Tudományos verseny. Fizika és kémia kísérletek. Láncreakció Tudományos Verseny Kézikönyv. középiskolásoknak

erseny Tudományos v

középiskolásoknak

Láncreakció Tudományos Verseny

Kézikönyv Fizika és kémia kísérletek

Bevezető Kedves Diák! Ha ezt a kézikönyvet olvasod, az két dolgot jelenthet: érdekelnek a természettudományok, vagy szeretsz a diáktársaiddal közösen szórakozni. Nos, a Láncreakció Tudományos Verseny bebizonyítja, hogy ez a két dolog nagyon is összefügghet. Az alábbiakban röviden összefoglaljuk neked, mi is az a Láncreakció Tudományos Verseny, és mit kell tenned azért, hogy te is a részese lehess ennek a szórakoztató, egyúttal a tanulmányaidat segítő programnak. Felkészültél? Akkor gyerünk, légy ügyes és kreatív !

Kézikönyv


Mi az a Láncreakció gépezet? A Láncreakció gépezet egy különleges, hétköznapi anyagokból egyedileg épített szerkezet, amelyben fizikai és kémiai események láncolatként követik egymást. Minden reakció egy újabb akciót indít el, ezáltal folyamatosan működésbe léptetve az egész gépezetet. Például egy guruló golyó elindít egy dominósort, ami elborít egy sóval teli poharat, melyből a só egy tál vízbe szóródik, ezáltal az elektromos vezetővé válva felvillant egy LED-et, stb. Egy kis történelem A Láncreakció gépezetek története 100 évre nyúlik vissza, amikor is Rube Goldberg amerikai karikaturista és feltaláló megalkotta az első ilyen masinát. Az első gépek lényege az volt, hogy nagyon egyszerű feladatokat lássanak el minél bonyolultabb úton. Talán a leghíresebb ilyen „találmány” az Önműködő szalvéta volt, melyet az egész világ megismert. Mindenki imádja a vicces masinákat Amerikában ma is rengeteg iskolai projekt, verseny és szabadidős klub épül a téma köré, a diákok is lelkesen építgetik a Rube Goldberg masinákat. A NASA és a Google szintén rendezett már hasonló versenyeket, és a Discovery Channel-en is futott egy sikeres TV sorozat, ahol a csapatoknak ilyen Láncreakció gépezeteket kellett építeni.

A Láncreakció Tudományos Verseny célja A Láncreakció Tudományos Verseny egyik fő célja, hogy felhívja a figyelmet természettudományok fontosságára, és arra, hogy a fizika és a kémia igenis szórakoztató és rendkívül érdekes dolog, sokkal több, mint néhány bemagolni való képlet. Világunkat a fizika és a kémia mozgatja. Most mozgasd meg őket te! A fizika és a kémia úgy vesz körül bennünket, hogy észre sem vesszük. Ha indulsz a versenyen, épp az lesz a feladatod, hogy megfigyeld, tudományosan elemezd, majd leutánozd ezeket a folyamatokat és reakciókat. Hogy hogyan? Minél nagyobb kreativitással. Mindeközben felfedezheted, hogy mi mindenre jó egy kiürült vizespalack, egy kólásdoboz, egy nejlonzacskó, vagy lényegében bármilyen újrahasznosítható hulladék – így még a környezetedre is ügyelhetsz.

Ki nevezhet? A Láncreakció Tudományos Versenyre 8-12. évfolyamos diákok nevezhetnek (14 és 18 éves kor között). Minden csapatban maximum öt diák és egy csapatvezető pedagógus vehet részt (kémiatanár). Azt, hogy ki kerülhet be az ötfős csapatba, a kémiatanár dönti el, mégpedig az alapján, hogy a tervezési időszakban ki hozza a legjobb, legeredetibb és tudományosan megalapozható ötleteket.

Mi a feladat? A feladat az, hogy a megtervezz, majd a csapatoddal közösen megépíts egy látványos, fizikai és kémiai reakciók által működő Láncreakció gépezetet. Az építkezéshez a csapat számtalan eszközt felhasználhat: • Különféle kellékek és anyagok a Magic Box*-ból, • Kellékek és anyagok az iskola kémiaszertárából • Bármilyen más, otthonról hozott tárgyak vagy játékok (pl. üres PET-palack, újságpapír, kartonpapírból készített tárgyak, kézzel festett dekorációk, stb.)

*A Magic Box egy ingyenes kezdőcsomag, mely különféle segédeszközöket, nyersanyagokat tartalmaz és korlátozott számban áll az iskolák rendelkezésére. A Magic Box használata nem feltétele a versenyen való részvételnek.

3

Kézikönyv


Hogyan csináld? Változtasd a mindennapi tárgyakat egy különleges gépezetté! 1. Tervezd meg! Gondolkozz el rajta, te milyen fizikai és kémiai reakciókat építenél bele a Láncreakció masinába! A tervezésben segítségedre lesz ez a kézikönyv és a CHEMGENERATION.COM weboldalon található kísérlet bemutató videók. Gyűjtsd össze az ötleteidet, rajzold és írd le őket és ha kész vagy, mutasd meg a csoportvezető tanárnak! 2. Próbáld ki! A legígéretesebb ötleteket, illetve a fizikai és a kémiai reakciókat, melyeket használni szeretnél, érdemes letesztelni a gyakorlatban, mielőtt beépíted őket a gépezetbe. Természetesen csak a csapatvezető tanár felügyelete mellett gyakorolj! Minél többször próbálsz ki egy-egy reakciót, annál biztosabban fog majd működni a Láncreakció gépezetben. A kémiai kísérleteket ne próbáld ki otthon! Olvasd el a „Biztonsági előírások” bekezdést az 6. oldalon!! 3. Építsd fel! Ha igazán jók voltak az ötleteid, akkor bekerülsz az ötfős versenycsapatba! Itt jön az igazi csapatmunka: társaiddal fel kell építenetek a Láncreakció gépezetet lépésről lépésre, mindannyiótok ötleteit felhasználva. Szánj időt a feladatra: készülj fel, a szünetekben és néha suli után is foglalkoznod kell a gépezettel, amit az iskola egyik helyiségében kell felépítenetek. 4. Készíts videót! Ha a gépezet startra kész, egy videón kell bemutatnotok a működését. Ez talán egyszerű feladatnak tűnik, mégis összetett: a videó egy “snittből” kell, hogy álljon, ami azt jelenti, hogy a kamera az indítást követően mindig azt kell mutatnia, hogy mi történik a Láncreakció gépezetben. A videónak tartalmaznia kell egy elméleti bemutatót is, melynek során szóban és/vagy képletek bemutatásával kell levezetni a Láncreakció gépezetben szereplő fizikai és kémiai reakciókat (a képleteket felírhatjátok pl. egy táblára vagy papírra, de szóban is el kell mondani, hogy melyik lépés után mi következett). A film hosszának időbeli korlátja nincs, de törekedj arra, hogy mindvégig érdekes és mozgalmas legyen. 5. Töltsd fel a videót! Legvégül, ki kell tölteni a nevezési adatlapot és fel kell tölteni az elkészült videót a CHEMGENERATION.COM weboldalon keresztül. A nevezést a csapatvezető tanárnak kell benyújtania. 6. Szólj a barátaidnak, hogy szavazzanak! Mostantól izgulhatsz. Míg a szakmai zsűri elbírálja a beérkezett videókat, a közönség is szavazhat a videókra a CHEMGENERATION.COM weboldalon. Hajts a közönségszavazatokra! Szólj az ismerőseidnek, hogy nézzék meg a videótokat és szavazzanak rá, ha tetszik nekik. A verseny eredményéről először a csoportvezető tanár kap tájékoztatást, így ő fogja közölni veletek a remélhetőleg örömteli hírt… További részletek és regisztráció: http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/

4

Alapszabályok Automatikus gépezet A Láncreakció gépezet lényege, hogy az elindítást követően önmagától működik a benne lezajló fizikai és kémiai reakciók által, mindenféle emberi beavatkozás nélkül.

Minimum 10 lépés A gépezetnek legalább 10 lépésből kell állnia. Természetesen lehet ennél több is: minél hosszabb és minél izgalmasabb a láncreakció, annál nagyobb esély van a győzelemre.

Minimum 3 kémiai reakció A gépezetnek legalább 3 olyan lépést kell tartalmazni, melyek kémiai reakción alapulnak (pl. elektrolízis, habképződés, sav-bázis reakció, oldódás, stb.) Nézzétek át alaposan a kézikönyvben leírt kémia kísérleteket és ötleteljetek a kémiatanárotokkal közösen, hogy vajon melyiket hogyan lehetne beépíteni a Láncreakcióba!

Egy érintés megengedett Ahogy fent leírtuk, a Láncreakció gépezet lényege, hogy az elindítást követően emberi segítség nélkül, magától működjön különféle fizikai és kémiai reakciók által. Előfordulhat, hogy mégis hiba csúszik a gépezetbe és a folyamat valahol elakad. Ilyenkor egy ízben, de csakis egyszer megengedett, hogy a csapat egyik tagja közbeavatkozzon és továbblendítse a megakadt gépezetet.

Egy vágás megengedett A Láncreakciót bemutató videófilmnek alapvetően egy „snittből” kell állni, vagyis a kamerának folyamatosan mutatnia kell a történéseket. A kémiai reakciók esetében ugyanakkor lehetőség van egy vágásra, melyet utólag videószerkesztő programmal lehet megcsinálni. Ez csak abban az esetben fogadható el, ha egy kémiai reakció lejátszódása hosszabb folyamat, így vágás nélkül több percig kellene várnia a kamerának, míg lezajlik a reakció.

Látványelemek Nem minden kémiai reakció alkalmas arra, hogy továbbvigye a láncreakció folyamatát. Épp ezért megengedett, hogy a kémiai kísérleteket látványelemként alkalmazd. Ilyenkor a lezajló reakció nem indít el újabb mozgást, csak önmagában, látványelemként zajlik le. A mozgás továbbvitelét megoldhatod úgy, hogy az előző reakció egyszerre két folyamatot indít el: az egyik a magában lezajló kémiai reakció, a másik pedig egy olyan, ami továbbindítja a mozgást a gépezetben.

Fenntarthatóság Mivel napjainkban egyre fontosabb a fenntarthatóság, a zsűri plusz pontokkal jutalmazza az olyan gépezeteket, melyekben megjelenik a zöldenergia (pl. nap- szél- és vízenergia), vagy az újrahasznosítás (pl. újrahasznosított papír), illetve különféle környezetbarát anyagok és megoldások (pl. lebomló műanyag, LED, stb.).

Szerezz plusz pontokat Segíts népszerűsíteni a természettudományokat azzal, hogy a gépezetben minél több helyen megjeleníted a CHEMGENERATION.COM weboldal logóját különféle módokon (pl. papírzászló, matrica, stb.). Ezeket a látványelemeket a zsűri plusz ponttal jutalmazza. A CHEMGENERATION.COM weboldal logója letölthető elektronikus formában az alábbi oldalról: http://www.chemgeneration.com/logo.zip

Nevettess meg másokat! Habár a fizika és a kémia komoly tudományok, egyáltalán nem bánjuk, ha a pályázatban a természettudományokat vicces formában mutatod be, hiszen egyik fő szlogenünk: A kémia menő, a tudomány izgalmas. Minél viccesebb a videótok, annál sikeresebb lehet, hiszen többen fognak rá szavazni.

Fontos! A Láncreakció Tudományos Verseny részletes szabályait a Versenyszabályzat dokumentumban találod a CHEMGENERATION.COM weboldalon. http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/versenyszabalyzat/

5

Kézikönyv


Segítünk Nem hagyunk magadra a tervezgetés és munka közben. Az alábbi segédanyagokkal támogatjuk felkészülésedet és a gyakorlati munkát: Láncreakció kézikönyv A Láncreakció kézikönyv, amit a kezedben tartasz, a CHEMGENERATION.COM weboldal által hirdetett Láncreakció Tudományos Verseny hivatalos segédanyaga. Olyan fizikai és kémiai kísérletek rövid, képekkel illusztrált bemutatását tartalmazza, melyeket csapatoddal felhasználhattok a Láncreakció gépezetben. Olvasd el és fejleszd tovább őket, tervezd meg, hogyan kapcsolhatók össze, és találj ki új reakciókat is. A Láncreakció kézikönyv elektronikus formában (.PDF) ingyenesen letölthető bárki számára az alábbi címről: http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/ kezikonyv/

Kísérlet videók a CHEMGENERATION.COM weboldalon A kézikönyvben leírt kísérleteket videókon is megnézheted a CHEMGENERATION.COM weboldalon. A fizikai és kémiai folyamatokat lépésről lépésre, jól láthatóan, lassított felvételekkel is bemutatjuk, hogy minden részletet megfigyelhess. A videók ötletet adhatnak arra is, hogy az egyes reakciókat hogyan kapcsolhatod egymáshoz a gépezetben. A kísérlet videók megtalálhatók az alábbi oldalon: http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/videok/

Díjak Első díj A szakmai zsűri által kiválasztott legjobb csapat minden tagja és a csapatvezető tanár is értékes ajándékot kap. Emellett a nyertes csapat iskolája is értékes, az oktatást segítő ajándékokat kap. Közönségdíj A Láncreakció Tudományos Versenyre beérkező vidók felkerülnek a CHEMGENERATION.COM weboldalra, ahol a közönség szavazhat rájuk. Az a videó, amelyik a legtöbb szavazatot kapja, megnyeri a Közönségdíjat. A díjak és a további részletek megtalálhatók a CHEMGENERATION.COM weboldalon: http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/

Biztonsági előírások Körültekintő eszközhasználat Minden fizikai és kémiai kísérlet elvégzése figyelmet és körültekintést igényel. Minden tárgyat és kelléket rendeltetésszerűen használj! A Magic Box-ban talált eszközöket ne add oda kisgyerekeknek, csak te és csapattársaid használhatjátok őket. Mindig precízen és tisztán dolgozz! Kémia kísérletek: csak tanári felügyelettel A kézikönyvben leírt kémia kísérletek megvalósítása közben közvetlen érintkezésbe kerülhetsz különböző vegyszerekkel, melyek egy része veszélyes az egészségre vagy a környezetre. Épp ezért minden kísérletet a kémiai biztonságra vonatkozó jogszabályoknak megfelelően kell végrehajtani. Fontos, hogy a kézikönyvben piros figyelmeztetéssel megjelölt kísérleteket szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával végezheted el! A kémiai kísérleteket ne próbáld ki otthon!

6

Melléklet

Fizika és kémia kísérletek Az alább bemutatott minta kísérletek segítségül szolgálhatnak a Láncreakció gépezet megépítéséhez. Meríts belőle ötleteket és fejleszd tovább őket!

Figyelem! A fizika és kémia kísérletek videófilmen is megtekinthetők a Chemgeneration.com weboldalon: http://www.chemgeneration.com/hu/chainreaction/videok/

Figyelem! A kémiai kísérletek egy része olyan vegyszerekkel zajlik, melyek veszélyesek az egészségre vagy a környezetre. Épp ezért kipróbálásukat csak tanári felügyelet mellett, az iskolai kémia laborban javasoljuk! A kémiai kísérleteket ne próbáld ki otthon! Olvasd el a „Biztonsági előírások” bekezdést az 6. oldalon!

Kísérletek


Ütközés Az ütközés két vagy több egymáshoz képest mozgó szilárd test olyan rövid idő alatt lejátszódó érintkezése, amelynek következtében sebességváltozás (impulzusváltozás, lendületváltozás) jön létre. Mivel a Láncreakcióban a tárgyakat folyamatos mozgásban kell tartani, elkerülhetetlen, hogy az ütközést felhasználd benne. Az ütközéseknek több típusa van. Egyik a tökéletesen rugalmas ütközés, ez esetben a testek összes mozgási energiája az ütközés előtt és az ütközés után megegyezik. Egy másik típus a tökéletesen rugalmatlan ütközés, ekkor a lehető legnagyobb mozgásienergia-csökkenés következik be. Lássunk, hogyan alkalmazhatod őket a Láncreakcióban! Newton Inga Készíts tökéletesen rugalmas ütközéssel működő Newton-ingát, melyben az utolsó golyó elindíthatja a Láncreakció következő elemét! Helyezz egymás mellé szorosan kötéllel felfüggesztett golyókat. Amikor az egyik szélső golyót meglököd a következő folyamat játszódik le: Ha rugalmasan összeütközik két ugyanolyan tömegű golyó, akkor az ütközés után a sebességük felcserélődik. Ha az egyik golyó mozog, a másik pedig áll, akkor a mozgó golyó megáll, az álló pedig az előzőleg mozgó golyó sebességével kezd mozogni. A golyósor esetén a golyók sorban átadják a sebességüket a következőnek, míg végül az utolsó kilendül, s innen elindul a dolog visszafelé. Ha több golyóval csináljuk ugyanezt, akkor a sor végén is ugyanannyi golyó lendül ki, mint amennyit az elején kitérítettünk. Ütközés a sínen Ha azt szeretnéd, hogy egy ütközés a lehető legjobban lefékezze a testet, vagy akár meg is állítsa, alkalmazd a tökéletesen rugalmatlan ütközést! Állíts egymással szembe két azonos tömegű guruló tárgyat egy sínen, majd lökd őket egymásnak azonos erővel. Ebben a kísérletben a két ellentétes irányú lendület kioltja egymást, a mozgási energia megszűnik, így a két test megáll. Tipp: Hogy pontosan tudd, mi történik az ütközéskor, nézz utána az energiamegmaradás, illetve mozgásmennyiség (impulzus, lendület) megmaradásának a törvényének.

Egyenletesen változó mozgás: gyorsulás A gyorsulás nem más, mint a testek egységnyi idő alatt bekövetkezett sebességváltozása. Ez a változás lehet pozitív vagy negatív (lassulás). Lássuk, hogyan használhatod a Láncreakcióban az ilyen mozgást! Lejtő Építs lejtőt fa polcból, melyet egyik oldalon könyvekkel támasztasz alá. Engedj el egy tárgyat (pl. üveggolyót) a lejtő tetején. Tapasztalni fogod, hogy a test egyenletesen gyorsuló mozgással fog lefelé haladni. Homok a lejtőn Most a lejtő egyik felére szórj homokot és így gurítsd le az üveggolyót! Tapasztalni fogod, hogy a homokkal szórt részen a gördülési ellenállás hatására a test lassuló (negatív gyorsuló) mozgással fog lefelé haladni. Ha a súrlódás mértéke elég nagy, vagy a lejtő kellően hosszú, az üveggolyó végül meg is áll. Tipp: Próbálkozz más anyagokkal is! Figyeld meg, melyikkel érhető el, hogy a súrlódás a lehető legkisebb legyen, és a tárgy a lehető legjobban felgyorsuljon, ill. lefékeződjön.

8

Fizika

Szabadesés, gravitáció A Föld gravitációs mezejében elengedett test a Föld közzéppontja felé mozog. Szabadesésről akkor beszélünk, ha ezt a mozgást semmi sem akadályozza. Azt is érdemes tudnod, hogy minden szabadon eső test ugyanakkora gyorsulással esik. Ezért van az, hogy ha azonos méretű, különböző anyagból készült testeket ugyanolyan magasból ejtesz le, egyszerre fognak földet érni. Lássunk egy példát! Zuhanás Építs műanyag palackokból két függőlegesen álló csövet, majd egyszerre ejts le az egyikben egy könnyű hungarocell labdát, a másikban pedig egy nehéz vasgolyót. Meglátod, hogy egyszerre fognak leérni a talajra. Gondolkozz el azon, hogy ezt a jelenséget hogyan használhatnád fel a Láncreakcióban.

Tipp: Hogy pontosan tudd, mi történik szabadeséskor, nézz utána az általános tömegvonzás törvényének.

Közegellenállás A folyadékban vagy gázban mozgó testre a mozgással ellentétes irányba ható erőt nevezzük közegellenállásnak. Nagysága megegyezik azzal az erővel, amit a test a haladása érdekében kifejt állandó sebességű mozgása esetén. A közegellenállás nagysága függ például a közeg minőségétől, a test méretétől, alakjától, sebességétől is. Ha azt szeretnéd, hogy a Láncreakcióban egy test lassú mozgást végezzen, kihasználhatod a közegellenállást! Lássunk néhány példát! Közegellenállás koktél Egy magas mérőhengerbe hozz létre rétegeket különböző sűrűségű folyadékokból (pl. étkezési zselatin, méz, víz, étolaj, stb.) úgy, hogy a legsűrűbb az edény aljára kerüljön. A kísérlet még látványosabb lesz, ha ételfesték segítségével a különböző rétegeket megszínezed. Ejts a mérőhengerbe egy tárgyat, és tapasztalni fogod, hogy felül, a kevésbé sűrű folyadékokban gyorsabban halad, míg lejjebb, a sűrűbb közegben lelassul.

Ejtőernyő A levegő is ellenállással hat a mozgó testekre, amit légellenállásnak hívunk. Hogy ezt megtapasztald, építs ejtőernyőt hétköznapi tárgyakból! Vágj ki nejlonzacskóból egy kör alakú részt, majd néhány centiméterenként rögzíts a szélére zsinórokat. Erősíts rá nehezéket és máris kész az ejtőernyő. Tesztelj különböző alakú és méretű ernyőket, hogy megtudd, a közegellenállás melyiknél a legnagyobb. Vajon hogyan függeszthetnéd fel az ejtőernyőt úgy, hogy csak akkor ereszkedjen a földre, ha a Láncreakció előző eleme elindítja?

9

Kísérletek


Spirális és körmozgás Körmozgásról akkor beszélünk, ha egy anyagi pont körpálya mentén mozog. A spirális és körmozgás a körpályára kényszerítő centripetális erő hatásával érhető el. Ez az erő eredhet a gravitációból (égitestek), elektromos vonzásból, nyomóerőből vagy kötélerőből. A spirális és körmozgás látványos lehet a Láncreakcióban is. Lássunk néhány példát! Papírtölcsér Hajtogass tölcsért papírból, állítsd függőlegesre, majd indíts benne körpályára egy üveggolyót, és máris láthatod a spirális mozgást. Az erők (gravitáció és nyomóerő) a golyót egyaránt kényszerítik körpályára és lefelé is. Hogyan lesz ebből Láncreakció? Egyszerűen vágj lyukat a papírtölcsér aljára, így a golyó kipottyan, és meglöki a Láncreakció következő elemét. Körben gördülő pohár Fektess oldalára egy kúpos poharat vagy egy Erlenmeyerlombikot, majd lökd meg. Az üveg az alakjának köszönhetően körpályán fog mozogni. Spirálcsúszda Építs drótból vagy átlátszó gumicsőből spirálpályát, és tanulmányozd a leguruló golyóra ható erőket. Figyeld meg, hogy a golyó miként mozog a kanyarokban.

Inga A Bármely, a súlypontja felett felfüggesztett test egyensúlyi helyzetéből történő kitérítést követően ingamozgást végez. Ez nem más, mint egy periodikusan ismétlődő mozgás. Az ingamozgást számos hétköznapi szerkezetben megfigyelheted, például az ingaórában, a hinta mozgásában és a lengőtekében is. Az ingamozgást a Láncreakcióban is sikeresen alkalmazhatod. Lássuk, hogyan. Kalapács-inga Egy kalapács nyelét rögzítsd egy tengelyhez, majd a fejét emeld ki magasra és rögzítsd. Amikor a Láncreakció előző eleme eloldja a kalapács fejét, az ingamozgásba kezd, miközben képes meglökni egy másik tárgyat. Lengőteke Egy lógó kötél aljára erősíts egy nehezéket, majd emeld ki a súlyt az egyik irányba és rögzítsd. Ha a rögzítést eloldod, a tárgy ingamozgásba kezd. Ha a lengő súly mozgásirányának útjába tárgyakat helyezel, az inga felborítja azokat, ez pedig tovább folytathatja a Láncreakciót. Tipp: Nézz utána, hogyan működik az ingaóra!

10

Fizika

Egyszerű gép: csiga Egyszerű gépnek vagy erőátviteli eszközöknek nevezzük azokat a berendezéseket, melyek alkalmasak egy erő nagyságát és/ vagy az irányát megváltoztatni. Vagyis legfontosabb tulajdonságuk, hogy használatukkal kisebb vagy célszerűbb irányú erő kell a tárgyak megmozgatásához. A szükséges energia természetesen ugyanakkora. Egy ilyen hasznos gép az állócsiga, amely nem más, mint egy tengely körül forgó tárcsa, amelyet a peremén körbefutó kötéllel forgatunk. Lássuk, hogyan használhatod ezt a Láncreakcióban! Egyszerű csiga Vess át egy zsinórt egy állócsigán, majd köss egy nehéz tárgyat a zsinór egyik végére. A tárgyat a csiga segítségével könnyen fel tudod emelni, ha a zsinór másik végét meghúzod lefelé. Tipp: Mivel a Láncreakcióban nem mozgathatod a tárgyakat kézzel, jó megoldás lehet, ha a zsinór másik végére egy ellensúlyt helyezel, és az arra ható gravitációs erő felhasználásával fejtesz ki erőt a csigára. Archimedesi csigasor Építs több csigát tartalmazó Archimedesi csigasort. Ebben a szerkezetben minden csiga felezi a terhet, így egy igen súlyos tárgyat is fel tudsz vele emelni. Így működik például az építkezéseken használt daru is.

Dominóelv Az egymás mellé párhuzamosan, egyforma távolságban felállított dominók dőlését egy lökéshullám okozza, amely a felállított tárgyak rendszerén halad végig. A dőlési hullám sebessége a dominók magasságától, a köztük lévő távolságtól és a gravitációtól függ. A kísérletek azt igazolják, hogy akkor dől a leggyorsabban a dominósor, ha a dominók távolsága kb. kétharmada a dominók magasságának. A Láncreakcióban sikeresen és látványosan alkalmazhatsz dominódőlést. Dominódőlés Állíts fel stabilan álló, de könnyen boruló tárgyakat (pl. gyufásdobozokat) egymással párhuzamosan, egymástól egyenlő távolságra. Ha az elsőt meglököd, a dőlési hullám végighalad a soron és az összes eldől. Na, de mi is történik? A tárgyak a lökéshullám következtében elveszítik egyensúlyi helyzetüket és a gravitáció hatására eldőlnek. Növekvő dominósor PÁllíts sorba egyre nagyobb tárgyakat és figyeld meg, hogy egy tárgy még a nála másfélszer nagyobbat is le tudja dönteni. Ez aztán tényleg látványos lehet a Láncreakcióban! Már csak azt kell kitalálni, hogy mi legyen a Láncreakció következő eleme, amit a dominósor elindít…

Kilövés Ahhoz, hogy egy nyugalomban lévő tárgyat a magasba repíts, meg kell neki adni a kezdő lendületet (ill. energiát). Olyan erővel kell rá hatni, ami legyőzi a nehézségi erőt (gravitációt). Ilyen erő lehet például a gumiban felhalmozott rugóerő (lásd a 10. pontban) vagy a rakéta működését okozó reakcióerő. A kilövés látványos eleme lehet a Láncreakciónak. Lássunk néhány példát!

11

Kísérletek


Spatula katapult Készíts katapultot spatula és befőttes gumi felhasználásával! A kilövéshez szükséges erőt ez esetben a gumi rugalmas ereje adja. A lövedéket úgy is kilőheted, ha nem érsz hozzá a szerkezethez, így jól beilleszthető a Láncreakcióba: a felhúzott katapultot rögzítsd egy zsinórral, majd oldd ki azt a zsinór elégetésével.

Pezsgőtabletta rakéta Használd a túlnyomás erejét, melyet kémiai úton, gázképződéssel is előidézhetsz: dobj pezsgőtablettát egy vízzel félig megtöltött üvegbe, majd egy dugóval zárd le! A fejlődő gáz túlnyomása rövidesen a magasba repíti a dugót. Egy ilyen robbanásszerű reakció könnyedén elindíthatja a Láncreakció következő elemét. Tipp: Egy hosszú nyakú üveg használatával azt is elérheted, hogy a pezsgőtabletta csak akkor essen a folyadékba, ha a Láncreakció előző eleme megmozdítja az üveget.

Rugóerő Egy rugó megnyújtásakor és összenyomásakor a rugóban erő ébred. Ez az erő egyenesen arányos a hosszváltozásával, vagyis minél jobban megnyújtjuk a rugót, annál nagyobb erő keletkezik benne. Hasonlóan viselkedik a gumi is. A rugóerőt remekül használhatod a Láncreakcióban, ha szeretnél egy tárgyat gyors mozgásra bírni. Lássunk néhány példát! Rugónyúlás Függessz fel egy rugót egy kampóra, majd az aljára rögzíts egy nehezebb tárgyat, hogy a rugót kifeszítse. Ahogy egyre súlyosabb tárgyakat akasztasz a rugóra, az egyre jobban megnyúlik és megfigyelhető a jellegzetes rugózó mozgás. Gumimotor Készíts gumimotoros meghajtást egy propelleres járműnek, pl. kishajónak vagy repülőnek: egy hosszabb befőttes gumi egyik felét rögzítsd a jármű propellerének forgótengelyéhez, a másik felét pedig egy fix ponthoz a jármű túlsó végén. A propeller forgatásával a gumi feltekeredik, egyre jobban megfeszül. A gumi mindaddig tárolni fogja a rugalmas energiát, amíg el nem engeded a propellert. Ekkor kitekeredik, megpörgeti a propellert, és a jármű elindul. Játékautó Használhatsz rugóerővel hajtott „hátra húzós” játékautót is a Láncreakcióban! Hogyan működik ez a több száz éves találmány? A hátrafelé mozgó kerekek megfeszítenek egy spirálrugót az autó belsejében. Ha útjára engeded az autót, a rugó a benne tárolt energiát hirtelen átadja a kerekeknek, és az autó elindul. Tipp: Kérdezd meg a kémiatanárodat, milyen típusú molekulák és kötőerők okozzák a gumi rugalmasságát.

12

Fizika

Felhajtóerő A folyadék vagy gáz a benne lévő testre a hidrosztatikai nyomás következményeként felfelé irányuló erővel hat. Ezt az erőt felhajtóerőnek nevezzük. A felhajtóerő egyenlő nagyságú a test által kiszorított folyadék vagy gáz súlyával. Ez Arkhimédész törvénye. A felhajtóerő segítségével folyadékban lévő tárgyakat mozgathatsz meg a Láncreakcióban. Lássunk néhány példát! Búvár luftballon Egy vízzel teli üvegedény aljára köss ki egy közepesen felfújt lufit. Ha a kötést eloldod, a lufit a felhajtóerő a vízfelszínre kényszeríti. A lufi persze a ráerősített zsinóron kisebb tárgyat is magával húzhat, így ez a mozgás folytathatja a Láncreakciót. Kockacukor ballaszt A felhajtóerő tanulmányozásához használhatsz polisztirol habból készült labdád is. Mivel ennek az anyagnak a szerkezete sok levegőt zár magába, nem lesz könnyű elsüllyesztened. Nehezékként pl. jó pár kockacukrot rá kell kötnöd, hogy elmerüljön. Ügyelj arra, hogy a kockacukor súlya nagyobb legyen mint a két testre (a cukorra és a labdára) ható felhajtóerő. Miután a kockacukor feloldódik a vízben, a labdát a felhajtóerő a vízfelszínre emeli, ahol az meglökhet valamilyen másik tárgyat, és folytatódhat a Láncreakció.

Hőtágulás A hőtágulás nem más, mint a hőmérséklet-változás hatására az anyagokban bekövetkező hosszúság- és térfogatváltozás. A hőtágulás a hétköznapokban megfigyelhető például a fémeknél, de ezen az elven működik a hőerőgép, pl. a Stirling-motor is, melyet te is felhasználhatsz a Láncreakcióban. Lássuk, hogyan. Stirling-motor Építs Stirling-motort házilagosan, hétköznapi tárgyakból! A levegő melegítése által meghajtott gépezet képes működésbe hozni egy forgástengelyt, ami újabb mozgást indikálhat a Láncreakcióban.

Hőre forgó propeller A levegőnek melegítés hatására csökken a sűrűsége. Egy erős hagyományos izzóval vagy egy teamécsessel felmelegítheted a levegőt olyan mértékben, hogy a felszálló légáramlat meghajtson egy szélkereket. Ennél a kísérletnél ügyelj arra is, hogy a levegőt a megfelelő irányba tereld!

Tipp: Nézz utána a termodinamika törvényeinek!

13

Kísérletek


Halmazállapot-változások A testeknek különböző halmazállapotokban mások a fizikai tulajdonságaik. A szilárd anyagból olvadással lesz folyékony, abból pedig forralással/párolgással légnemű. A Láncreakcióban is felhasználhatsz halmazállapot-változást. Lássunk néhány példát! Tűz és jég Helyezz néhány jégkockát egy fém tálra, melyet alulról gyertyával melegítesz. Amikor a jég vízzé olvad, lefolyik a felületről, a lecsöpögő víz pedig újabb folyamatot indíthat el a Láncreakcióban.

Kis gőzgép Készíts gőzzel hajtott propellert hétköznapi tárgyakból! Egy széles parafadugót lyukassz ki a közelén és fűzz át rajta egy csövet. Ez után egy fém italos doboz tetejét vágd ki, tölts bele vizet, majd szorosan rögzítsd a dobozra a parafadugót! Ha a vizet felforralod, a vízpára (gőz) csak a kis csövön keresztül tud kiáramlani, és meg tud hajtani akár egy propellert is.

Tömegváltozás A test súlya arányos a tömegével. A súly megváltozása sok esetben mozgásváltozást okozhat, így remekül alkalmazhatod a Láncreakcióban. Lássunk néhány példát! Szivacs a mérlegen Helyezz egy mérleghinta két végére egy-egy szivacsot, hogy egyensúlyban legyenek. Majd az egyikre csepegtess vizet. Meg fogsz lepődni, hogy egy kis darabka szivacs is milyen rengeteg vizet képes magában tárolni. A kísérlet érdekessége, hogy míg a szivacs térfogata szemlátomást nem változik, a tömege a többszörösére nő. Golyócsúszda Juttass egymás után üveggolyókat egy üres műanyagpohárba, amely egy állócsigán lévő kötélre van rögzítve! A pohár megnövekedett súlya miatt a rendszer mozgásba jön, a pohár leereszkedik, és beindítja a Láncreakció következő elemét.

Elektromos áram, megújuló energiaforrások Az elektromos áram nem más, mint a töltéssel rendelkező részecskék (elektronok és ionok) rendezett elmozdulása. Az elektromos energia különféle forrásokból származhat, például a föld fosszilis energiaforrásaiból, megújuló energiából, vagy akár kémiai energiából is (lásd: Gyümölcselem). Használd a megújuló energiákat a Láncreakcióban áramtermelésre vagy mozgass velük tárgyakat! Lássunk néhány példát! Mini vízerőmű Egy hétköznapi anyagokból barkácsolt vízkerék tengelyét kösd össze egy kis teljesítményű, generátorként is működő villanymotorral! Ha vizet csorgatsz a kerékre, az mozgásba lendül és energiáját átadja a generátornak, amely a mozgási energiát elektromos energiává alakítja. Ez az energia képes felvillantani egy LED-et. Ugyanezt a kísérletet egy ventillátorral meghajtott szélkerékkel is elvégezheted, hiszen a szélenergia hasznosításakor is a mozgási energia alakul át elektromos energiává.

14

Fizika

Házi napelem Egy napelemet köss össze vezeték segítségével egy kis elektromotorral. A napelem kémiai úton áramot termel, energiát ad a motornak, így képes megforgatni egy kereket. Tipp: Ha nincs elég fény a kísérlethez, helyezz egy tükröt az ablakhoz, és így irányítsd a fényt a napelemre. De segítségül hívhatsz egy erős fényű lámpát is. Vitorlás hajó A szélenergiával járművek mozgását is előidézheted. Használj ventillátort vagy hajszárítót, melyből a kiáramló levegő energiát ad át egy kis tömegű tárgynak, például egy vízen úszó vitorlás hajónak. Már csak azt kell kitalálnod, hogy hogyan kapcsolod be a ventillátort vagy hajszárítót a Láncreakcióban!

Fogaskerék A fogaskerék egy tengellyel rendelkező kerék, fogakkal a kerülete mentén. Feladata, hogy egy másik alkatrészhez (általában egy másik fogaskerékhez) csatlakoztatva megforgasson egy másik kereket, megváltoztatva a forgómozgás jellemzőit: irányát, szögsebességét és a forgatónyomatékot. Fogaskerekek működnek például a kerékpár váltójában, amelynek feladata az áttétel módosítása a hajtótengely és a hajtott kerék között. A fogaskereket könnyen beillesztheted a Láncreakcióba. Lássunk egy példát! Gombostű-kerék Építs össze egy különféle méretű fogaskerekekből álló rendszert hétköznapi tárgyakból. Adj kezdő mozgást az első fogaskeréknek, mire a többi is beindul, méretüktől függően más-más sebességgel. Ha az utolsó fogaskerékhez egy lapátot rögzítesz, az meg tud lökni egy másik tárgyat, és így folytatódhat a Láncreakció.

Mágnesesség A mágneses testnek mindig két ellentétes pólusa van (északi és déli), önmagában csak az egyik pólus nem létezik. Az ellentétes pólusok vonzzák, az azonosak taszítják egymást. A mágnesek nem csak egymásra, hanem bizonyos fémtárgyakra (vas, vasötvözetek) is fejtenek ki mágneses erőt: mindkét pólusuk vonzza őket. A fémes tárgyakat tehát egy mágnessel egyszerűen mozgásra bírhatod a Láncreakcióban. Lássunk egy példát! Mágneses lejtő Egy erős mágnes segítségével mozgass meg egy vasgolyót egy emelkedőn felfelé úgy, hogy a mágnest alulról mozgatod. A vasgolyó mindaddig követni fogja a mágnes mozgását, amíg a mágneses mező hat rá. Gondolkozz el rajta, hogy hogyan használhatnád fel ezt a jelenséget a Láncreakcióban! Tipp: Nézz utána, mi az az örvényáram, és melyek azok az anyagok, amelyeket jelenleg a legerősebb mágnesként használnak.

15

Kísérletek


Rezgés Minden olyan változást, ami az időben valamilyen ismétlődést mutat rezgésnek nevezzük. A mechanikai rezgés oszcilláló mozgást jelent egy egyensúlyi állapot körül. A rezgés érdekes és látványos mozgást indíthat el a Láncreakcióban. Lássunk egy példát! Fakopács Tanulmányozd a hagyományos népi játék, a „Fakopáncs” működését, és próbáld meg leutánozni a megfigyelt jelenséget! Ha a rugós szerkezetre erősített madárkát a rúd tetején elengeded, látni fogod, hogy nem esik le azonnal, hanem lassan araszol lefelé, miközben rezgő mozgást is végez. A bonyolult mozgásban a gravitáció, a rezgés és a súrlódás is szerepet játszik.

Tipp: Nézz utána, mi az a rezonancia!

Egyensúly, súlypont Egyensúly akkor áll fenn, ha a testre vagy rendszerre ható erők kiegyenlítik egymást. Az egyensúlyi helyzetükből kimozdított tárgyakkal látványos mozgások érhetők el a Láncreakcióban. Lássunk néhány példát! Lebegő villák Két villa fogait illeszd egymásba, majd a villák középső fogai közé – a homorú oldaluk felöl, alulról – dugj be egy gyufát. Végül állítsd az egész építményt a gyufa fejére. Szinte hihetetlen, hogy az evőeszközök nem esnek le, és könnyedén lengenek ebben a bizonytalannak tűnő helyzetben. A meglepő jelenség magyarázata, hogy a két evőeszközből álló rendszer súlypontja az alátámasztási pont (forgástengely) alatt helyezkedik el.

Egyensúlyozó kötéltáncos Egy kifeszített kötélre helyezz egy rá illeszkedő, guruló tárgyat (pl. kis motorbiciklit) és mindkét oldalára erősíts súlyokat úgy, hogy azok lelógjanak a kötél alá. Mivel így a tárgy súlypontja az alátámasztási pont alatt van, a tárgy egyensúlyban marad és végig tud haladni a kötélen. Keljfeljancsi Vágj ketté egy pingpong labdát és rögzíts a belsejébe egy nehezéket, például egy vasgolyót. Ragaszd vissza a labda felső részét, majd az egészet vond be textillel vagy papírral, hogy a bábunak teste is legyen. Mivel a bábu súlypontja az egyik felén van, bárhogy mozgatod, mindig visszaáll az eredeti nyugalmi helyzetbe.

16

Fizika

Ellensúly Az ellensúly egy másik súly hatását kisebbítő, vagy kiegyenlítő súly. Egy klasszikus, ellensúllyal működő gépezet például az ókori és középkori harcokban használt hajítógép. Ez a mechanikus energia tárolására és felszabadítására alkalmas szerkezet a gravitáció erejét kihasználva működik, melyet te is alkalmazhatsz a Láncreakcióban. Lássuk, hogyan! Hajítógép Egy erőkar egyik végére rögzíts egy ellensúlyként szolgáló tárgyat. Az erőkar másik végét húzd lefelé és rögzítsd ezen a ponton. Ha a Láncreakció előző eleme eloldja a rögzítést, a gravitáció azonnal lehúzza az ellensúlyt és a magasba emeli az erőkar másik, miközben az elrepíti a lövedéket. Tipp: Nézz utána, hogyan működik a toronydaru és a lift!

17

Kísérletek


Oldódás Az oldódást az oldandó anyag és az oldószer részecskéinek kölcsönhatása, állandó mozgása teszi lehetővé. Az oldószer molekulái mozgásuk következtében érintkeznek az oldandó anyag részecskéivel, a kialakuló kölcsönhatás révén felszakítják a köztük ható összetartó erőt, a feloldódó részecskék körül – ugyanezen kölcsönhatás miatt – az oldószer molekuláiból álló burok jön létre. Esetenként az oldódást az oldandó anyag és az oldószer (pl. víz) kémiai kölcsönhatása idézi elő. A feloldott részecskék a hőmozgás és a koncentráció-kiegyenlítődés miatt eloszlanak az oldatban. Az oldódással látványos és színes jeleneteket idézhetsz elő a Láncreakcióban. Lássunk néhány példát! Színváltó gyümölcstea Lógass filteres gyümölcsteát forró vízbe. Az oldódási folyamat a magas hőmérsékletű folyadékban azonnal beindul: a gyorsan kioldódó színanyagok megjelenését a víz kékes elszíneződése jelzi. Kis idő elteltével a folyadék színe a teafilter környezetében változni kezd: piros szín jelenik meg. Ennek magyarázata a lassabban kioldódó szerves savak megjelenése, melyek a vízmolekulákat protonálják, ezáltal az oldat kémhatása savassá válik. Ezt a változást jelzi az indikátorként működő színanyagok színének megváltozása.

Oldódik is, meg nem is Tölts telített alkoholos kénoldatot egy tál vízbe. Mivel a kén apoláris molekulái vízben nem oldódnak, alkoholban viszont igen, a két oldószer elegyében a kén oldhatósága lecsökken és kolloidális szemcsék keletkeznek, vagyis szuszpenzió jön létre. Ha az üvegtálat oldalról lézerfénnyel átvilágítod, még jobban látható a szuszpenzió jellegzetes állaga.

Telített és túltelített oldaltok Egy oldatot akkor nevezünk telítettnek, ha az oldószer – adott körülmények között – további anyag oldására már nem képes, azaz beáll az oldási egyensúly. Ilyenkor a feloldott anyag koncentrációja már nem változik. Ha a lehetségesnél kevesebb anyagot oldunk, a kapott oldat telítetlen. Készíthető ugyanakkor túltelített oldat is, ha egy melegen telített oldatot óvatosan lehűtünk, hiszen magasabb hőmérsékleten a szilárd anyagok jobban oldódnak. Az ilyen állapot viszont nem stabil, például mechanikai hatásra az oldott anyag fölöslege gyorsan kiválik. Ez a kémiai jelenség ügyesen beépíthető a Láncreakcióba. Lássuk, hogyan! Folyékony szobor Készíts túltelített nátrium-acetát sóoldatot, majd nagyon lassan töltsd ki egy asztallapra vagy egy porcelántálba. Ahogy a folyadék leér, azonnal megszilárdul, és egyre magasabb sótornyot alkot. Így akár egy kisebb szobrot is felépíthetsz a túltelített sóoldatból. A kísérlet további érdekessége, hogy ha a kristályos nátrium-acetátot hevíteni kezded, a saját kristályvizében feloldódik. (És ez a folyamat nem olvadás!)

18

Kémia

Termokémiai reakciók A termokémia a kémiai reakciók során lejátszódó hőmérséklet- és energiaváltozásokat vizsgálja. Ha egy reakció energiát szabadít fel és hőfejlődéssel jár, akkor azt exoterm reakciónak nevezzük. Ennek ellentettje az endoterm reakció, mely energiaelnyeléssel és hőmérséklet-csökkenéssel jár. Némely anyag termikus bomlása rendkívül látványos és dinamikus, így ezeket felhasználhatod a Láncreakcióban is. Lássunk egy példát! Tűzhányó Ammónuim-dikromátot hevíts fel egy gyújtópálca segítségével. Ha az anyag szikrázni kezd, már nem kell tovább melegíteni. A melegítés hatására önfenntartó exoterm bomlási folyamat indul be, mely élénk szikrázás és vulkánkitöréshez hasonló jelenség közepette zajlik le. Az eredetileg narancsvörös kristályos anyagból sötétzöld, laza, porszerû anyag képzõdik. Tipp: Nézz utána a reakcióhő és a képződéshő fogalmának!

Sók elektromos vezetése Vannak anyagok, melyek jól vezetik az áramot, míg mások nem. Ez utóbbiakat szigetelő anyagoknak is nevezzük. Jó áramvezető például a cink, a réz és általában a fémek, míg gyenge az áramvezetési képessége a műanyagok többségének. Az áramvezetés az anyagok kémiai szerkezetén múlik, így ha azt megváltoztatod, előidézhetsz áramvezetést, a legkönnyebben például sók segítségével. Lássunk egy példát! Sós vizes kapcsoló Márts egy tál desztillált vízbe grafit elektródokat, a kapcsolásba pedig iktass kis feszültségű áramforrást és egy fogyasztót, például egy LED-et. A LED így még nem világít, viszont ha a vízbe finom szemcsés sót szórsz és szükség esetén megkevered a folyadékot, az oldatba kerülő ionok miatt a folyadék vezetővé válik, és a LED világítani kezd. Mivel a sós vizes oldat egy áramkörben kapcsolóként tud működni, könnyen szerkeszthetsz egy olyan eszközt, ami egy áramkör záródása révén indítja el a Láncreakció következő elemét. Tipp: Nézz utána, melyik anyag a legjobb elektromos vezető!

19

Kísérletek


Elektrokémia Az elektrokémia az elektromos áram hatására bekövetkező kémiai változásokkal, valamint a kémiai energia elektromos energiává alakításának folyamataival, törvényszerűségeivel foglalkozik. Az elektromos áramtermelés igazán hasznos lehet a Láncreakcióban. Lássunk néhány példát! Gyümölcselem Készíts kis fém darabkákból és gyümölcsökből galvánelemet, melyben kémiai reakció segítségével termelődik az elektromos energia. Szúrj bele egy lédús, savas gyümölcsbe vagy zöldségbe két különböző fémet (pl. Cu és Zn) és már fel is villan a hozzájuk kapcsolt LED. Hogyan lehetséges ez? Mivel a lejátszódó folyamatban az elektronleadás és elektronfelvétel helye más, létrejön közöttük az elektronok áramlása. A fémek és az azokat körülvevő oldat (ebben az esetben a gyümölcs leve) egy-egy elektródot képez, amelyeknek az elektromos potenciálja egymástól kisebb-nagyobb mértékben különböző. A két elektród az oldaton keresztül összekötve galvánelemet alkot, ennek elektromotoros ereje a két elektród potenciáljának különbsége. A kémiai energia elektromos energiává való átalakulása az elektródokban lejátszódó oxidációs, ill. redukciós folyamatok következménye. Tipp: Nézz utána, mi az elektrokémiai rendszer három alapeleme!

Ezüstnövesztés Ebben a kísérletben elektrolízis során, az elektromos áram energiáját felhasználva idézhetsz elő fémkiválást. Tegyél Petri-csészébe ezüstkomplex- (diaminoargentát-) tartalmú oldatot. Rögzítsd az áramforrás pozitív végét (ez lesz az anód) a folyadékban, míg katódként használj egy gombostűt, és ezt helyezd óvatosan a folyadék felszínére úgy, hogy a felületi feszültség ott tartsa! Az áramforrás bekapcsolását követően a katódnál ezüst keletkezik, ami a folyadék felületén „növekszik”.

Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon!

Sav-bázis reakciók A protonátadással járó, ún. protolitikus reakciókat sav-bázis reakcióknak nevezzük. Azokat a molekulákat, ionokat, amelyek a protont leadják savaknak, amelyek felveszik, bázisoknak nevezzük. A savasság és lúgosság mértéke a kémhatás, mértékét jelző mennyiség a pH. A kémhatás vizsgálata indikátorokkal történik. Az indikátorok segítségével látványos színváltozásokat tudsz produkálni a Láncreakcióban. Lássunk egy példát! Vöröskáposzta indikátor Reszelj le egy kis vöröskáposztát és áztasd vízben kb. negyed óráig. A kék oldat pár napig kítűnően alkalmas lesz savak vagy bázisok kimutatására: savval érintkezve piros, míg enyhe lúggal érintkezve sötétlila, erős lúggal pedig zöld vagy citromsárga színűre változik. A vöröskáposzta-levet a Láncreakcióban például lúgos szappanlével, vagy savas ecetoldattal keverheted. Ahogy a folyadékok elegyednek, jól láthatók lesznek a színváltozások. Tipp: Vajon a víz sav vagy bázis? Esetleg mindkettő? Nézz utána, mi az az amfoter vegyület!

20

Kémia

Titkosírás A kémiai úton előhívható titkosíráshoz egy olyan reakció szükséges, aminek a végterméke színes, de legalább az egyik reaktánsa színtelen. A folyamatban először a színtelennel írunk a papírra, majd az előhíváskor egy színreakciót idéznünk elő. A reakció lehet sav-bázis, csapadékképzési, redoxi vagy komplexképzési folyamat egyaránt. A Láncreakcióban akár kémiai képleteket vagy vicces üzeneteket is megjeleníthetsz a titkosírás segítségével, anélkül, hogy hozzá kellene érned a gépezethez. Lássuk, hogyan! Titkosírás kurkumával Márts egy fültisztító pálcát valamilyen lúgos oldatba, például szódabikarbóna vizes oldatába, majd írj vele valamit egy fehér szűrőpapírra. Ekkor az írás még nem látszódik, hiszen a szódabikarbóna-oldat színtelen. Ha a papírra a kurkuma fűszer sűrű oldatát spricceled, a fehér papír sárga lesz, a lúgos kémhatású írott felület pedig barna. Mi a jelenség magyarázata? A kurkumin nevű színanyag lúgos közegben megbarnul, vagyis indikátorként viselkedik. Tipp: A Láncreakcióban a szódabikarbónával megírt papírra ráborulhat egy egész pohár kurkuma kivonat, ami így egy szempillantás alatt láthatóvá teszi titkos üzenetedet. Színes fémbetűk Írj fel különböző fémionok oldatával (pl. antimon-, vagy ólomsóval) egy papírra valamit. Ha a lapot kén-hidrogén-gáz éri, színes fémszulfidok keletkeznek, és az addig átlátszó antimonsó narancsos-vöröses színűre, az ólomsó pedig barnás színűre változik a csapadékképződési reakció hatására.

Savak Azokat a vegyületeket nevezzük savnak, melyek a vízmolekuláknak protont adnak át, ezáltal a vizes oldat kémhatását savasabbá teszik, a pH-t csökkentik. A pH skálán a 7-nél kisebb érték jelzi a savasságot. Sokféle sav vesz minket körül a hétköznapi életünkben is, ott van például a konyhában használt ecetsav, a takarításnál hatékony sósav vagy akár az egészségünket védő C-vitamin, ami nem más, mint aszkorbinsav. A savak maró hatását látványosan használhatod a Láncreakcióban is. Lássunk néhány példát Alufólia lyukasztás Feszíts ki egy felületre alufóliát, majd csepegtess rá legalább 20%-os sósavat. Az alumínium amfoter fém, azaz savban és lúgban is oldódik, így a sav előbb utóbb átlyukasztja az alufóliát. Hogyan építheted be ezt Láncreakcióba? Helyezz az alufólia felületére egy savnak ellenálló üveggolyót, így az csak akkor indul útnak a gépezetben, ha a kémiai reakció lezajlott és az alufólia kilyukadt. Cseppentős kötésoldás Csepegtess salétromsavat egy kifeszített műszálas cérnára. A sav néhány perc alatt feloldja a cérna anyagát, így a kötés elszakad és folytatódhat a Láncreakció. Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon!

21

Kísérletek


Gázok, gáztermelés A gáz forma az anyag egyik halmazállapota. Ahogyan a folyadékok, úgy a gázok is fluidumok: képesek áramlani és nem állnak ellent a deformációnak. Igyekszenek az általuk elfoglalt teret kitölteni. Sok kémiai reakció jár gázképződéssel, melyek segíthetnek abban, hogy mozgásban tartsd a Láncreakciót. Lássunk, hogyan! Repülő luftballon Közismert, hogy a héliummal felfújt lufi magától felfelé emelkedik, hiszen a hélium sűrűsége kisebb mint a levegőé. Ezt a folyamatot beépítheted a Láncreakcióba úgy, hogy a lufit egy zsinór segítségével egy súlyhoz rögzíted, amit a Láncreakció előző valamilyen módon elszakít, a felszálló lufi pedig meglök valamit. Integető kesztyű Helyezz egy saválló gumikesztyűbe szódabikarbóna és citromsav keveréket, majd óvatosan húzd rá a kesztyűt egy vízzel félig telt Erlenmeyer-lombik szájára. A reakció beindításához juttasd a kesztyűben lévő port a folyadékba. A vízben feloldódó szilárd anyagok reakcióba lépnek egymással, a keletkező szén-dioxid pedig felfújja a lufit, ami meglökheti a Láncreakció következő elemét.

Tipp: AKérdezd meg a kémiatanárodat, mik azok a nemesgázok és miért hívják így őket!

Konzervdoboz-rakéta Állíts elő hidrogént hétköznapi alapanyagokból! Ehhez sósavra és két negatív standardpotenciálú fémre (pl. cinkbevonatú és alumínium konzervdoboz) lesz szükség. Az egyik fémdobozt vágd apró darabokra, majd szórd egy kémcsőbe és öntsd rá a sósavat. Ha elkezd pezsegni, fordítsd a kémcső szájára a másik, egyben hagyott fémdobozt a nyílásával lefelé. Várj kicsit, majd a fejjel lefelé lévő dobozt helyezd át óvatosan az asztal szélére úgy, hogy a benne lévő gáz ne illanjon el. Közelíts hozzá alulról égő gyújtópálcával... Mivel a sav és a fém reakciójából keletkező hidrogén és a dobozban maradt levegő oxigéntartalma robbanó elegyet alkot, az égés nagyon gyorsan megy végbe, a hirtelen felszabaduló hőtől a gáz kitágul, és a nyíláson távozik, ennek hatására a doboz elrepül, mint egy rakéta. Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon!

Habtermelés A folyékony anyagokban keletkező habot valamilyen gáztermelés is létrehozhatja. Ha a gáztermelő reakció elég heves, a habképződés gyors és nagy volumenű lesz, ami a Láncreakcióban beindíthat valamilyen mozgást. Lássuk, hogyan Pezsgő vulkán Szórj savas kémhatású ecetbe lúgos kémhatású szódabikarbónát, majd a keverékre önts mosószeres vizet. A sav és a lúg reakciója szén-dioxidot termel, mely rövid idő alatt hevesen felhabosítja a mosószeres folyadékot.

22

Kémia

Színes habzás A hidrogén-peroxid oxigénre és vízre bomlik. Ez a folyamat nagyon lassú, de megfelelő katalizátor segítségével felgyorsítható: tömény hidrogén-peroxidoldathoz adj hozzá detergenst, majd szórj bele kálium-jodidot (a szilárd anyag helyett telített oldatot is használhatsz). Mivel a jodidion katalizálja a bomlást, a hirtelen keletkező nagy mennyiségű oxigén felfújja a habot. A kísérlet még látványosabb lehet, ha először ételfestékekkel megfested a folyadékot. Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a Gipszhab megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával Az előbbieknél maradandóbb habot is ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon! készíthetsz, alumíniumdara, gipsz és nátriumhidroxid porkeverék segítségével. Önts a három anyagra vizet és jól keverd meg! Az alumínium és nátrium-hidroxid reakciójában hidrogén keletkezik, ami felfújja a habot. A gipsz gyorsan megköt, így a habunk sokáig megmarad.

Halogének A halogén szó jelentése: sóképző, mivel ezek az elemek fémekkel sókat hoznak létre. Ebbe a csoportba tartozik a fluor (F), klór (Cl), bróm (Br) és a jód (I). Nagy reakciókészségük miatt a természetben csak vegyületként, főleg ionként találhatóak meg. A halogének és fémek reakciói látványossá tehetik a Láncreakciót. Lássunk egy példát! Lila füst Keverj össze alumínium- és jódport 1:1 térfogatarányban, majd szórd hőálló, teljesen száraz felületre! A porkupac közepébe nyomj egy kis mélyedést és ebbe cseppents egy csepp vizet! Mivel a jód halogén, azaz sóképző, könnyen reakcióba lép az alumíniummal. A hirtelen lezajló exoterm folyamat a vízcsepp felszínén elindul, és a felszabaduló hőtől egyre gyorsabb lesz. A hőfelszabadulással járó folyamatot fénytünemény és lila füst kíséri. Tipp: Kérdezd meg a kémiatanárodat, miért alkalmaznak halogéneket az izzólámpákban!

Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon!

23

Kísérletek


Égés Égés akkor következik be, mikor egy anyag a levegő oxigénjével egyesül. Az égéshez három feltétel szükséges: éghető anyag, oxigén és gyulladási hőmérséklet. Az égés mindig fény- és hőhatással jár. Az égés során sokszor a láng színéből következtethetünk arra, hogy milyen anyag ég. Az égések látványelemként, sőt, akár mozgások indikálására is használhatók a Láncreakcióban. Lássuk, hogyan! Figyelem, gyúlékony anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon! Lobbanáspont Helyezz egy egyszerű, kétkarú mérlegre főzőpoharakat és önts az egyikbe petróleumot, a másikba benzint. Egyensúlyozd ki a mérleget, hogy a két tálka egyenlő súlyú legyen. Ez után helyezz el egy papírcsíkot a két főzőpohár közé, majd középen gyújtsd meg a papírt! Fontos tudni, hogy az éghető, jól párolgó folyadékok jellemző tulajdonsága, hogy akár már a gőze belobbanhat, anélkül, hogy magát a folyadékot meggyújtanánk. Ebben a kísérletben először a jobban párolgó benzin gőze kap lángra. Mivel az égés közben veszít súlyából, a mérleg elbillen. Ez a mozgás pedig elindíthatja a Láncreakció következő elemét. Futótűz Rajzolj fel egy papírra valamilyen folyamatos szöveget vagy ábrát tömény kálium-nitrát-oldatba mártott ecsettel! Az alakzat kezdő pontját jelöld meg, majd szárítsd meg a papírt. Ha a száradás után a kezdőponthoz izzó fémdrótot érintesz, a papír csak ott gyullad meg, ahol a kálium-nitrát bomlása történik, azaz a rajz vagy írás vonalában. A jelenség magyarázata, hogy a kálium-nitrát termikus stabilitása kicsi, bomlása pedig a tűz két fő feltételét, megfelelő hőmérsékletet és oxigént eredményezi, így könnyen meggyullad és végigég.

Tipp: Nézz utána, mi a különbség a diffúziós és a kevert égés között!

Tűzgyújtás vízzel Helyezz egy vattacsomót vagy kisebb adag nitrocellulózt egy porcelántálkába és szórj rá kevés nátrium-peroxidot. Óvatosan cseppents rá vizet, minek hatására a nátrium-peroxidból hidrogén-peroxid szabadul fel. A vatta a keletkező hidrogén-peroxid oxidáló hatásától meggyullad. A kísérlet ügyesen beépíthető a Láncreakcióba, hiszen csak azt kell megoldanod, hogy az előre elkészített nátrium-peroxidos vattára cseppenjen egy csepp víz.

Műanyagok A műanyagok mesterséges úton előállított, vagy átalakított óriásmolekulájú anyagok, szerves polimerek. A hétköznapokban szinte mindenhol találkozhatunk velük. A műanyagok egy viszonylag új csoportja a szuperabszorbens polimerek, melyek nagy mennyiségű vizet és vizes oldatokat képesek felszívni és magukban tartani. Legnagyobbrészt részlegesen semlegesített, enyhén térhálósított poliakrilsavból készülnek. Szuperabszorbenst használnak például nedvszívásra a pelenkákban és az egészségügyi betétekben, valamint a mezőgazdaságban a talajnedvesség megkötésére. A műanyag és a szuperabszorbens különleges szereplője lehet a Láncreakciónak. Lássunk néhány példát!

24

Kémia

Duzzadó szuperabszorbens Tölts meg egy poharat félig szuperabszorbenssel, majd önts rá egy egész pohárnyi vizet. Mivel a szuperabszorbens nagy mennyiségű víz megkötésére képes műanyag, így magába zárja a folyadékot. A víz felvétele jelentős térfogatnövekedéssel jár, így az anyag a sokszorosára duzzad, kitölti a teljes poharat és még akkor sem folyik ki, ha felborítod a poharat. Tipp: Tudtad, hogy már létezik olyan környezetbarát műanyag, amelyik képes teljesen lebomlani? Nézz utána!

Elfogyó műanyag Állíts egy nikecell tömböt acetonba. A műanyag lassan oldódni kezd, térfogata folyamatosan csökken. Ezt a folyamatot a Láncreakcióban is könnyedén felhasználhatod, ha a műanyag tömb tetejére például egy vasgolyót helyezel, ami aztán a műanyag oldódása miatt elgurul és megmozdítja a Láncreakció következő elemét.

Órareakciók Azokat a kémiai folyamatokat nevezzük órareakcióknak, melyekben a pillanatszerű változás egy bizonyos (a körülmények változtatásával befolyásolható) idő elteltével játszódik le. Az ilyen folyamatok kinetikája meglehetősen bonyolult, de a lényeg az, hogy eltérő sebességű, párhuzamos és sorozatos reakciók zajlanak. Ha a látványért felelős anyag lassúbb folyamatban keletkezik, mint amilyen fogyasztja, a változás nem észlelhető. Ha az első reakció gyors, az hamar leáll, hirtelen felszaporodik a változást előidéző anyag, és azonnal észleljük a változást. Az ilyen látványos folyamatok izgalmassá tehetik a Láncreakciót. Lássunk egy példát! Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon! „Aranyóra” Mérj ki egy kémcsőbe 5 ml 1 mólos nátrium-tioszufát-oldatot, egy másik kémcsőbe pedig 5 ml 0,1 mólos nátrium-arzenit-oldatot, és ez utóbbihoz adj 1 ml tömény ecetsavat, majd öntsd össze a két kémcső tartalmát. Ha a mennyiségeket jól mérted ki, kb. 30 másodperc elteltével aranysárga csapadék jelenik meg az üvegben. A keletkező csapadék az arzén-szulfid. „Old Nassau” reakció Keverj ki háromféle oldatot három kémcsőbe az alábbiak szerint: „A” oldat: 0,3%-os higany(II) klorid oldat, „B” oldat: 15 g nátrium-hidrogénszulfit és 6 g keményítő 1000 ml oldatban, „C” oldat: 15 g kálium-jodát 1000 ml vízben oldva. Ha mindhárom megvan, önts egy főzőpohárba kevés vizet (20-40 ml), majd indítsd el a mágneses keverőt és A-B-C sorrendben adagold az oldatok azonos térfogatait (100-100 ml) a vízbe. Miután az utolsó kémcső tartalmát is beleöntötted a főzőpohárba, néhány másodperc múlva az oldat narancs, majd további néhány másodperc múlva egy szempillantás alatt sötétkék színű lesz.

25

Kísérletek


Detergensek A detergensek felületaktív anyagok, amelyek csökkentik az oldószer - rendszerint víz - felületi feszültségét, ezáltal elősegítik a vízben nem oldódó anyagok (pl. zsírok és olajok) vízben való eloszlatását (diszpergálását). A legtöbb detergens olyan molekulákat vagy ionokat tartalmaz, amelyek egy poláros (hidrofil) és egy apoláros (hidrofób) részből állnak, és így lehetővé teszik emulzió kialakulását. Lássuk, hogyan építhetsz be detergenssel való kísérletet a Láncreakcióba! Vízfelszínen futó por Petri-csészében lévő vízre szórj erősen hidrofób likopódiumot*, ami a víz felületén egyenletesen eloszlik. Ha ezután egy csepp detergenst csöppentesz a Petri-csésze közepébe, a por „szétfut” a vízfelületen. Mi a magyarázat? A detergens molekulái úgy helyezkednek el a víz felületén, hogy poláris (hidrofil) részük a víz felé, míg apoláris (hidrofób) részük „kifelé” áll. Ennek a rétegnek a kialakulása idézi elő a por mozgását a felületen. * a korpafüvek spóráiból előállított, halványsárga színű por Tipp: Nézz utána, kémiai szerkezetük alapján milyen négy csoportba sorolhatók a detergensek.

Ozmózis Az oldódási folyamatban a híg oldat áramlik a töményebb oldat felé. Ha a két oldatot egy ún. „féligáteresztő hártya” választja el, akkor azon a kis molekulák (az oldószer) átjut, de a nagyok nem. Ez az ozmózis jelensége. Ez az érdekes látvány is színesítheti a Láncreakciót. Lássuk, hogyan! Vegyész virágoskertje Szórj 1:1 hígítású vízüvegoldatba „virágmagokat”, azaz különböző fémsókat (pl. vas(III)-szulfát, nikkel-klorid, mangán(II)-szulfát, króm(III)-klorid, kobalt-klorid, réz-szulfát, magnézium-nitrát) A só oldódni kezd, de az oldatba kerülő fémionok a meta-szilikát-ionnal félig áteresztő hártyaszerű csapadékot képeznek. Az ozmózis miatt a hártyán belül megnő a nyomás, ettől a csapadékhártya kireped, majd a „kibuggyanó” fémionokkal újra kialakul. Így növekednek a „növények”. Mivel ez a reakció lassan megy végbe, érdemes a Láncreakció elejére betervezned! Csupán azt kell megoldanod a gépezetben, hogy a fémsók a vízbe szóródjanak.

26

Kémia

Termoszkóp A termoszkóp egy hőmérsékletváltozást szemléltető eszköz, ami tulajdonképpen egy szivató palack és egy u-csöves manométer kombinációja. A szivató palack nyílásába kell helyezni egy nagyobb méretű kémcsövet, amiben a kiválasztott kémiai reakció lejátszatható. Ha a folyamat hőt termel, a palackban megnő a levegő nyomása, amit a manométer folyadékszintje jelez. A manométer szárából kifolyó folyadék alkalmas lehet arra, hogy további mozgást indítson el a Láncreakcióban. Lássuk, hogyan! Hőre induló folyadék Oldj fel vízben nátrium-hidroxidot, majd a kémcsövet helyezd a szivató palack nyílásába! Az exoterm reakció hatására a palackban megnő a levegő nyomása, amit a manométer folyadékszintje jelez: a manométer szárából elindul a folyadék. Figyelem, veszélyes anyag! A kísérlet elvégzése fokozott elővigyázatosságot igényel, mely szigorúan csak tanári felügyelet mellett, a megfelelő óvintézkedések betartásával és védőfelszerelések használatával ajánlott. Semmiképp se próbáld ki otthon!

27

Köszönetnyilvánítás Ezúton mondunk köszönetet partnereinknek és szakértőinknek a Láncreakció Tudományos Verseny szakmai támogatásáért: • Oláh Julianna, BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, tudományos főmunkatárs • Dőring András, Óbudai Egyetem, Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar, docens • Gröller György, Óbudai Egyetem, Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar, főiskolai docens • Hell Péter, Óbudai Egyetem, Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar, főiskolai tanár • Dr. Szalay Luca, ELTE Kémiai Intézet, adjunktus • Viola Kornélia, ELTE, meteorológia szakos hallgató • Magyar Kémikusok Egyesülete Külön köszönetet mondunk a kémia kísérleteket bemutató videófilmek elkészítésében való közreműködésért : • Dr. Murányi Zoltán, Eszterházy Károly Főiskola, Kémia tanszék, tanszékvezető főiskolai tanár • Oldal Vince, Eszterházy Károly Főiskola, Kémia tanszék, tanár • Tóthné Balogh Ágnes, Eszterházy Károly Főiskola, Kémia tanszék, laboráns Valamint külön köszönetet mondunk Kovács Mária tanárnőnek és az egri Szabó Lőrinc Középiskola diákjainak a versenyt bemutató videófilm elkészítésében való közreműködésükért. Szakmai lektor: • Dr. Riedel Miklós, ELTE Fizikai Kémiai Tanszék, tudományos főmunkatárs Tartalom összeállítása: • Szendőfi Borbála, főszerkesztő, Chemgeneration.com

Szerzői jogok A jelen kiadvány tartalma kizárólag információs célokat szolgál, előzetes értesítés nélkül módosítható és nem értelmezendő a szerkesztők állásfoglalásaként. A szerkesztők nem vállalnak felelősséget és garanciát a kiadványban található esetleges hibákért vagy pontatlanságokért. A szerzői jogok tulajdonosai előzetes engedélyének hiányában a kiadvány, illetve annak részei semmilyen formában nem másolhatók, nem tárolhatók olyan eszközön, amely lehetővé teszi annak reprodukálását, továbbá nem továbbíthatók. A jelen kiadványban megtalálható valamennyi szerzői jog, védjegy, logó és cégnév a tulajdonosaik tulajdonát képezi. Minden tőlünk telhetőt megtettünk a szerzői jog által védett anyagok tulajdonosainak azonosítása és az anyagok felhasználására vonatkozó engedélyek beszerzése érdekében. Amennyiben hibát követtünk el az ilyen jellegű elismerések tekintetében vagy akaratlanul bármilyen szerzői jogot megsértettünk, ezúton is elnézést kérünk, és igéretet teszünk arra, hogy a hibát a lehető legrövidebb idő alatt helyrehozzuk. Copyright © 2013 Minden jog fenntartva.

Tudományos verseny. Fizika és kémia kísérletek. Láncreakció Tudományos Verseny Kézikönyv. középiskolásoknak

Recommend Documents