 30 5. Glicerin ........................................................................................................................ 32 6. Aceton ......................................................................................................................... 35 7. Kísérletek egyéb karbonsavakkal .................................................................................... 37 8. Szénhidrátok ................................................................................................................ 39 9. Fehérjék ...................................................................................................................... 42 10. Szalicilsav jellemzői, aszpirin előállítása ......................................................................... 43 Fogalomtár ........................................................................................................................... 46 Irodalomjegyzék .................................................................................................................. 49 Ábrajegyzék ......................................................................................................................... 50
Biológia Témakör: Típusállatok boncolása Az elméleti órákon megismert állatcsoportok közül a gyűrűsférgek, az ízeltlábúakon belül a rovarok, valamint a gerincesek törzséből a halak testfelépítését ismételjük át egy-egy jellemző típusállat boncolásán keresztül. Fenti csoportokat a földigiliszta, a konyhai csótány, illetve a ponty képviseli. A boncolások során használt eszközök az alábbi fényképen láthatók.
1. ábra
1. Földigiliszta boncolása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A földigiliszta a gyűrűsférgek törzsének típusállata, rendelkezik azokkal az anatómiai és élettani jellemzőkkel, amelyekkel az állatcsoport bemutatható. A gyakorlaton szükség van a már elsajátított elméleti ismeretekre az állat különböző szervrendszereinek felépítéséről és működéséről, hiszen a boncolás során ezeket keressük meg, illetve azonosítjuk. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Élő földigiliszta egy példánya, 10%-os etil-alkohol. Bonctál, gombostűk, csipesz, olló, szike, bontótű, esetleg gumikesztyű, nagyító. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Párokban dolgozzunk! A gyakorlaton éles, hegyes eszközöket használunk, vigyázzunk kezünk épségére! A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 1. Az élő állat megfigyelése Ujjunkat húzzuk végig az állat háti oldalán! Milyen a tapintása? Miért? ________________________ __________________________________________________________________________________ Hogy nevezzük a testet felépítő egységeket? ___________________________________________ __________________________________________________________________________________ Tegyük a földigilisztát papírlapra, figyeljük meg a mozgását! Mi felelős ezért? __________________ __________________________________________________________________________________ Mely szövetek építik fel a mozgás szervrendszerét? Nevezd meg a szövetrétegeket! ____________ __________________________________________________________________________________ Hallunk-e hangot a földigiliszta mozgása közben? Ha igen, mi okozza? ________________________ __________________________________________________________________________________
2
2. Az állat külső bélyegeinek megfigyelése Tegyük az állatot 10%-os alkoholt tartalmazó főzőpohárba, és tartsuk a folyadékban 15 percig! Ezután mossuk le róla az alkoholt! Figyeljük meg az elölt állat külső bélyegeit! Vonalzóval mérjük meg az állat hosszát! Eredmény: ________ cm. Azonosítsuk a száj-, illetve végbélnyílást! A feji és farki véghez képest ezek milyen távolságra helyezkednek el? _________________________________ A nyereg az állat melyik testnyílásához esik közelebb? ___________________________________ Nagyítóval egyéb nyílásokat is találhatsz a földigilisztán: a háti oldalon háti pórusokat, míg a hasi oldalon az ivarszervek nyílásait:
a feji végtől számolva a 9-10. szelvényen az ondótartók nyílását,
a 14. szelvényen a női, a 15. szelvényen a hím ivarnyílásokat.
3. A földigiliszta boncolása
Az állatot a hasi oldalára bonctálba fektetjük, a feji és farki végétől néhány cm-re gombostűkkel letűzzük.
Középen a kültakarót csipesszel megfogva keresztirányban ollóval – nem túl mélyen – bevágjuk.
A metszésre merőlegesen, középen folytatjuk a bontást a feji és a farki vég felé. Ne vágjuk túl mélyen, megtartva ezzel a belső szervek épségét. A metszés mentén felnyitjuk az állatot.
Szikével átvágjuk a szelvények határhártyáit, így két oldalra kiteríthetjük a testfalat. Tűzzük ki több helyen gombostűvel!
Figyeljük meg az állat belső szervrendszereit! Használjuk a korábbi ismereteket is a földigiliszta testfelépítéséről!
Célszerű a további boncolást víz alatt végezni, így elkerüljük a belső szervek összetapadását.
A szájnyílástól a végbélnyílás felé haladva sorrendben a következő szervek/szervrendszerek láthatók:
Legfelül a keringési rendszer részei, a háti főér és az öt elülső, megvastagodott harántág láthatók. Mivel pulzálni képesek, hibásan a „szívek” nevet kapták. Miért hibás ez a kifejezés? ____________________________________________________________________________ (A hasi főérhez az emésztőrendszer eltávolításával férhetünk később hozzá.)
Alatta az emésztőrendszer: szájnyílás – szájüreg – garat – nyelőcső – begy – gyomor (az előbél utolsó szakasza) – középbél – utóbél.
Ivarszervek: a 9. szelvénytől a 14. szelvényig – a páros ondóhólyagok jól láthatók (háromlebenyűek), a herék (10. szelvény) és a petefészkek (13. szelvény) kisebbek, takarásban vannak.
A páros vesécskéket a szelvényhatárokon találjuk: a határt megelőző szelvénybe nyúlik át a csillós tölcsér, míg az elvezető csatorna a következő szelvényben helyezkedik el.
Az állat idegrendszerének központi része, az agydúc a szájüreg felett eddig is látható volt. Az emésztőrendszer óvatos kiemelésével tűnik elő az idegrendszer központjának másik része, a hasdúclánc (szelvényenkénti dúcpár, idegkötegekkel összekötve). A hasdúclánc a garat alatti dúcból indul, amely az agydúccal két idegrostkötegen át áll kapcsolatban, így kialakítva a garatideggyűrűt.
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Egészítsd ki az alábbi rajzot magyarázattal! Használhatod hozzá a boncolás leírását és természetesen a felboncolt állatot is. Az egyes szervek megnevezése mellett tüntesd fel azok funkcióját is az állat életműködéseiben (pl. szájnyílás – táplálékfelvétel)!
3
2. ábra
Név
Funkció
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.
2. Konyhai csótány boncolása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Az ízeltlábúak törzsén belül a rovarok osztályába tartozó konyhai csótány boncolásán keresztül láthatjuk az elméletben már ismert, tipikus rovartest-felépítést. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Konyhai csótány, 70%-os alkohol. Bonctál, gombostűk, csipesz, olló, szike, bontótű, nagyító vagy sztereomikroszkóp, esetleg gumikesztyű; fénymikroszkóp, tárgylemez, fedőlemez. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM A gyakorlaton éles, hegyes eszközökkel dolgozunk, vigyázzunk kezünk épségére! 4
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 1. Az állat külső bélyegei Az alkoholban megölt állatot helyezzük bonctálra, és figyeljük meg testfelépítésének külső jellemzőit! Mely egységek építik fel a testet? ___________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Mi a különbség ezek és a földigiliszta szelvényei között? __________________________________ __________________________________________________________________________________ Ezek közül melyek a rovarokra jellemző bélyegek? _______________________________________ __________________________________________________________________________________ Mi a különbség a lábak és a földigilisztánál látott serték között? _______________________________ __________________________________________________________________________________ Mérd le vonalzóval az állat hosszát! Eredmény: ________ cm. Mely érzékszervek találhatók az állat fején? Jegyezd fel ezek számát is! ______________________ __________________________________________________________________________________ Figyeld meg a csápok fejhez kapcsolódó tőízét: ez az egy íz mozgatható, a többit a testfolyadék tartja mereven. Emlékezz az összetett szemről tanultakra! Miből állnak az ezt felépítő egyszerű szemek? ___________ __________________________________________________________________________________ Keresd meg a száj- és végbélnyílást! A test melyik oldalán helyezkednek el? __________________ ______________________________________________________________________________ Mi látható a szájnyílás előtt? ___________________________________________________________ Mely testrészek kapcsolódnak a torhoz? Mennyi található ezekből? ___________________________ __________________________________________________________________________________ Figyeljük meg a csótányokra jellemző potrohfüggelékeket!
3. ábra
5
Az ábra segítségével döntsd el a vizsgált példány nemét! Indokold is döntésedet!
4. ábra
2. A csótány boncolása
Az állatot a háti oldalára fektetve – nagyító alatt – bonctűvel és csipesszel részeire szedjük a szájszerveket az ábrán látható módon. Ezeket ragasztószalaggal a munkafüzetbe ragaszthatjuk. A rágókkal együtt kiszabadíthatunk néhány izmot is. Melyik izomszövettípusba tartoznak ezek? Mi a jelentősége, hogy elkülönült, kiegyénült izmokkal történik az állat mozgása? _________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Ollóval távolítsuk el a szárnyakat és a lábakat, utóbbiak felépítését vizsgáljuk meg az alábbi ábra segítségével! Figyeljük meg a lábfej tapadókorongjait és karmocskáit is!
5. ábra
Ollóval vágjuk le a hártyás szárnyakat! Vizsgáljuk meg őket mikroszkóp alatt! Mit látunk? _____ ____________________________________________________________________________
Az állatot a hasi oldalával lefelé fordítjuk. Az utolsó előtti, háromszög alakú szelvényen át tűzzük le gombostűvel!
Óvatosan felemeljük a letűzés előtti szelvény kitinlemezét, majd az oldalsó lemezt kétoldalt hosszában ollóval felvágjuk. Így járunk el a többi oldallemezzel is, a fej felé haladva. A háti kitinlemezeket az őket egybekapcsoló kitinhártya miatt egyben fel tudjuk hajtani. Még ne távolítsuk el, mert folyadékot rétegezve az állatra esetleg megfigyelhető lehet a szív működése!
A háti oldalon először a szívet látjuk, a hozzá kapcsolódó artériával. Ha nem találjuk, keressük meg a levágott lemezek belső oldalán!
Csipesszel távolítsuk anyagcsereközpont)!
A további boncolást végezzük víz alatt!
el
a
testet
nagyrészt
6
kitöltő
zsírtestet
(tápanyagraktár,
Húzzuk ki oldalra, majd azonosítsuk az emésztőrendszer részeit! Ezek sorrendben: szájnyílás – szájüreg – nyelőcső – begy (nyelőcsőtágulat) – rágógyomor – középbél – utóbél (végbél a végbélnyílással).
Figyeljük meg az emésztőrendszerhez kapcsolódó képleteket: szájüregi szakaszon nyálmirigyek – gyomor és középbél határán vakbélágak (rövid, vastag csövek) – középbél és utóbél határán Malpighi-féle csövek (sárgás színű, vékony csövek).
Vágjunk le néhány vakbélágat, helyezzük tárgylemezre egy csepp vízbe, majd lefedve vizsgáljuk fénymikroszkóp alatt! A darabok felületén láthatjuk a dúsan elágazó légcsöveket, amelyek megfigyelhetők az állat testében mindenütt, ezüstös hálózatot alkotva.
A végbélnyílás környékéről indulva keressük meg az ivarszerveket, azonosítsuk részeiket!
o
Hímeknél: kétoldalt herék (2) – ondóvezetők (2) – középen nagy ondóhólyag (1) – párzószerv (a végbélnyílás környékén).
o
Nőstényeknél: petefészkek (2) – petevezetékek (2) – párzószerv (hüvely).
Közben láthatóvá válik a testen végighúzódó hasdúclánc, haladjunk rajta végig! A nyelőcső eltávolításával hozzáférhetünk a garatideggyűrűhöz, majd a fejben az agydúchoz. Próbáljuk megtisztítani, kipreparálni!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Egészítsd ki az alábbi rajzot magyarázattal! Használhatod hozzá a boncolás leírását és természetesen a felboncolt állatot is! Az egyes szervek megnevezése mellett tüntesd fel azok funkcióját is az állat életműködéseiben (pl. szájnyílás – táplálékfelvétel)!
6. ábra
7
Név
Funkció
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
7. ábra
Név
Funkció
15. 16. 17. 18.
8
3. Ponty boncolása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A gerincesek törzsén belül a halak osztályából típusállatunk a ponty, amelynek boncolása révén megismerhetjük a vízi gerincesek egyik tipikus képviselőjének testfelépítését. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Ponty. Bonctál, gombostűk, csipesz, olló, szike, bontótű. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM A gyakorlaton éles, hegyes eszközökkel dolgozunk, vigyázzunk kezünk épségére! A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 1. Az állat külső bélyegei A megölt állatot helyezzük bonctálra, és figyeljük meg testfelépítésének külső jellemzőit (testalak, pikkelyek, testnyílások, úszók, kopoltyúfedők, érzékszervek – szem, szaglógödör – oldalvonal)! 2. Az állat boncolása, a vágások sorrendje a) Ollóval vágjuk le a kopoltyúfedőt, majd vizsgáljuk meg a kopoltyúk szerkezetét! Figyeljük meg a kopoltyúíveket és a kopoltyúlemezeket!
8. ábra
b) A végbélnyílás előtt keresztirányú vágást ejtünk ollóval a hasfal közepén, majd ebből kiindulva a szájnyílásig felvágjuk azt. Ügyeljünk a belső szervek épségére, ne vágjunk túl mélyen! c) A vágás farok felőli végéből indulva folytassuk azt a hát irányában! Ívben a fej felé haladva – közben a testfalat felemelve kísérjük figyelemmel a belső szerveket – eljutunk a gerincoszlopig. d) Ekkor a gerincoszlop mentén a fej felé fordulva óvatosan haladunk tovább az ollóval, egészen a mellúszók vonaláig. e) Ezek mögött, a has felé zárjuk a vágás vonalát, elérve a hasi metszést. A testfalat levesszük (tompa eszközzel finoman letoljuk a hozzá tapadó szerveket). A kialakított „ablakon” keresztül folytathatjuk a munkát.
3. A törzs belső szerveinek vizsgálata Haladjunk az alábbi sorrendben!
A levágott testfalon (középtájon) keressünk egy csatornát! Melyik szerv része lehet? Mi ennek a funkciója? _________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Az
emésztőrendszerhez
az
oldalvonal
magasságában, 9
hosszirányban
futó
ivarszervek
eltávolításával férhetünk hozzá. A zsákra emlékeztető ivarmirigy vezetékét az alfelnyílás környékén átvágva a szervet eltávolítjuk. Az ivarszerv alapján állapítsuk meg az állat nemét! Hogy nevezzük az ivarmirigyet? ________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Az ivarszerv alatt, a fej irányában látjuk a soklebenyű, barna színű májat. Vigyázzunk a szerv épségére a benne található nagy vérmennyiség miatt! A májhoz a feji végén nagyméretű epehólyag kapcsolódik. A belek és a máj között óvatosan, tompa tárggyal végzett bontással (a szerveket összekapcsoló hashártyát nem vágjuk, csak óvatosan széthúzzuk) keresve megtalálhatjuk a vörös színű lépet is.
Az emésztőrendszert a vastag nyelőcső (fej irányában, világos színű szakasz) és a végbél átvágásával kivesszük a halból. Vizsgáljuk meg a részeit! Melyik szakasza hiányzik a bélcsatornának? Mi lehet ennek az oka? __________________________________________ ____________________________________________________________________________
Ollóval vágjuk át a mellúszóknál induló csontot! Mi a szerepe az állat mozgásában? Miért csak a mell- és hasúszókhoz tartozik ilyen? ____________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
A csontvégeket kétfelé húzva – közvetlenül a máj mellett – láthatóvá válik az állat szíve. Milyen alakú? Hány üreget azonosíthatunk? ____________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
A testből vért szállító véna betorkollásánál található a vénás öböl, majd a pitvar és a kamra. A kamrából izmos, hagymaszerű artériás tágulat juttatja a kopoltyú felé a vért. Figyeljük meg a kopoltyúartériákat is!
Vágjuk el szívhez kapcsolódó ereket, majd a szívet bonctálon nyissuk fel, figyeljük meg az üregeit!
Az úszóhólyagok vezetéke a garathoz kapcsolódik. Keressük ezt meg, vágjuk át, távolítsuk el a szervet! Mielőtt ezt megtesszük, vegyük észre, hogy az úszóhólyag egy ponton hozzánőtt a koponyaalaphoz. Mivel a halon nem találunk külső hallónyílást, a hal testét érő rezgéseket az úszóhólyag ezen az úton közvetíti a belső fülhöz – csontvezetés.
Figyeljük meg a háti oldalon elhelyezkedő sötétvörös veséket (2), keressük meg a belőlük kilépő húgyvezetékeket (2)!
4. A fej belső felépítésének vizsgálata
Vágjuk le az állat fejét, majd a koponyatetőre ollóval vágjunk nyílást! Így láthatóvá válik az agy. Az alábbi ábra alapján azonosítsuk az agy részeit!
9. ábra 10
Mellette belőle kilépő agyidegeket láthatunk, valamint a szemhez kapcsolódó szemmozgató izmok feltűnőek.
Boncoljuk ki a szemet (közben átvágjuk a látóideget is)! Mi jellemző az alakjára? Ebből melyik szemtípusra következtetünk? ____________________________________________________
Ollóval felvágva óvatosan kivehetjük belőle a gömb alakú szemlencsét. Helyezzük a munkafüzet szövegére! Mit tapasztalunk? _________________________________________________ ____________________________________________________________________________
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Egészítsd ki az alábbi rajzot magyarázattal! Használhatod hozzá a boncolás leírását és természetesen a felboncolt állatot is! Az egyes szervek megnevezése mellett tüntesd fel azok funkcióját is az állat életműködéseiben (pl. vese – kiválasztás)!
10. ábra
Név
Funkció
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
11
Fizika Bevezetés „Mondd el, és elfelejtem; mutasd meg, és megjegyzem; engedd, hogy csináljam, és megértem.” A következő mérés- és kísérletgyűjtemény azért született, hogy valóban műveljétek a fizikát, annak reményében, hogy pontosan megértsétek az egyes jelenségek működését. A mérés komoly dolog, mindegyik gyakorlatnak konkrét célja van. Ha betartjátok az utasításokat, megtanuljátok, hogy miként csinálják a nagyok. Lehetséges, hogy a kutatásokhoz is kedvet kaptok. Jó munkát!
I. témakör: Hőtani mérések BEVEZETŐ A hőtan olyan jelenségekkel foglalkozik, melyek lefolyásában és leírásában a hő és a hőmérséklet fontos szerepet játszik. Méréseink a hőtan nagy fejezetei közül a termometria, a termodinamika, a kalorimetria, valamint a halmazállapot-változások témaköréből származnak.
1. Folyadék fajhőjének mérése súrlódási kaloriméterrel ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Célunk a rendezett módon történő energiaközlés vizsgálata, annak mennyiségi ellenőrzése egy termodinamikai rendszerben. A termodinamika első főtétele alapján egy termodinamikai rendszer belső energiájának megváltozása egyenlő a termikus kölcsönhatás és a munkavégzés során közölt energiák összegével: ∆𝐸𝑏 = 𝑄 + 𝑊 . Olyan rendszert választunk vizsgálatunk során, ahol a termikus kölcsönhatást elhanyagolhatjuk, tehát csak a munkavégzés szerepel az energiaközlés során. A főtétel az alábbi formát veszi fel: ∆𝐸𝑏 = 𝑊. Jelen esetben a rendszeren végzett munka teljes egészében a belső energia növelésére fordítódik. A K hőkapacitású súrlódási kaloriméterbe ismert m tömegű, T1 hőmérsékletű, de ismeretlen c kapacitású folyadékot töltünk. Rajta W munkát végzünk, a hőmérséklete T2-re növekszik. Ekkor igaz a következő egyenlet: (𝑐 ∙ 𝑚 + 𝐾) ∙ (𝑇2 − 𝑇2 ) = 𝑊 . 𝑊
𝐾
Ebből kifejezhető az ismeretlen fajhő értéke: 𝑐 = 𝑚∙(𝑇 −𝑇 ) − 𝑚. 2
1
A súrlódási kaloriméter egy vízszintes tengely körül forgatható rézedény, melynek belsejébe folyadék tölthető, és annak hőmérséklete folyamatosan mérhető egy hőmérővel. Az edény falára kívülről vékony zsineget vagy rézfonal szalagot szokás csévélni néhány menettel, annak végére pedig m1 tömegű testet függesztünk (ez magától lecsúszna az edényről). Éppen ezért a rézszalag szabad végét ki kell kötni, és a forgatáskor ennek a kikötésnek lazának kell lennie, hogy kizárólag a csúszási kötélsúrlódás tartson ellent a terhelő tömegnek. A test ráfeszíti a fonalat/szalagot az edény falára, így az a forgatáskor rajta súrlódik. Olyan gyorsan kell tekerjük a kart, ami a tengelyt forgatja, hogy az m1 tömegű test mindig ugyanazon magasságban legyen.
1. ábra. Súrlódási kaloriméter 12
Egyenletes forgatáskor a kaloriméterre ható forgatónyomatékok vektori eredője nulla. Egyenlettel: 𝑀 = 𝑚1 ∙ 𝑔 ∙ 𝑟, ahol r a kaloriméter sugara. A kart n-szer körbeforgatjuk, eközben a rendszer szögelfordulása ∆𝜗 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛, a végzett munka pedig 𝑊 = 𝑀 ∙ ∆𝜗 = 𝑚1 ∙ 𝑔 ∙ 𝑟 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛. Az így közölt energia a súrlódásban disszipálódik, vagyis a belső energia növelésére fordítódik. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Súrlódási kaloriméter, mérleg, tolómérő, hőmérő, súlysorozat, ismeretlen fajhőjű folyadék, desztillált víz MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Megmérjük a súrlódási kaloriméter átmérőjét (d), tömegét (msk). Beletöltünk a nagyjából 40-45 gramm tömegű ismeretlen fajhőjű folyadékot, majd ismét megmérjük a tömeget. (Ebből mfolyadék pontosan kiszámolható.) A kalorimétert rögzítjük a tengelyre, majd rátekercseljük a zsineget/rézfonal szalagot, annyi menettel, hogy a végére függesztett 3 kg tömegű test a forgatás során egyensúlyban tudjon maradni. A munkavégzés (=forgatás) előtt leolvassuk a hőmérő állását. 50-100-150 fordulatot forgassunk a kaloriméter tekerőkarján, majd olvassuk le a rendszer új hőmérsékletét! A kaloriméter K értéke az eszköz leírásában található. TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Határozzuk meg a folyadék fajhőjét a három egymást követő méréssel azonos m1 esetén, majd végezzük el a kísérletet más m1 (=m1*) alkalmazásával is! mfolyadék [kg]
rkaloriméter [m]
n [db]
T1 [ C]
T2 [ C]
K [J/˚C]
m1 [kg]
cfolyadék [J/kg∙˚C]
T1 ˚ [ C]
T2 ˚ [ C]
K [J/˚C]
m1* [kg]
cfolyadék [J/kg∙˚C]
˚
˚
50 100 150
mfolyadék [kg]
rkaloriméter [m]
n [db] 50 100 150
A mért cfolyadék értéket hasonlítsuk össze az irodalmi értékkel!
2. A szilárd test fajhőjének meghatározása keverési kaloriméter segítségével ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Vizsgálatunk célja egy ismeretlen anyag fajhőjének meghatározása. A K hőkapacitású kaloriméterbe m1 tömegű, ismert c1 fajhőjű, T1 kezdeti hőmérsékletű folyadékot töltünk. Az ismeretlen c2 fajhőjű, m2 tömegű szilárd anyagot T2 hőmérsékletre melegítjük, majd a 13
kaloriméterben lévő folyadékba tesszük. Lemérjük a kialakuló közös Tk hőmérsékletet. A kalorimetria alapegyenlete szerint: |𝑄𝑙𝑒 | = |𝑄𝑓𝑒𝑙 | Ebből: 𝑐2 ∙ 𝑚2 ∙ (𝑇2 − 𝑇𝑘 ) = (𝑐1 ∙ 𝑚1 + 𝐾) ∙ (𝑇𝐾 −𝑇1 ) Az ismeretlen c2-re alakítva:𝑐2 =
(𝑐1 ∙𝑚1 +𝐾)∙(𝑇𝐾 −𝑇1 ) 𝑚2∙(𝑇2−𝑇
𝐾)
2. ábra. Keverési kaloriméter ANYAGOK, ESZKÖZÖK Ismert hőkapacitású keverési kaloriméter, ismeretlen fajhőjű szilárd test, digitális hőmérő, keverőpálca, mérleg, melegítőberendezés. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek.
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Megmérjük az ismeretlen fajlagos hőkapacitású szilárd test tömegét (m2). Megmérjük a kaloriméter tömegét szárazon, de tartozékaival együtt (mkaloriméter). A kaloriméterbe szobahőmérsékletnél kissé hidegebb vizet töltünk (mkaloriméter vízzel). Ismét lemérjük a kaloriméter tömegét (m1= mvíz = mkaloriméter vízzel – mkaloriméter). Lemérjük a víz/folyadék hőmérsékletét (T1). Rövid ideig várunk, hogy a kaloriméter felvegye ezt a hőmérsékletet. Mielőtt belehelyezzük a felmelegített szilárd testet a kaloriméterbe, lemérjük a test hőmérsékletét (T2). A test hőmérséklete magas (70-80 °C), fogóval fogjuk meg (vízfürdő segítségével oldjuk meg a test melegítését). A kaloriméterbe nyúló hőmérő segítségével – azt folyamatosan figyelve – olvassuk le a kialakuló közös hőmérséklet értékét (TK)! A kialakuló közös hőmérsékletet igyekezzünk a lehető legpontosabban leolvasni! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Három-három mérést végezve határozzuk meg a két különböző szilárd test fajlagos hőkapacitását! A mérési eredményeket átlagoljuk! I.
K
c1
[J/ᵒC]
[J/(kg∙ᵒC]
m1 [kg]
T1 [ᵒC]
1. 2.
4187
3.
14
m2 [kg]
T2
TK
c2
[ᵒC]
[ᵒC]
[J/(kg∙ᵒC]
II.
K
c1
[J/ᵒC]
[J/(kg∙ᵒC]
m1 [kg]
T1 [ᵒC]
m2 [kg]
T2
TK
c2
[ᵒC]
[ᵒC]
[J/(kg∙ᵒC]
1. 2.
4187
3.
Keressük meg a négyjegyű függvénytáblázatból, milyen anyagokat vizsgálhattunk! (I.) Az első anyag:______________ (II.) A második anyag:______________ Irodalmi értékek a fajlagos hőkapacitásokra: ____________________________ Vessük össze a mért adatokból számított eredményt az irodalmi értékkel, majd számoljuk ki, hány százalékos hibával dolgoztunk! __________________________________________________________________________________
3. A Boyle–Mariotte-törvény igazolása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Robert Boyle és Edme Mariotte a 17. században felismertek egy gáztörvényt; célunk ennek az igazolása. A törvény a következőt mondja ki: egy állandó tömegű gázrendszernél az állandó hőmérsékleten bekövetkező (izoterm) állapotváltozás során a gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó. A két mennyiség egymással fordítottan arányos. Egyenlettel kifejezve: 𝑝1 ∙ 𝑉1 = 𝑝2 ∙ 𝑉2 Az izoterm állapotváltozást kvázisztatikus állapotváltozásként közelítjük meg a kísérletünkben, mely „végtelenül” lassan megy végbe. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Kalibrált BoyleMariotte-készülék, milliméterpapír vagy Excell/Curve expert/Origin vagy egyéb ábrázolóprogram. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM A műszert tilos nagy túlnyomással terhelni (maximum 3 bar)! A mérés befejezését követően a bezárt gáz nyomását a szelep kinyitásával vissza kell állítani a normál légköri nyomásra. A műszer tartálya üvegből készült, ne tegyük ki hirtelen mechanikai hatásnak! A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Az ábrán látható műszer dugattyúját vigyük olyan pozícióba a menetes tengely segítségével, hogy a kezdeti térfogat a leolvasható skálán 17–18 „egység” körüli legyen! A mindenkori leolvasott térfogategységhez hozzá kell adni a korrekciós egységet ez 1 egység. (Tehát ha a térfogatot 17 egységnek olvassuk le, a táblázatba 18 egységet írunk.) Válasszunk ki egy jól leolvasható térfogatértéket, zárjuk el a szelepet! Olvassuk le a bezárt gáz nyomását! Ez optimális esetben 1 bar. Fokozatosan csökkentve a térfogatot, 0,1 bar (=10 000 Pa) változásonként írjuk le a gázrendszer térfogatát a hozzá tartozó nyomással! A mérést úgy hajtsuk végre, hogy összesen három térfogatadattal rendelkezzünk ugyanazon nyomásértékhez! Ezt követően átlagoljunk!
15
3. ábra. Boyle–Mariotte-készülék
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Készítsünk p–V grafikont milliméterpapíron, vagy ábrázoljuk az adatokat Excel, Origin, Curve expert program segítségével! p [bar]
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
V [egység]
Vátlag [egység] p·Vátlag
p [bar]
V [egység]
Vátlag [egység] p·Vátlag
Milyen képet ad az adatsor alapján készített grafikon? _______________________________________ __________________________________________________________________________________ Módosítottunk-e a bezárt gáz mennyiségén a folyamat során? _________________________________ Milyen arányosságot tapasztalunk a nyomás és hozzá tartozó térfogat között? ____________________ __________________________________________________________________________________ Mivel indokolod az előző állításodat?
____________________________________________________
__________________________________________________________________________________ Vonjuk le a következtetést a három utolsó állítás alapján! ____________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Készítsünk p–V grafikont milliméterpapíron!
16
II. témakör: Elektromosságtan BEVEZETŐ Ez a témakör a kísérleti fizika elektromosságtan fejezetéből kiválasztott méréseket tartalmazza. Az egyenárammal kapcsolatos ismereteket szeretnénk kibővíteni, pontosítani. Célunk, hogy az egyszerűbb áramkörök összeállítása és a bennük végzett mérés rutinná váljék.
4. Ellenállások kapcsolása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Célunk a soros és a párhuzamos kapcsolás törvényszerűségeinek vizsgálata és ellenőrzése előzetes elméleti ismeretek alapján, mérési adatok segítségével. Soros kapcsolás esetében két vagy több ellenállás láncát hozzuk létre úgy, hogy azok között áramleágazási pont nincs. Ekkor érvényes: I1 = I2 = … In és U = U1 + U2 + … + Un Ohm törvényét felhasználva a két előbbi egyenletből következik, hogy R eS = R1 + R 2 + … + R n , vagyis az eredő ellenállás tisztán soros kapcsolás esetében az egyes részellenállások összegével egyenlő. Párhuzamos kapcsolásról akkor beszélünk, ha azonos csomópontok közé két vagy több ellenállást kapcsolunk. Ebben az esetben: U = U2 = … Un és I = I1 + I2 + … + In 1 1 1 1 Ohm törvényével a két előbbi egyenletből következik, hogy R = R + R + … + R , vagyis az eredő eP
1
2
n
ellenállás reciproka tisztán párhuzamos kapcsolás esetében az egyes részellenállások reciprokösszegével egyenlő. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Különböző értékű ellenállások, feszültségmérők, áramerősség-mérő, áramforrás, tolóellenállás/potenciométer. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek.
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK I. mérés: Állítsuk össze a 4. ábra szerinti soros kapcsolást! Mérjük meg öt különböző potenciométer-állás esetében a feszültségeket és az áramerősségeket! A mérési adatokat foglaljuk táblázatba! R1, R2 és R3 legyen egymástól eltérő! A mérőműszereket helyesen kapcsoljuk be!
4. ábra. Ellenállások soros kapcsolása 17
II. mérés: Állítsuk össze az 5. ábra szerinti párhuzamos kapcsolást!
5. ábra. Ellenállások párhuzamos kapcsolása Mérjük meg öt különböző potenciométer-állás esetében a feszültségeket és az áramerősségeket! A mérési adatokat foglaljuk táblázatba! R1, R2 és R3 legyen egymástól eltérő!
III. mérés: Állítsuk ismét össze a soros kapcsolást, de most vezetékek segítségével hozzunk létre ekvipotenciális pontokat (rövidzárás A és C pontok, majd B és D pontok között)! Vizsgáljuk meg közösen ezekben az esetekben a mérőműszerek által mutatott értékeket! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK I. mérés: A soros kapcsolás adatai U1 [V]
U2 [V]
U3 [V]
3
U4 [V]
∑ 𝑈𝑖 [V] 𝑖=1
1 2 3 4 5
I [A]
𝑅1 [Ω]
𝑅2 [Ω]
𝑅3 [Ω]
𝑅
[Ω]
4 8 12 16 20
A táblázatban: 𝑅𝑛 =
𝑈𝑛 𝐼
Igazoljuk a soros kapcsolás törvényszerűségeit! ____________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ A sorosan kapcsolt ellenállásokra ___________________ erősségű áram jut. II. mérés: A párhuzamos kapcsolás adatai I1 [A]
I2 [A]
I3 [A]
I4 [A]
3
∑ Ii [A]
U [V]
i=1
1 2 3 4 5
R1 [Ω]
R2 [Ω]
R3 [Ω]
𝑅 [Ω]
12 12 12 12 12 𝑈
A táblázatban: 𝑅𝑛 = 𝐼
𝑛
Igazoljuk a párhuzamos kapcsolás törvényszerűségeit! ______________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 18
A párhuzamosan kapcsolt ellenállásokra _________________ nagyságú feszültség jut. Ebben az esetben a főág árama előállítható az egyes ágak áramának __________________________ Azonos R ellenállásokat felhasználva vegyes kapcsolással állítsuk elő a 0,75∙R, 1,5∙R, 0,7∙R eredő ellenállási értékeket! Számolj, rajzolj! Eredő ellenállások előállítása azonos nagyságú R részellenállásokból: ∙ ∙ ∙
= = =
Miként változik az áramerősség, a feszültség az aktuális kapcsolásban a rövidzáráskor? __________ __________________________________________________________________________________ Értelmezzük, milyen kapcsolás jött létre az egyes rövidzárak esetében! ______________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Számítsunk eredő ellenállásokat mindkét esetben Ohm törvényével! ________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________
5. Ohm törvénye – kis és nagy ellenállások mérése ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA 1827-ben Georg Ohm felismerte, hogy a fogyasztóban folyó áram erőssége egyenesen arányos a fogyasztó két vége közötti elektromos mezőt jellemző feszültség nagyságával (U ~ I). Célunk két fogyasztó ellenállásának és teljesítményének kiszámítása mért U feszültség és I áramerősség összetartozó értékpárjainak segítségével, kétféle kapcsolási módszer alapján, majd grafikonos ábrázolás összetartozó U–I értékpárokra. A „kis ellenállásokat” a 6., a „nagy ellenállásokat” a 7. ábra szerinti elrendezésben vizsgáljuk.
6. ábra. Kis ellenállások mérésének helyes kapcsolása
Az első kapcsolás esetében az Rx fogyasztón és a voltmérőn átfolyó áram erősségét együtt méri az 𝑈 ampermérő. Ezek alapján: 𝑅𝑥 = 𝐼−𝐼 . 𝑉
Ha Rx << RV, elhanyagolhatjuk a rajta átfolyó áramot, s az előbbi egyenlet a következő formát veszi 𝑈 fel: 𝑅𝑋 = 𝐼 , a teljesítmény egyenlete pedig: 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 .
7. ábra. Nagy ellenállások mérésének helyes kapcsolása 19
A második kapcsolás esetében a voltmérő együtt méri az ampermérőre és az Rx ellenállásra jutó 𝑈−𝑈 feszültséget. Ezek alapján: 𝑅𝑥 = 𝐼 𝐴 . Ha Rx >> RA, úgy elhanyagolhatjuk a rá jutó feszültséget, s előbbi 𝑈
egyenlet ismét a következő formát veszi fel: 𝑅𝑋 = 𝐼 , a teljesítmény egyenlete pedig: 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 . Dönteni az első és második kapcsolások között a következő alapján kell: 𝑅𝑥 < √𝑅𝐴 ∙ 𝑅𝑉 esetben az első, 𝑅𝑥 > √𝑅𝐴 ∙ 𝑅𝑉 esetben a második módszerrel mérhetünk pontosabban.
ANYAGOK, ESZKÖZÖK Változtatható egyenfeszültségű forrás 0–20 V feszültséghatárok között, kis ellenállású fogyasztó, nagy ellenállású fogyasztó, röpzsinórok/vezetékek, krokodilcsipesz/banándugós vezeték, multiméterek (áramerősség-mérő, feszültségmérő), milliméterpapír. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek.
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Állítsuk össze a fenti ábrákon látható kapcsolásokat (először a 6. ábra alapján dolgozunk, majd ha mindkét ellenállással végrehajtottuk az egyes lépéseket, akkor építsük össze a 7. ábra alapján az áramkört)! A feszültségforrás által biztosított értéket 0–20 V-ig változtassuk 2 V-os lépésenként, közvetlenül a tápegységgel, eközben a két műszer által mutatott értékeket foglaljuk a lenti táblázatba! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Az áramkör megfelelő összeállítását követően 10 különböző feszültséget kapcsolunk a körre a változtatható feszültségforrás segítségével, majd a 10 különböző összetartozó feszültség–áramerősség értéket rögzítjük a táblázatban. Az ellenállásokat előzőleg digitális mérőműszerrel meghatározzuk, csak ezután, a megfelelő méréshatárok beállítása után zárjuk az áramkört. A mért adatokból számítsuk ki az egyes ellenállások értékét, majd azok középértékét! Határozzuk meg, hány százalékos hibával mértünk! __________________________________________________________________________________ Az első kapcsolással mért adatok az első ellenállásra: 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
6.
7.
8.
9.
10.
U I[V] [A] R R[Ω] közép [Ω]
A második kapcsolással mért adatok az első ellenállásra: 1.
2.
3.
4.
5.
U I[V] [A] R R[Ω] közép [Ω]
A digitális műszerrel meghatározott ellenállásérték: _____________ 20
A mért ellenállás középértékének a digitális műszerrel meghatározott értéktől való eltérése: ____________________________________________________________________________ Az első kapcsolással mért adatok a második ellenállásra: 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
6.
7.
8.
9.
10.
U I[V] [A] R R[Ω] közép [Ω]
A 2. kapcsolással mért adatok a második ellenállásra: 1.
2.
3.
4.
5.
U I[V] [A] R R[Ω] közép [Ω]
A digitális műszerrel meghatározott ellenállásérték: _____________ A mért ellenállás középértékének a digitális műszerrel meghatározott értéktől való eltérése: __________________________________________________________________________________ A kapott U–I értékpárokat ábrázoljuk grafikonon az összes vizsgált ellenállás esetén! A grafikon tengelyének skálázásakor és az értékek jelölésekor a milliméterpapíron ceruzával dolgozzunk! A pontokat ne kössük össze egyesével, hanem illesszünk hozzá egyenest! Az egyik kiválasztott feszültség és áramerősség segítségével számítsuk ki a kapott fogyasztók teljesítményét! ______________________________________________________________________ Tapasztalataink szerint a mért áramerősség és a ________________ egymással egyenesen arányos. A mérés hibáját okozhatta: ____________________________________________________________ A kiválasztott ellenállás teljesítménye: ________________________ Az áramerősséget a feszültség függvényében milliméterpapíron ábrázoljuk!
6. LED karakterisztikájának mérése A VIZSGÁLAT CÉLJA
A LED-et mint speciális fényforrást vizsgáljuk. Célunk a hozzá tartozó I–U nyitóirányú karakterisztika meghatározása. ELMÉLETI ISMERETEK A félvezető dióda (LED) első közelítésben egyik irányban vezeti az áramot, a másik irányban nem. A diódán nyitó irányban átfolyó áram értékétől függően változik a diódán eső feszültség, miként a dióda ellenállása. Nyitó irányban bizonyos feszültséget elérve a dióda világít, kis dióda-feszültségváltozáshoz nagy áramváltozás tartozik. Záró irányban a dióda nem vezet áramot. Azonban a diódára kapcsolt feszültség ekkor sem haladhatja meg a letörési feszültséget, mely egy határérték, mert a dióda tönkremegy. Nyitó irányban kis dióda-feszültségváltozáshoz nagy áramváltozás tartozik. A dióda karakterisztikáján a diódán eső feszültségnek és a diódán átfolyó áramnak a nemlineáris kapcsolatát értjük. 21
ANYAGOK, ESZKÖZÖK LED, tápegység, 2 db multiméter, dugaszolós próbapanel, átkötő vezetékek, 1 db 300 Ω-os ellenállás, potenciométer, áramerősség-mérő, feszültségmérő, egyenáramú áramforrás, röpzsinórok, krokodilcsipeszek. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek.
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK A LED vizsgálata A diódával sorba kapcsolunk egy viszonylag „nagy”, jelen esetben 300 Ω-os ellenállást. A kapcsolást a 8. ábra mutatja. A bekötött ellenállással elérjük, hogy bár az áramkör tápfeszültségét durvább lépésekben változtatjuk a tápegység finomállító gombjának segítségével, a diódán átfolyó áramot finoman tudjuk változtatni. A diódával sorba kötött multiméterrel mérjük a diódán átfolyó áramot, egy másik multiméterrel pedig a diódán eső feszültséget.
8. ábra. LED-karakterisztika kapcsolási rajza TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK 1. Mért adatok táblázata, majd ebből a dióda karakterisztikája: Udióda [V]
iD [A]
A grafikonkészítéshez használhatunk milliméterpapírt vagy egyéb segédeszközt (Excel, Origin, Curve expert, Graph). A mérést közelítőleg a 0–6 V tápfeszültség-tartományban végezzük el, de ügyeljünk 22
arra, hogy az általunk bekötött diódán átfolyó áram ne haladja meg a 11 mA-t!
9. ábra. LED 2. Ha egy hagyományos izzót fordított polaritással kapcsolunk az egyenáramú körbe, az minden esetben világít. Figyeljük meg a következő képet, és a LED-del kapcsolatosan is fogalmazzunk meg egy „hasonló” mondatot! _________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________
7. Izzókarakterisztika mérése A VIZSGÁLAT CÉLJA
A hagyományos wolframszálas izzót vizsgáljuk. Célunk a hozzá tartozó I–U karakterisztikának a kimérése és egy referencia konduktív ellenálláséval való összevetése. ELMÉLETI ISMERETEK Az izzólámpa karakterisztikája nem lineáris, mivel a benne lévő izzószál felmelegszik, annak ellenállása nő. Tudjuk, hogy az izzószál fajlagos ellenállása függ a hőmérséklettől, ezért pedig az átfolyó áram felelős. Referenciaként egy konduktív ellenállás karakterisztikáját is felvesszük, amely ebben a feszültségtartományban szinte tökéletesen lineáris, tehát követi az Ohm-törvényt. A karakterisztika elkészítéséhez összetartozó feszültség- és áramerősség-mérést hajtunk végre, ahol a feszültség változtatását feszültségosztó beiktatásával valósítjuk meg. ANYAGOK, ESZKÖZÖK Izzó (6V, 2W), potenciométer, tápegység, 2 db multiméter, áramerősségmérő, feszültségmérő, egyenáramú áramforrás, röpzsinórok, krokodilcsipeszek, átkötő vezetékek, milliméterpapír MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek.
A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Az olyan áramköri elemek esetében, mint a konduktív ellenállás, valamint az izzólámpa, a közölt technikai adatok ismeretében mindig ki kell számolnunk az elemre kapcsolható maximális áramerősség és feszültség értékét. Az izzólámpa esetén a maximális feszültség rajta szerepel mint üzemi feszültség. Mivel két áramköri elemmel foglalkozunk (konduktív ellenállás és izzó), mindkét elemmel külön el kell végezni a mérést. Először az izzóval dolgozunk, majd a tápegység lekapcsolása és az új áramkör összeállítása után, a tápegység újbóli bekapcsolásával a folyamatot megismételjük a konduktív ellenállás/referenciaelem esetében. A méréshez szükséges kapcsolási rajzot az 10. ábra mutatja.
23
A feszültséget nulláról növeljük legalább 10-15 lépésben, közben figyeljük, hogy se a feszültség, se az áramerősség ne lépje át a kiszámolt határértéket! Az első pont a 0 V feszültség – 0 A áramerősség páros lesz a karakterisztikán.
10. ábra. Izzó és konduktív ellenállás karakterisztika kapcsolási rajza TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Rögzítsük a mért adatokat táblázatba, majd készítsük el belőle a karakterisztikákat: az összetartozó áram- és feszültségértékeket diagramba rajzoljuk fel milliméterpapíron, vagy használjuk segédeszközt (Excel, Origin, Curve expert, Graph)! A konduktív ellenállás és az izzó karakterisztikája szerepeljen egyben! Ukonduktív
Ikonduktív
[V]
[A]
Rkonduktív [Ω]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 24
Uizzó [V]
Iizzó
Rizzó
[A]
[Ω]
Az izzó ellenállása a hőmérséklet növelésével _________________________________ tendenciát mutat.
25
Kémia I. témakör: Térfogatos elemzés, titrimetria BEVEZETŐ – A TÉMAKÖR ÁLTALÁNOS ISMERTETÉSE A mennyiségi analízis feladata, hogy a minőségi elemzéssel kimutatott alkotórészek pontos arányáról adjon felvilágosítást. A mennyiségi analízis térfogatmérésen alapuló módszere a titrimetria. Ennek alapelve az, hogy a meghatározandó anyagot tartalmazó, ismert térfogatú oldatot ismert koncentrációjú mérőoldattal reagáltatjuk. A mérőoldat koncentrációjából és térfogatából kiszámítható az ismeretlen koncentráció. Titrimetriás mérés olyan esetekben végezhető eredményesen, ahol a meghatározás alapját képező reakció pillanatszerű gyorsasággal, teljes mértékben végbemegy, és a befejeződése egyértelműen jelezhető. A térfogatos elemzési módszerek közül jelen gyakorlatban sav-bázis és redoxi titrálásokat végzünk.
1. Étkezési ecet ecetsavtartalmának meghatározása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA Az acidimetria a sav-bázis titrálások (acidi-alkalimetria) azon csoportjába tartozik, amikor ismeretlen töménységű savnak ismert töménységű bázissal való meghatározását végezzük. A sav-bázis titrálások lényege az oldószer segítségével lezajló protoncsere. Vizes közegben alapegyenlete a következő folyamat: H3O+ + OH– = 2 H2O Az ecetsav gyenge sav, erős lúggal: nátrium-hidroxid-oldattal titráljuk. Ha gyenge savat erős bázissal titrálunk, a keletkezett só lúgosan hidrolizál, vagyis a titrálás végpontja lúgos tartományban lesz, az oldat pH-ja 8,87, ha a mérőoldat koncentrációja 0,1 mol/dm3. Tehát a titrálás végpontjának jelzésére olyan indikátort kell választani, aminek átcsapási tartománya lefedi ezt az értéket. Ez a fenolftalein lesz, aminek 8,0 és 9,8 pH-érték között van az átcsapási tartománya. A mérés során lehetőleg meg kell akadályozni, hogy szén-dioxid kerüljön a titrálandó anyagba, mert az zavarhatja a mérés pontosságát! ANYAGOK, ESZKÖZÖK 0,1 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-hidroxid mérőoldat, ismeretlen koncentrációjú ecetsav, fenolftaleinindikátor, kiforralt desztillált víz. Bunsen-állvány, büretta, bürettafogó, 100 ml–es mérőlombik, 10 ml–es hasas, kétjelű pipetta, 3 db Erlenmeyer-lombik, Bunsen-égő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Az ismeretlen ecetsavoldatból mérj 5 cm 3-t pipettával a 100 ml–es mérőlombikba, majd kiforralt és lehűtött desztillált vízzel töltsd jelig a lombikot! Az így elkészített törzsoldatot alaposan rázd össze, majd 10-10 cm3-t pipettázz Erlenmeyer-lombikba! Az oldatok térfogatát hígítsd desztillált vízzel 40 cm3-re, és 5-6 csepp fenolftalein indikátor hozzáadása után a NaOH-mérőoldattal a megjelenő rózsaszínig titráld! A végpont előtt az oldatot forrald ki! Az oldat színe maradjon meg a titrálás befejezése után 15-20 másodpercig! Három párhuzamos mérést végezz, és a fogyások átlagával számolj! 26
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Írd fel a titrálás alapját képező egyenletet! __________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mennyi nátrium-hidroxid egyenértékű egy mol ecetsavval? _____________________________ ____________________________________________________________________________
Írd fel a titrálás során mért fogyásokat! ____________________________________________ ____________________________________________________________________________
Képezd a számtani középértéküket! _______________________________________________ ____________________________________________________________________________
Tehát az átlagfogyás: V = __________________ cm3
1 cm3 0,1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH-oldat _____________ mol NaOH-t-ot tartalmaz.
Figyelembe véve, hogy az oldatot tízszeresre hígítottuk, az eredeti 10 cm 3 oldatunkban ___________ mol ecetsav volt.
Vagyis az ismeretlen oldat koncentrációja meghatározható.
Mekkora az eredeti ecetsavoldat koncentrációja mol/dm3–ben kifejezve? ____________________________________________________________________________
2. Oxálsavoldat koncentrációjának meghatározása ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A térfogatos mérések jelentős része oxidációs-redukciós reakción alapszik. Vagyis a redoxititrálások alapja egy elektronvándorlással járó kémiai folyamat. Redukálószereket oxidáló anyagokkal, oxidálószereket pedig redukáló hatású anyagokkal határozhatunk meg. A redoxi titrálások főbb csoportjai:
Permanganometria Kromatometria Bromatometria Jodometria
A következő két kísérletben egy kálium-permanganáttal és egy jóddal végzett meghatározás szerepel. Az első titrálásunk alapját a permanganátion redukciója képezi, ami a következő egyenlettel jellemezhető: MnO4– + 8 H+ + 5 e– = Mn2+ + 4 H2O A szükséges savas közeget híg kénsavval biztosítjuk. Az oxálsav és a kálium-permanganát között lejátszódó kémiai reakció szobahőmérsékleten lassú, de melegítéssel a reakció sebessége növelhető. Ugyancsak gyorsítja a folyamatot a reakcióban keletkező Mn2+-ionok katalizáló hatása is. Ezért a titrálás végpontja felé csak nagyon óvatosan szabad adagolni a mérőoldatot, hogy ne szaladjunk túl az ekvivalenciaponton. A titráláshoz külön indikátorra nincs szükség, mert a permanganátion ibolya színe az első csepp felesleg esetén jól láthatóan megjelenik. ANYAGOK, ESZKÖZÖK 0,02 mol/dm3 koncentrációjú kálium-permanganát mérőoldat, ismeretlen koncentrációjú oxálsavoldat, 20 m/m%-os kénsavoldat, desztillált víz. Büretta, Bunsen-állvány, bürettafogó, 100 ml–es mérőlombik, 10 ml-es hasas pipetta, 3 db Erlenmeyerlombik, Bunsen-égő. 27
MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Mérj az ismeretlen oxálsavoldatból 10 cm3-t hasas pipettával a 100 ml-es mérőlombikba, majd töltsd desztillált vízzel jelig a lombikot, és a törzsoldatot alaposan rázd össze! Ezután 10-10 cm3-t pipettázz Erlenmeyer-lombikba, és 5 cm3 kénsavoldattal savanyítsd meg az oldatokat! Fogd állványba a bürettát, öblítsd át a mérőoldattal, majd töltsd jelig! A titrálás folyamán az Erlenmeyer-lombik folyamatos rázogatása közben csepegtesd a mérőoldatot a lombikba! Az első néhány csepp hozzáadása után melegítsd fel az oldatot közel 70 oC-ra, de ne forrald, mert az oxálsav elbomlik! A végpont elérése előtt nagyon óvatosan, cseppenként adagold a mérőoldatot! Az ekvivalenciapontot a megjelenő halvány ibolyaszín jelzi, amelynek 2-3 percig meg kell maradnia. Három párhuzamos mérést végezz! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Egészítsd ki a következő, a titrálás alapját képező ionegyenletet! ___MnO4– + ___(COOH)2 + ___H+ = ___Mn2+ + __CO2 + ___H2O
Egy mol oxalátion ________ elektront ad le, miközben egy mol permanganátion _______ elektront vesz fel.
Tehát minden mol permanganátionra _________ annyi oxalátion fogy el.
Írd fel a titrálás során mért fogyásokat! ____________________________________________ ____________________________________________________________________________ Képezd a számtani középértéküket! _______________________________________________ ____________________________________________________________________________ Tehát az átlagfogyás: V = ____________ cm3.
1 cm3 0,02 mol/dm3 koncentrációjú kálium-permanganát-oldat _______ mol permanganátaniont tartalmaz.
_________ cm3 mérőoldat ___________ mol permanganátiont tartalmaz.
Ez azt jelenti, hogy a törzsoldat 10 cm3-e ______ mol oxálsavat tartalmaz.
Figyelembe véve, hogy az oldatot tízszeresére hígítottuk, az eredeti 10 cm3 oldatunkban ________ mol oxálsav volt. Vagyis az ismeretlen oldat koncentrációja meghatározható.
Mekkora az eredeti oxálsavoldat koncentrációja mol/dm3-ben kifejezve? ___________________ ____________________________________________________________________________
3. Réz(II)-ionok koncentrációjának meghatározása jodometriásan ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A jodometria oxidi-reduktometriás térfogatos oxidálószerek is könnyen oxidálják elemi jódig.
mennyiségi
meghatározás.
A
jodidiont
enyhébb
2I– ⇌ I2 + 2 e A jodidiontól az elektront az oxidáló közeg, a mérendő anyag veszi fel, a reakció savas közegben megy végbe. A fenti folyamatban kivált elemi jód oxidálószer, de természetesen csak a nála kisebb redoxipotenciálú anyagokat képes oxidálni. 28
Ebben az esetben az előző folyamat fordítottja megy végbe, a jód atom elektront vesz fel a reakciópartnerétől: I2 + 2e– ⇌ 2I– Mivel az első folyamatban kivált jód reagál a második folyamatban, ezért a második folyamat mennyiségi viszonyaiból következtethetünk az ismeretlen anyagmennyiségre, amely az első folyamatban szerepelt. A gyakorlatunkban a réz(II)-ionokat tartalmazó oldatból ecetsavas közegben, kálium-jodid hatására, réz(I)-jodid képződése mellett jód válik szabaddá. A kivált jódot titráljuk meg nátrium-tioszulfát mérőoldattal. A folyamat lényegét a következő két – a későbbiekben kiegészítendő – egyenlet mutatja meg: ___ Cu2+ + ___ I– = ___ CuJ + I2 I2 + ___ S2O32– = ___ I– + S4O62–
(1.) (2.)
ANYAGOK, ESZKÖZÖK Ismeretlen koncentrációjú réz(II)-szulfát-oldat, kálium-jodid, nátrium-tioszulfát-oldat, 10 m/m%-os ecetsav, tömény ammóniaoldat, keményítőindikátor, fenolftalein, desztillált víz. 100 ml-es mérőlombik, 10 ml-es hasas pipetta, 3 db Erlenmeyer-lombik, 3 db óraüveg, Bunsen-égő, vasháromláb, büretta, bürettafogó, Bunsen-állvány. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. A VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK A kapott, ismeretlen anyagot tartalmazó mérőlombikot töltsd fel desztillált vízzel jelig! Az így kapott törzsoldat 10 cm3-es részleteit pipettázd Erlenmeyer-lombikokba! A minták térfogatát desztillált vízzel kb. 50 cm3-re egészítsd ki, majd 3-3 cm3 10 m/m%-os ecetsavval elegyítsd! A reakcióelegyben oldj fel 1 g kálium-jodidot, a lombikot azonnal fedd le óraüveggel, tedd sötét helyre! 5 perc elteltével a kivált jódot 0,1 mol/dm3-es nátrium-tioszulfát mérőoldattal halványsárga színig titráld! A titrálás vége felé pár csepp 1 m/m%-os keményítőoldatot juttass a reakcióelegybe, és színtelenig titráld! A megtitrált oldatban fehér csapadék réz(I)-jodid található. TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Egészítsd ki a két egyenletet! Jelöld az oxidációs számokat is! ____ Cu2+ + ___ I– = ___ CuI + ___ I2
(1.)
____ I2 + ____ S2O32– = ____ I– + ____ S4O62–
(2.)
Írd fel a titrálás során mért fogyásokat! ____________________________________________ ____________________________________________________________________________
Képezd a számtani középértéküket! ________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Tehát az átlagfogyás: V = _______ cm3
Ha a mérőoldat 1 dm3-e 0,1 mol tioszulfátiont tartalmaz, akkor a fogyott mérőoldatban _______ mol tioszulfátion van.
Ez a második egyenlet alapján _______ mol jóddal egyenértékű.
Az első egyenlet alapján 1 mol jód _______ rézionnal egyenértékű.
Tehát az átlagfogyásunk _______ mol réz(II)-ion-tartalmat jelent, vagyis egy titrálás során ennyi mol réz(II)-ion volt a lombikban. 29
Figyelembe véve, hogy 100 ml oldatból vettünk ki 10 ml-t, az ismeretlen oldatban a réz(II)ionok anyagmennyisége _______ mol.
Számítsd ki, hogy hány gramm réz(II)-szulfátot tartalmazott az oldat! ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
II. témakör: Szerves kémia BEVEZETŐ – A TÉMAKÖR ÁLTALÁNOS ISMERTETÉSE A szerves kémia a kémiának az a külön ága, amely a szénvegyületek szerkezetének leírásával, fizikai és kémiai tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozik. Áttekintjük ezen anyagoknak a természetben és a mindennapokban való előfordulását, jelentőségét.
4. Kísérletek etil-alkohollal 4.1. Etanol kisózása ANYAGOK, ESZKÖZÖK 96%-os etil-alkohol, desztillált víz, kálium-karbonát. Kémcső, porcelántál, gyújtópálca. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
5 cm3 etil-alkoholt hígíts fel kétszeresére, majd önts belőle egy keveset porcelántálba! Közelíts hozzá égő gyújtópálcát!
A kémcsőben maradt alkoholhoz addig adagolj kálium-karbonátot, amíg a kémcső alján feloldatlan só nem marad! Alaposan rázd össze a kémcső tartalmát, majd a felső rétegből óvatosan vegyél ki keveset a porcelántálba, és ismét közelíts hozzá égő gyújtópálcát!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztalsz, ég-e a hígított oldat? ______________________________________________
Mit figyelhetsz meg a kémcsőben az összerázása után? ________________________________ ____________________________________________________________________________
Mit figyelhetsz meg a felső fázis meggyújtásakor? ____________________________________ ____________________________________________________________________________
Írd le a kémiai folyamat egyenletét! ____________________________________________________________________________
Írd fel az égés egyenletét! Számold ki a keletkezett hőmennyiséget, feltételezve, hogy abszolút alkohollal dolgoztál! Az alkohol sűrűsége: 0,789 g/cm3, a képződéshőket keresd ki a függvénytáblázatból! ___________________________________________________________
Számítsd ki, mennyi energia szükséges a 15 cm3 20 0C -os víz elpárologtatásához! ____________________________________________________________________________
30
4.2. Nátrium és etanol reakciója ANYAGOK, ESZKÖZÖK Etil-alkohol, nátrium, fenolftalein-oldat. Kémcső, kémcsőállvány, csipesz, gyújtópálca, óraüveg, vízfürdő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Fél kémcsőnyi etil-alkoholba csipesszel dobj kérgétől előzetesen megtisztított és leszárított nátriumdarabkát! Tarts a kémcső szájához égő gyújtópálcát!
Ha a nátrium elreagált, öntsd az óraüvegre a folyadék egyharmadát, és párold szárazra vízfürdőn!
A keletkezett szilárd anyagból készítsd desztillált vizes oldatot, és fenolftaleinnel vizsgáld meg a kémhatását!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztalsz, mi lehet a fejlődő gáz? Hogyan bizonyítjuk ezt? __________________________
________________________________________________________________________________
Írd fel az alkohol és a nátrium reakcióját leíró kémiai egyenletet!
________________________________________________________________________________
A keletkezett nátrium-etilát oldódott vízben. Ebből mire következtethetünk? Milyen szerkezete van a vegyületnek? ____________________________________________________________
Milyen kémhatást jelez a fenolftalein? Indokold meg! __________________________________
_______________________________________________________________________________
4.3. Az alkoholos hidroxilcsoport bázikusságának bemutatása ANYAGOK, ESZKÖZÖK Butil-alkohol, desztillált víz, tömény sósav, jód. 100 ml-es mérőhenger, vegyszeres kanál, fehér papírlap, főzőpohár. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Önts 20 cm3 alkoholt a főzőpohárba, oldj fel benne 1-2 szem jódkristályt, hogy az oldat világosbarna legyen! Önts a mérőhengerbe 30 cm3 vizet, óvatosan rétegezd rá az alkoholt! Fehér háttér előtt figyeld meg, hogy a butil-alkohol kevéssé oldódik vízben! Összerázás után újra figyeld meg! Ezután önts az oldathoz 30 cm3 koncentrált sósavat, és óvatosan rázd össze! Figyeld meg a változást!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Miért oldódik rosszabbul a butil-alkohol vízben, mint az etil-alkohol? ______________________ ____________________________________________________________________________
Az alkoholos hidroxilcsoport oxigénatomjának nemkötő elektronpárja datív kötéssel protont köt meg. Írd le a folyamat reakcióegyenletét! ____________________________________________________________________________ 31
Milyen szerepet tölt be ebben a reakcióban az alkohol? ________________________________
4.4. Etanol kondenzáló hatása ANYAGOK, ESZKÖZÖK 96%-os etil-alkohol, desztillált víz, telített kalcium-acetát-oldat. 100 ml-es főzőpohár, mérőhenger, üvegbot, porcelántál, gyújtópálca. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Önts a főzőpohárba 30 cm3 alkoholt, kevergetés közben adj hozzá 8 cm3 telített kalcium-acetátoldatot! A keletkezett anyagból tegyél 1 kanállal porcelántálba, és égő gyújtópálcával gyújtsd meg!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit figyelhetsz meg az oldatok összeöntésekor? ______________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen kötés alakulhat ki az alkoholos hidroxilcsoport és a vízmolekulák között? ____________ ____________________________________________________________________________
Mit nevezünk gélnek, illetve szol állapotnak? ________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
5. Glicerin ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A glicerin háromértékű alkohol. A többértékű alkoholokra jellemző, hogy molekuláik között hidrogénkötések alakulnak ki, és így molekulaasszociátumok jönnek létre a folyadékban. Ugyancsak hidrogénkötést tud létrehozni a glicerin a vízmolekulákkal is. Ez a másodrendű kötés magyarázza a glicerin nagy viszkozitását, higroszkópos viselkedését.
5.1. A glicerin viszkozitása ANYAGOK, ESZKÖZÖK Etil-alkohol, tintával megfestett desztillált víz, glicerin. 3 db kémcső, kémcsőállvány, 3 db gumidugó. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Tölts három számozott kémcsőbe sorrendben etil-alkoholt, tintával megfestett vizet és glicerint! Zárd le mindegyiket egy gumidugóval úgy, hogy maradjon a kémcsövekben egy levegőbuborék! Fogd a három kémcsövet két tenyered közé egymással párhuzamosan, és fordítsd át! Ismételd meg többször a műveletet, és hasonlítsd össze, milyen sebességgel halad a buborék az egyes kémcsövekben! 32
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Egészítsd ki a mondatot: A buborék leggyorsabban a(z) ______________________, leglassabban a(z) ________________ halad.
Milyen másodrendű kötés van az egyes folyadékok molekulái között? _____________________ ____________________________________________________________________________
Milyen feltételei vannak a fenti másodrendű kötés kialakulásának? _______________________ ____________________________________________________________________________
Magyarázd meg ez alapján a glicerin nagy viszkozitását! _______________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Hogy kapcsolódik a glicerinhez Alfréd Nobel neve? ____________________________________ ____________________________________________________________________________
5.2. A glicerin nedvszívó tulajdonsága ANYAGOK, ESZKÖZÖK Glicerin, víz. Szűrőpapír, olló. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Vágj egy szélesebb szűrőpapírcsíkot! Az egyik végére cseppents egy csepp vizet, a másik végére egy csepp glicerint! Tedd félre fél órára a szűrőpapírcsíkot, majd fél óra elteltével figyeld meg a változást!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztaltál fél óra elteltével? _________________________________________________ ____________________________________________________________________________
A glicerin higroszkópos anyag. Milyen szerkezeti magyarázatot találunk erre? _____________ ____________________________________________________________________________
Sorolj fel olyan alkalmazási területeket, ahol a glicerinnek ezt a nagy nedvszívó képességét hasznosítják! ______________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Nézz utána, miért használható a glicerin hashajtóként! ________________________________ ____________________________________________________________________________
Keresd meg az interneten, mit jelöl az élelmiszereken az E 422! _________________________ ____________________________________________________________________________
33
5.3. Vizes glicerinoldat fagyáspontjának vizsgálata ANYAGOK, ESZKÖZÖK Glicerin, desztillált víz, konyhasó, jég. 2 db kémcső, kémcsőállvány, mérőhenger, nagy főzőpohár, hőmérő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 5 cm3 glicerinhez adj egy kémcsőben 8 cm3 desztillált vizet, egy másik kémcsőbe önts ugyanakkora térfogatú desztillált vizet! Mindkét kémcsövet állítsd pár percre a főzőpohárba elkészített hűtőkeverékbe! (A hűtőkeveréket jégből és konyhasóból készítsd el! Törj össze 100 g jeget, adj hozzá 33 g konyhasót, alaposan keverd össze!) Figyeld meg a kémcsőbe töltött oldatokban végbement változást! Mérd meg a hűtőkeverék hőmérsékletét! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Milyen változást figyeltél meg a két kémcsőben? _____________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi az oka annak, hogy az oldat alacsonyabb hőmérsékleten fagy meg, mint a tiszta glicerin? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
5.4. A glicerin oxidálása ANYAGOK, ESZKÖZÖK Glicerin, kálium-permanganát, króm-trioxid. 2 db vaslap, kerámialapos drótháló, Bunsen-égő, vegyszeres kanál, gyújtópálca. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanári, demonstrációs kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
A fémtálba cseppentsünk pár csepp glicerint, majd közelítsünk hozzá égő gyújtópálcával!
Szórjunk a vaslap közepére 4-5 g kálium-permanganátot, csináljunk a közepére egy kis bemélyedést, és cseppentsünk oda 1 cm3 glicerint!
Vaslap közepére halmozzunk fel 5-6 kanálnyi frissen készített króm-trioxidot! A közepébe készített bemélyedésbe csöpögtessünk 15-20 csepp glicerint, majd tartsunk fölé égő gyújtópálcát!
Figyeljük meg a változást!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztalsz, meg lehet-e gyújtani a glicerint? _____________________________________
Mit figyelhetsz meg a második reakcióban? __________________________________________
____________________________________________________________________________
A kálium-permanganát erélyes oxidálószer, amelynek hatására a glicerin az alábbi egyenlet szerint elég. Rendezd az egyenletet! __ KMnO4 + __ C3H8O3 = __ K2MnO4 + __ MnO2 + __ CO2 + __ H2 O
Mit figyelhetsz meg a harmadik kísérletben? Ezek szerint a redoxi reakcióban miként viselkedik 34
a króm-trioxid? _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
6. Aceton ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A ketonok olyan oxovegyületek, amelyekben a funkciós csoport láncközi szénatomhoz kapcsolódik. A karbonilcsoport erős polározottságának következtében erős dipólus-dipólus kölcsönhatás lép fel a molekulák között. A láncközi karbonilcsoport nehezebben oxidálható, mint a formilcsoport, a ketonok csak erős oxidálószerek hatására oxidálódnak lánchasadás közben.
1. ábra
6.1. Aceton előállítása izopropil-alkoholból ANYAGOK, ESZKÖZÖK Izopropil-alkohol, réz(II)-oxid. Kémcső, kihúzott végű üvegcső, kémcsőfogó, Bunsen-égő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Tegyél száraz kémcső aljára félgrammnyi réz(II)-oxidot, majd csepegtess rá 12-15 csepp izopropilalkoholt! A kémcsőfogóba erősített kémcsövet ferdén tartva hevítsd erősen! Figyeld meg alaposan, milyen változások történnek! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Írd le, milyen változásokat látsz! __________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen szagot érzünk? Honnan lehet ez számunkra ismerős? ____________________________ ____________________________________________________________________________
Írd fel az izopropil-alkohol oxidációjának reakcióegyenletét! _____________________________ ____________________________________________________________________________
Hányadrendű szénatomhoz kapcsolódik az oxocsoport az aldehidekben és a ketonokban? _____ ____________________________________________________________________________
6.2. Az aceton mint oldószer ANYAGOK, ESZKÖZÖK Aceton, celluloid, vatta, PVC-darabka, körömlakk, desztillált víz, benzin. 5 db kémcső, kémcsőállvány, üvegbot, falap. 35
MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. A kísérleteket nyitott ablak mellett végezzük! VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Önts mind az öt kémcsőbe 5-5 cm3 acetont! Tégy az elsőbe kevés PVC-forgácsot, a másodikba önts körömlakkot, a harmadikba megfestett vizet, a negyedikbe pedig benzint! Rázd össze a kémcsövek tartalmát, és figyeld meg a változást!
Az ötödik kémcsőbe szórj apróra vágott celluloidot, egészen addig, míg az oldat sűrűn folyós lesz! Márts az oldatba kisebb vattacsomót, és kend be vele a falapot!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztalunk, mi történik az acetonba helyezett anyagokkal? ________________________ ____________________________________________________________________________
Hogyan magyarázhatjuk ezt az aceton szerkezetével? _________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi történik a falapra vitt anyaggal? ________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi a dukkózás? _______________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
6.3. Aceton oxidálása kálium-permanganáttal ANYAGOK, ESZKÖZÖK Aceton, elporított kálium-permanganát, 2 mol/dm3 kénsavoldat. Kémcső, kémcsőállvány, kémcsőfogó, Bunsen-égő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Önts a kémcsőbe 1 cm3 acetont, adj hozzá 4-5 cm3 2 mol/dm3-es kénsavoldatot! Ezután kis részletekben adagolj hozzá az elporított kálium-permanganátból! Az oldat enyhe melegítése közben addig adj hozzá kálium-permanganátot, amíg az oldat tartósan ibolyaszínű lesz! Az oldatot forrásközeli állapotig melegítsd! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Milyen szagot érzel a melegítés során? ____________________________________________ ___________________________________________________________________________
A ketonok csak erélyes körülmények között oxidálódnak. Írd fel az aceton oxidálásának egyenletét! __________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________
6.4. Aceton reakciója jóddal ANYAGOK, ESZKÖZÖK Aceton, kálium-jodidos jódoldat, telített kálium-hidroxid-oldat, 1:1 hígítású sósav, desztillált víz. 2 db kémcső, kémcsőállvány, üvegbot, szemcseppentő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM 36
Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Mindkét kémcsőbe tölts 3-3 cm3 desztillált vizet, majd mindkettőbe cseppents 5 csepp kálium-jodidos jódoldatot és ugyanannyi kálium-hidroxid-oldatot! Üvegbottal megkeverve a kémcsövek tartalmát, figyeld meg a színváltozást! Ezután az első kémcsőbe csöpögtess 5-6 csepp acetont, figyeld meg a változást! Végül mindkét kémcsőbe 5-5 csepp sósavat önts! Jegyezd fel a tapasztaltakat! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mi történik a jóddal lúgos közegben? Írj reakcióegyenletet is! ___________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Hogyan befolyásolja a kémiai egyensúlyt a sav hozzáadása? Milyen színváltozás lesz ennek a következménye? ______________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Írd fel a jodoform képződésének egyenletét! ____________________________________________________________________________
7. Kísérletek egyéb karbonsavakkal ELMÉLETI ISMERETEK, A VIZSGÁLAT CÉLJA A karbonsavak azok a szénvegyületek, amelyek molekulájában karboxilcsoportot találunk. Az összetett funkciós csoport erősen poláris, és hidrogénkötés kialakítására is képes. A karbonsavak fizikai és kémiai tulajdonságai e szerkezeti vonásokból levezethetők. Ebben a kísérletsorozatban különböző, a mindennapokban fontos karbonsavakat vizsgálunk.
2. ábra
7.1. Egyszerű kísérletek zsírsavakkal ANYAGOK, ESZKÖZÖK Sztearinsav, olajsav, desztillált víz, etil-alkohol, toluol, fenolftalein-oldat, 1 m/m%-os nátrium-hidroxidoldat, szappanforgács, 2 mol/dm3-es sósav, brómos víz. 7 db kémcső, kémcsőállvány, üveglap. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
3 kémcsőbe önts rendre 4 cm 3 desztillált vizet, etil-alkoholt és toluolt! Mindegyik kémcsőbe dobj borsónyi sztearinsavat, és rázogasd! Az etil-alkoholos oldathoz adj 2 csepp fenolftaleint, majd csepegtesd hozzá a nátrium-hidroxidoldatot! A negyedik kémcsövet töltsd félig nátrium-hidroxid-oldattal, dobj bele borsónyi sztearinsavat, 37
figyeld a változást, majd az oldatot erősen rázd össze! Fél kémcsőnyi desztillált vízben oldj fel szappanforgácsot, az oldathoz adj 1-2 cm3 sósavat! Figyeld meg, mi történik, majd adj hozzá 4-5 cm3 toluolt, és rázd össze! Két kémcsőbe önts 5 cm3 toluolt, majd az egyikben kevés olajsavat, a másikban borsónyi sztearinsavat oldj fel! Ezután mindkettőhöz önts 3-4 cm3 brómos vizet, és rázd össze!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
A sztearinsav _____________-ben nem, _________-ban gyengén, _________________-ban jól oldódik.
Milyen színváltozás figyelhető meg a második kémcsőben? Mit jelent ez? _________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen változás megy végbe a negyedik kémcsőben? Írj egyenletet! ______________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen változás figyelhető meg az ötödik kémcsőben a sósav hozzáadása után? Mi történik a toluol hatására? Miért? _______________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen különbséget tapasztalsz a két oldat viselkedésében? Mi ennek a magyarázata? Írj egyenletet is! ________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
7.2. Oxálsav reakciója kálium-permanganáttal ANYAGOK, ESZKÖZÖK Oxálsav, kálium-permanganát, víz. Kémcső, gyújtópálca, szemcseppentő, vegyszeres kanál. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Száraz kémcsőben keverj össze 0,5 g kálium-permanganátot és ugyanennyi oxálsavat! Kis várakozás után csepegtess a kémcsőbe 2-3 csepp vizet! Tarts a kémcső szájához égő gyújtópálcát! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Milyen anyagokat nevezünk kétértékű karbonsavaknak? _______________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen változás tapasztalható az anyagok összekeverése és a víz hozzáadása után? _________ ____________________________________________________________________________
Milyen szerepet tölt be a víz a reakcióban? _________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen anyag jelenlétét bizonyítja, hogy elalszik a gyújtópálca? _________________________ ____________________________________________________________________________
Írd le a folyamat reakcióegyenletét! 38
____________________________________________________________________________
Hol hasznosítják az analitikai kémiában ezt a folyamatot? _____________________________ ____________________________________________________________________________
7.3. Pezsgőpor készítése ANYAGOK, ESZKÖZÖK Borkősav, nátrium-hidrogén-karbonát, víz. Porcelánmozsár törővel, vegyszeres kanál, nagyobb főzőpohár. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 1 g borkősavat és ugyanennyi nátrium-hidrogén-karbonátot poríts el porcelánmozsárban! Öntsd át a száraz főzőpohárba, és adj hozzá 10 cm3 vizet! Mutasd ki a keletkezett gázt! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Csak mikor következik be változás a pohárban? _____________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi lehet a bekövetkező változás magyarázata? ______________________________________ ____________________________________________________________________________
Végezzük el a kísérletet odahaza úgy, hogy kevés kristálycukrot is adunk a keverékhez!
8. Szénhidrátok 8.1. Répacukor invertálása ANYAGOK, ESZKÖZÖK Kristálycukor, desztillált víz, 2 mol/dm3 koncentrációjú sósav, nátrium-hidroxid-oldat, Fehling I.-oldat, Fehling II.-oldat. 2 db kémcső, kémcsőállvány, kémcsőfogó, Bunsen-égő, vegyszeres kanál, főzőpohár. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Főzőpohárban 10 cm3 desztillált vízben oldj fel 1 gramm kristálycukrot, majd felezd meg az oldatot! Az egyik és a másik kémcsövet is töltsd félig az oldattal! Az egyik kémcsőbe öntött oldattal végezd el a Fehling-próbát!
Az oldat másik feléhez adj 8-10 csepp sósavat, és forrald az oldatot 2 percig! Hűtsd le, majd 10 csepp nátrium-hidroxid-oldattal lúgosítsd meg az oldatot, ezután végezd el vele a Fehlingpróbát!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Mit tapasztalsz az első kémcsővel végzett kísérlet során? ______________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen típusú szénhidrát a répacukor? _____________________________________________ ____________________________________________________________________________ 39
Mit jelent a glikozidos hidroxilcsoport fogalma? ______________________________________ ____________________________________________________________________________
Mit figyelhetsz meg a második kémcső esetén? _______________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi történik a répacukorral, ha savanyítás után felmelegítjük? ___________________________ ____________________________________________________________________________
Mikor jut több energiához a szervezet: ha 250 gramm szőlőcukrot vagy ugyanennyi répacukrot éget el? A képződéshőket a függvénytáblázatból keresd ki! _________________________ ____________________________________________________________________________
8.2. Répacukor reakciója kalcium-hidroxiddal ANYAGOK, ESZKÖZÖK Kristálycukor, desztillált víz, oltott mész, szén-dioxid. 100 ml-es Erlenmeyer-lombik, üvegbot, 2 db kémcső, kémcsőfogó, kémcsőállvány, Bunsen-égő, kihúzott végű üvegcső, tölcsér, szűrőpapír. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
A 100 ml-es Erlenmeyer-lombikban oldj fel 4 g répacukrot 16 cm3 desztillált vízben! Az oltott mészből készíts mésztejet úgy, hogy spatulahegynyi égetett mészhez annyi vizet tölts, hogy tejhez hasonló sűrűségű szuszpenziót kapj! Adj a cukoroldathoz néhány csepp mésztejet! A mésztej kezdetben feloldódik a cukoroldatban. Fokozatosan addig adagold a mésztejet, amíg a hozzáadott mésztej már huzamosabb rázogatásra sem oldódik fel! Ezután szűrd meg az oldatot, majd a szűrletet felezd meg a két kémcső között!
Az egyik kémcső tartalmát melegítsd fel forrásig, és figyeld meg, mi történik vele!
A másik kémcsőben levő oldatba vezess szén-dioxid-gázt, és figyeld meg a változást!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Az oltott mész és a cukor reakciójakor vízben oldódó mono- és diszacharid keletkezik.
Mi történt a szűrlettel a melegítés hatására? ________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mit figyelhettél meg a második kémcsőben a szén-dioxid-gáz bevezetése után? ____________________________________________________________________________
8.3. Néhány anyag cukortartalmának kimutatása ANYAGOK, ESZKÖZÖK Sárgarépa, barna sör, almalé, tejcukor, tej, desztillált víz, ecetsav és nátrium-hidroxid-oldat, Fehling I.- és Fehling II.-oldat. Bunsen-égő, tölcsér, szűrőkarika, szűrőpapír, 10 ml-es mérőhenger, reszelő, üvegtál, 7 db kémcső, kémcsőállvány, kémcsőfogó. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 40
Sárgarépából vágj vékony szeleteket, és kémcsőbe téve, desztillált víz hozzáadásával forrald 34 percig! Szűrd le és hűtsd le az oldatot! Ezután a tálcán található reagensek segítségével végezd el a Fehling-próbát!
Önts kémcsőbe 5 cm3 barna sört, majd végezd el vele a Fehling-reakciót! Figyeld meg a tapasztalatokat!
Reszelj le egy gerezd almát, majd erőteljesen nyomkodva préseld ki a levét! Desztillált vízzel hígítsd fel, és végezd el vele a Fehling-próbát!
Tégy morzsányi tejcukrot kémcsőbe, oldd fel kevés desztillált vízben, majd végezz vele Fehlingpróbát!
Önts kémcsőbe 6-8 cm3 tejet, adj hozzá 1-2 csepp ecetsavat, ezután forrald egy-két percig a folyadékot, hűtsd le és szűrd le! A szűrletet nátrium-hidroxid-oldattal lúgosítsd meg, és végezd el vele a Fehling-próbát!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK Töltsd ki a táblázatot! Vizsgált minta
Sárgarépalé
Barna sör
Almalé
Tejcukor
Invertált tej
Fehlingreakció
Mit figyelhettünk meg: pozitív volt-e Fehling-reakció az első kísérletben? Mire következtethetünk ebből? ______________________________________________________________________
Mit tapasztaltunk a barna sör Fehling-reakciójában?___________________________________
Milyen szénhidrát található a barna sörben? ________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen típusú diszacharid a barna sör szénhidrátja?__________________________________
Milyen cukor jelenlétére utal az almalével végzett pozitív Fehling-próba? ________________ ____________________________________________________________________________
Mit jelez a tejcukor pozitív Fehling-próbája? ________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen monoszacharidokból épül fel a tejcukor? Rajzold fel a szerkezeti képletét! ____________________________________________________________________________
Milyen módon kapcsolódnak ezek a monoszacharidok diszachariddá? ____________________ ____________________________________________________________________________
Nézz utána az interneten, mit jelent a laktózérzékenység! ______________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 41
9. Fehérjék 9.1. Formaldehid hatása fehérjékre ANYAGOK, ESZKÖZÖK Tömény formaldehid, tojásfehérje-oldat. Kémcső. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet, kesztyű és védőszemüveg használata kötelező! VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Kémcsőbe tölts kétujjnyi tojásfehérje-oldatot, majd adj hozzá 4-5 cm3 tömény formaldehidet, és alaposan rázd össze! Figyeld meg, mi történik! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Írd le a tapasztalatodat! ______________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Miért nevezzük a formaldehidet sejtméregnek? ___________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen gyakorlati felhasználást tesz lehetővé a formaldehidnek ezen tulajdonsága? ______ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Nézz utána, milyen anyag a retinal, és milyen élettani szerepe van! __________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
9.2. Fehérjebontás pepszinnel ANYAGOK, ESZKÖZÖK Hígított tojásfehérje, 5 m/m%-os sósav, pepszinoldat. Tölcsér, vatta, 4 db kémcső, kémcsőállvány, főzőpohár, vasháromláb, kerámialapos drótháló, Bunsen-égő, hőmérő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Tölts 4 kémcsőbe az előző kísérletben használt hígított tojásfehérje-oldatból 5-5 cm3-t! Tedd a kémcsöveket forró vízfürdőbe, és várd meg, míg a fehérje koagulál, majd hűtsd le a kémcsöveket!
Az első kémcsőbe önts 5 cm3 desztillált vizet, a másodikba 4 cm3 desztillált vizet és 1 cm3 sósavat, a harmadikba 5 cm3 frissen készített pepszinoldatot, az utolsóba 4 cm3 pepszinoldatot és 1 cm3 sósavat!
Mind a négy kémcsövet tedd 42 oC-os vízfürdőbe öt percre! A vízfürdőből kivéve a kémcsöveket, figyeld meg a bennük lévő fehérjék állapotát! 42
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Melyik kémcsőben történt változás a koagulált fehérje állapotában? _____________________ ____________________________________________________________________________
Milyen közeg uralkodott abban a kémcsőben, amelyben a változás bekövetkezett? __________ ____________________________________________________________________________
Milyen biológiai szerepe van ennek a folyamatnak? ___________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
A biológiai fehérjebontás során 1 g fehérje lebontásával 17 kJ energiához jut a szervezet. Határozd meg, hány gramm a napi fehérjeszükséglete egy 70 kg-os embernek, ha 1020 kJ energiára van szüksége! _______________________________________________________
9.3. Globulinok és albuminok kicsapása tejsavból ANYAGOK, ESZKÖZÖK Tej, 5 m/m%-os ecetsavoldat, 100 ml-es Erlenmeyer-lombik. Tölcsér, szűrőpapír, Bunsen-égő, kémcső, kémcsőfogó, kémcsőállvány. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK 100 ml-es Erlenmeyer-lombikba önts 25 cm3 nyers tejet, adj hozzá ugyanennyi vizet, majd addig csöpögtess hozzá ecetsavat, amíg észlelsz csapadékleválást! A csapadékos oldatot szűrd le! A csapadék a túrókazein néven ismert fehérje, a szűrlet pedig a tejsavó. Önts ki egy fél kémcsőnyit a szűrletből, majd melegítés közben figyeld a változást! TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Milyen hatás váltja ki a kazein kicsapódását? _______________________________________ ____________________________________________________________________________
Mitől koagulálnak a savóban levő fehérjék? _________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen térszerkezettel rendelkeznek az albuminok és a globulinok? ______________________ ____________________________________________________________________________
10. Szalicilsav jellemzői, aszpirin előállítása 10.1. Egyszerű kísérletek szalicilsavval ANYAGOK, ESZKÖZÖK Szalicilsav, desztillált víz, 2 mol/dm3 nátrium-hidroxid-oldat, sósav, 1 m/m%-os vas(III)-klorid-oldat, indikátorpapír. 4 db kémcső, kémcsőállvány, kémcsőfogó, vegyszeres kanál, Bunsen-égő. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. 43
VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK
Mind a négy kémcsőbe tegyél 0,5 g szalicilsavkristályt! Ezután az első kémcsövet enyhén melegítsd, és figyeld meg a kémcső felső, hidegebb falát! A második kémcsőbe önts 10 cm 3 desztillált vizet, és rázd össze az oldatot, tégy bele indikátorpapírt! Forrald fel, majd hűtsd le a folyadékot, figyeld a változást! A következő kémcsőbe levő szalicilsavra önts 3 cm3 nátrium-hidroxid-oldatot, majd rázd össze a kémcsövet, és figyeld meg, mi történik! Ezután önts a kémcsőbe 4 cm 3 sósavat! Az utolsó kémcsőbe önts 10 cm3 desztillált vizet, rázd össze, majd adj az oldathoz 1 cm 3 vas(III)-klorid-oldatot! Figyeld meg, mi történik!
TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Honnan származik a szalicilsav neve? ___________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mire használják a gyógyászatban a szalicilsav származékait? __________________________ ____________________________________________________________________________
Mit figyelhettünk meg az első kémcsőben? __________________________________________ ____________________________________________________________________________
Miért nevezzük szublimációnak? Sorolj fel példákat a jelenségre! _________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Hogy oldódik vízben (hidegben, melegben)? Milyen kémhatása van a szalicilsavoldatnak? ____ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Mi történik a harmadik kémcsőben? _______________________________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen színváltozást látunk az utolsó kémcsőben? (Az itt megfigyelhető színváltozás alkalmas a fenolos hidroxilcsoport kimutatására!) ___________________________________________ ____________________________________________________________________________
10.2. Aszpirin előállítása laboratóriumban ANYAGOK, ESZKÖZÖK Szalicilsav, ecetsav-anhidrid, tömény kénsav, etil-alkohol, jég, desztillált víz. 100 ml-es Erlenmeyer-lombik, 10 ml-es mérőhenger, 100 ml-es főzőpohár, szemcseppentő, vízfürdő, Büchner-tölcsér, szívópalack, üvegbot. MUNKAREND, BALESETVÉDELEM Tanulói kísérlet. Az általános balesetvédelmi szabályok érvényesek. VIZSGÁLAT LEÍRÁSA, MEGFIGYELÉSI SZEMPONTOK Szórj 6 g szalicilsavat Erlenmeyer-lombikba, önts hozzá 10 cm3 ecetsav-anhidridet, majd jól rázd össze a tartalmát! Adj hozzá 10 csepp tömény kénsavat, majd tedd a lombikot 5 percre forró vízfürdőbe! Ezután vedd ki a lombikot, önts bele 20 cm3 jeges vizet, állítsd jeges vízfürdőbe az edényt, időnként kevergesd meg üvegbottal a folyadékot! Öntsd le a folyadék tisztáját, ezután önts újabb 20 cm3 jeges vizet a lombikba, rázogasd a tartalmát, és a folyamat végén Büchner-tölcséren szűrd le a kristályokat! A kapott kristályos fehér anyagot tedd a 100 cm3-es főzőpohárba, önts rá 20 cm3 etil-alkoholt, melegítsd az oldatot vízfürdőn, majd adj hozzá 50 cm3 60 oC-os desztillált vizet! Tartsd addig a vízfürdőn a poharat, amíg a szilárd anyag egészen fel nem oldódik! Ezután vedd le a poharat a 44
vízfürdőről, lassan hagyd kihűlni! A pohárban kiválnak a fehér, tű alakú kristályok. Ez az acetilszalicilát. TAPASZTALATOK, KÖVETKEZTETÉSEK, FELADATOK
Milyen funkciós csoportokat tartalmaz a keletkezett vegyület? __________________________ ____________________________________________________________________________
Milyen kémhatása van az aszpirinnek? Milyen élettani szerepe van ennek a tulajdonságnak? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
Melyek azok a gyógyszerek, amelyek hatóanyaga azonos az aszpirinnel, de nem savas kémhatásúak? _____________________________________________________________ ____________________________________________________________________________
45
Fogalomtár Biológia Agyideg: Az agyat a beidegzett szervekkel összekötő idegrostköteg a környéki idegrendszerben. Begy: Nyelőcsőtágulat, általában a táplálék raktározására, puhítására szolgál. Bőrizomtömlő: A kültakaró hámja és az alatta futó simaizomrétegek közös képződménye. Garatideggyűrű: A garat körül elhelyezkedő ideggyűrű gerinctelenekben. Az agydúcot kapcsolja össze a hasdúclánccal. Hasdúclánc: Dúcidegrendszerű állatok egyes csoportjaiban a hasi oldalon található, szelvényezett felépítésű, azaz szelvényeként egy dúcot (idegsejtcsoportot) tartalmazó idegrendszeri központ. A dúcokat hosszanti idegpárok kapcsolják lánccá. A feji végen több dúc összeolvadásából keletkezik az agydúc. Kopoltyúív: A kopoltyúk vázát alkotó csont. Kopoltyúlemez: A halak kopoltyújának erekkel sűrűn behálózott légzőfelülete. Légcsőrendszer: Kitinspirállal merevített kitincsövek hálózata a rovartestben, amely a légzési gázok szállítását végzi a légkör és a sejtek között. A kültakaró betüremkedései. Malpighi-cső: Rovarok és pókszabásúak jellemző kiválasztószerve, a közép- és utóbél határán kapcsolódik a bélcsatornához, a testüregben vakon végződik. Pontszem: Fény-árnyék érzékelésére alkalmas egyszerű szem az ízeltlábúaknál. Potrohfüggelék: Rovaroknál előforduló páros fartoldalék, párzásnál használatos rögzítő függelékek. Rágógyomor: Kitintüskéket felaprózásában vesz részt.
tartalmazó
gyomortípus
rovaroknál,
amely
a
táplálék
további
Szemlencse: Kettősen domború lencse a szemben, amely a beeső fénysugarakat az ideghártyára gyűjti össze. Vesécske: Gerinctelenek kiválasztószerv-típusa, csillós tölcsérrel kezdődő, elvezető csatornában folytatódó, majd a testfalon kivezető nyílással végződő cső. Zúzógyomor: Üregében apró szemcséket tartalmazó, általában kemény, ellenálló falszerkezettel (madárban keratin) és/vagy erős izomzattal bíró gyomortípus. Feladata a táplálék további aprítása.
Fizika Adiabatikus: Olyan állapotváltozás, amelyben a rendszer és a környezete között nincsen hőcsere. Az ideális gázok adiabatikus állapotváltozása során a 𝑝 ∙ 𝑉 𝜅 egyenlet igaz az állapotjelzők között. Állapotváltozás: Az anyagi rendszer energiájának megváltozásakor valamely állapotváltozás, illetve állapotjelző vagy állapotjelzők értékének megváltozása. Állapotjelző: A vizsgált fizikai rendszer állapotának leírására alkalmas fizikai mennyiségek. Áramkör: Egy áramkör egy vagy több áramforrásból, egy vagy több fogyasztóból, vezetékből és további áramköri elemekből álló rendszer, mely elektromos áramot használ fel. Zárt elektromos áramkörben az áramforrás pólusai között töltéselmozdulás jön létre. Megkülönböztetünk egyenáramú és váltóáramú köröket. Belső ellenállás: Egy „járulékos” ellenállás, mellyel a mérőműszerek és a villamos generátorok rendelkeznek. Az áramgenerátor és a feszültséggenerátor is helyettesíthető egy idealizált forrással és egy belső ellenállással. A belső ellenállás következtében a feszültséggenerátor kapocsfeszültsége 46
kisebb a forrásfeszültségnél. (Üresjárásban ezek egyenlők.) Csomópont: Az elektromos hálózatok ágainak kapcsolódási pontja. Egyenáram-vezetési áram: Töltésmozgással kapcsolatos állandó erősségű stacionárius áram, ahol a töltések rendezett mozgása az elektromos mező hatására jön létre Ekvipotenciális pont: Az azonos potenciálú pontok. Az adott elrendezésben nincs feszültség a pontok között: a közéjük kapcsolt vezeték nem módosítja az áramkör áramerősségét, működését, rajta áram nem folyik át. Elektromágneses indukció: Azon elektromágneses jelenség, melynek során egy vezetőben valamely változás vagy mozgás hatására elektromos feszültség jön létre. Ellenállás: A villamos hálózatok olyan eleme, amelyeknek U elektromos feszültsége és I elektromos árama között a kapcsolat megszabott. Legegyszerűbb fajtája az olyan hálózati elem, amelynek U elektromos feszültsége és I elektromos árama között a kapcsolatot az Ohm-törvény fejezi ki. Az anyag azon tulajdonsága, hogy az áram folyását gátolja és a villamos teljesítményt hővé alakítja. Az egyenáramú hálózatban ez azzal magyarázható, hogy a töltést hordozó részecskék ütköznek az adott anyag atomjaival. Fajhő (fajlagos hőkapacitás): Az a hőmennyiség, mely egységnyi tömegű anyag hőmérsékletét 1 Knel megemeli. Az egységnyi tömegre vonatkoztatott hőkapacitás. Gázoknál megkülönböztetünk állandó nyomásra és állandó térfogatra vonatkozó fajhőt. Hőkapacitás: Tetszőleges test esetében a felvett hő (∆𝑞) és az általa előidézett hőmérséklet-változás ∆𝑞 (∆𝑇) aránya, 𝐶 = . ∆𝑇 Hőtágulás: Hőmérséklet-változás hatására fellépő térfogat-, illetve hosszúságváltozás. Izoterm: Egy rendszer olyan állapotváltozása, melynek során a hőmérséklet állandó marad. Az állapotjelzők között állandó anyagmennyiség esetében a 𝑝 ∙ 𝑉 = á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó egyenlet írja le a kapcsolatot (Boyle–Mariotte-törvény). Kalorimetria: A hő fogalmát és annak mérési módszereit tárgyalja. Karakterisztika: Jellemző vonás, jelleggörbe, áramköri elemeknél az összetartozó I és U értékekből készített grafikon neve. Közlekedőedény: Felül nyitott, alul csőközvetítéssel egymással kapcsolatban lévő folyadékkal töltött, általában csőszerű edények. Az egynemű folyadékkal töltött közlekedőedényben a nehézségi erő hatása alatt, ha az egyes edényekben a folyadék felszínre ható külső nyomás megegyezik, akkor a közlekedőedényben lévő folyadékok felszíne ugyanabban a vízszintes síkban van. LED: Light Emitting Diode, fénykibocsátó dióda. Egyenfeszültség hatására fényt bocsát ki, de nem izzik. 1955-ben találták fel. Az eredeti fénykibocsátó LED hőtermelési minimális. Az áramból nem hőt termel, hanem fényt, hatásfoka sokkal jobb, mint az energiatakarékos fényforrásoké. Élettartama nagyjából 20 000–50 000 óra. Bekapcsolását követően azonnal maximális fényt bocsát ki, élettartamát nem befolyásolja az állandó ki- és bekapcsolás. Potenciométer: Egy olyan áramköri elem, mely feszültségosztó feladattal bír. Három kivezetése van, ezek közül kettő között egy ellenálláspálya található, a harmadik pedig egy csúszkán keresztül érintkezik ezzel az ellenálláspályával. Változtatható ellenállásként is alkalmazható. Reprodukálható jelenség: Olyan jelenség, mely ugyanolyan módon sokszor végbemehet. Tápegység: Azon célkészülék, amely az elektromos hálózat energiáját módosítja a rácsatlakoztatni kívánt eszköz számára úgy, hogy annak működtetéséhez megfelelő legyen. Termometria: A hőtan azon fejezete, mely kimondottan hőmérsékletméréssel és az azzal kapcsolatos hőtágulással foglalkozik. Termikus kölcsönhatás: Annak a folyamatnak a rövidebb megfogalmazása, miszerint az egymással érintkező, magukra hagyott különböző hőmérsékletű testek hőmérséklete bizonyos idő eltelte után kiegyenlítődik. 47
Térfogati-hőtágulási
együttható:
A
szilárd
hosszméret-változás mértéke. Jele: α; egysége:
1
anyag 1
K ℃
hőmérsékletének
megváltozására
adott
.
Kémia Diszacharid: Savas hidrolízissel két egyszerű szénhidrátra bontható cukor. Diszproporcionálódás: Valamely kémiai folyamatban ugyanaz az anyag részben oxidálódik, részben redukálódik. Ekvivalenciapont: A titrálás végpontja, az a pont, ahol a reakció teljessé válik. Fehérje: Jellegzetes térszerkezetű, sajátos működésű aminosavakból felépülő makromolekula. Gél: A gélek kocsonyás anyagok. Gél keletkezik, ha szilárd, duzzadásra képes anyagot folyadékba helyezünk. Gliceridek: Nagy szénatomszámú karbonsavak glicerinnel alkotott észterei. Glikozodos hidroxilcsoport: Szénhidrátok esetén az első szénatomhoz kapcsolódó hidroxilcsoport, amely a gyűrű felnyílásakor átalakulhat oxocsoporttá. Hidrogénkötés: Másodrendű kötés, amelyben a hidrogénatom az egyik molekulához elsőrendű, a másik molekulához másodrendű kötéssel kapcsolódik. Hidroxikarbonsav: A karbonsavmolekula egy vagy több hidrogénatomja helyére hidroxilcsoport kapcsolódik. Higroszkópos anyag: Nedvszívó anyag, amely megköti a levegő víztartalmát is. Indikátor: A titrálás végpontját színváltozással jelző anyag. Jodometria: Oxidi-reduktometriás térfogatos mennyiségi meghatározás. Karbonsav: Olyan szénvegyület, amelyben a karboxilcsoport a jellemző funkcióscsoport. Keton: Olyan oxovegyület, amelyben az oxocsoport láncközi vagy gyűrűs szénatomhoz kapcsolódik. Koaguláció: A fehérjék oldatból való kicsapódása. Kondenzáció: Két molekula úgy egyesül, hogy közben egy kis molekulatömegű melléktermék is keletkezik. Nanszcensz oxigén: Atomos állapotú oxigén. Redoxireakció: Olyan kémiai folyamat, amelyben oxidációsszám-változás történik. Szublimáció: Olyan halmazállapot-változás, mikor a szilárd anyagok gázhalmazállapotba mennek át. Titrimetria: A mennyiségi analízis térfogatmérésen alapuló módszere. Viszkozitás: Belső súrlódás, a folyadékok jellemzője. Zsírsav: Nagy szénatomszámú, egyértékű karbonsav.
48
Irodalomjegyzék Biológia Perendy Mária (1980): Biológiai gyakorlatok kézikönyve. Budapest: Gondolat Könyvkiadó Zboray Géza (1998): Összehasonlító anatómiai praktikum I. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó
Fizika Dr. Litz József (2001): Általános fizika I. b kötet. Pécs–Budapest: Dialog Campus Kiadó, 13. §, 38. § Dr. Litz József (1998): Elektromosságtan és mágnességtan. Budapest: Műszaki Kiadó, 23. § Dr. Litz József (1982): Fizikai mérések. Kézirat. Budapest: Tankönyvkiadó Fizikai kislexikon (1977). Budapest: Műszaki Könyvkiadó
Kémia Dr. Pais István (1978): Kémiai előadási kísérletek. Budapest: Tankönyvkiadó Dr. Perczel Sándor – Dr. Wajand Judit (1985): Szemléltető és tanulókísérletek a kémia tanításában. Budapest: Tankönyvkiadó Dr. Horváth Ernőné (1982): Kémiai anyagvizsgálat. Budapest: Műszaki Könyvkiadó Rózsahegyi Márta – Wajand Judit (1999): Látványos kémiai kísérletek. Szeged: Mozaik Oktatási Stúdió Rózsahegyi Márta – Wajand Judit (1991): 575 kísérlet a kémia tanításához. Budapest: Tankönyvkiadó Dr. Siposné Dr. Kedves Éva – Horváth Balázs – Péntek Lászlóné (2003): Kémia 10. Szeged: Mozaik Kiadó
49
Ábrajegyzék (A nem jelölt ábrák a szerző munkái.)
Biológia 1. ábra. Müllner Erzsébet (1998): Biológiai gyakorlatok. Szeged: Mozaik Oktatási Stúdió, 60. oldal
Fizika 4. ábra. Dr. Litz József (1982): Fizikai mérések. Kézirat. Budapest: Tankönyvkiadó 5. ábra. Dr. Litz József (1982): Fizikai mérések. Kézirat. Budapest: Tankönyvkiadó
Kémia Az ábrák a szerző munkái.
50
