Земната атмосфера, океанът от въздух, който покрива планетата, се състои предимно от азот и кислород, с малки количества други газове. Навсякъде по света ли съдържанието на кислород във въздуха е еднакво? Колко кислород има във въздуха на морското равнище? А във въздуха високо в Рила планина? На върха на Еверест? Колко кислород има във въздуха, който дишате всеки ден? Изпробвайте този STEM проект и ще разберете!
Същност на проекта
В този STEM проект учениците проверяват колко точно е количеството на кислорода във въздуха, който дишат всеки ден. За целта те изследват химичните и физичните свойства на кислорода и изчисляват процентното съдържание на кислород във въздушни проби от обкръжаващата ги среда, с помощта на процеса ръждясване. На база направените проучвания и експеримент, учениците тестват различни методи за изследване на количеството на кислорода във въздуха. Всеки екип тества своите идеи в лабораторни условия и представя получените резултати в избран формат. Учениците дискутират използваните методи, откриват техните предимства и недостатъци, определят кой от тях може да даде най-достоверни резултати.
Цели по предметно знание
В работата по този STEM проект са заложени следните учебни цели:
- назоваване на веществата, изграждащи земната атмосфера;
- дефиниране на следните термини и понятия – атмосфера, кислород, атмосферно налягане, окисляване, ръждясване;
- посочване на физичните и химичните свойства на кислорода;
- записване на химични формули на прости вещества и химични съединения;
- изравняване на химични уравнения;
- определяне на процентно съдържание;
- откриване на достоверни методи за определяне на количеството кислород във въздуха;
- анализ на данни.
Цели по ключови умения
- развиване на творческото, критичното и аналитичното мислене на учениците чрез намиране на решение за конкретен проблем;
- повишаване наблюдателността на учениците посредством откриване на причинно-следствените връзки между строежа на веществата и техните химични свойства;
- конструктивна работа в екип.
Времетраене
Работата по проекта може да бъде осъществена в рамките на три учебни часа.
Необходими материали
За този STEM проект всяка от работните групи ще има нужда от следните материали:
- Две епруветки с еднакъв размер;
- Самозалепваща лента;
- Перманентен маркер;
- Две бехерови чаши – трябва да бъдат чисти и с еднаква височина;
- Стойка за епруветки със скоби – по една за всяка работна група;
- Стоманена вата;
- Работен лист за изследване на съдържанието на кислорода във въздуха.
Теоретична постановка
Атмосферата е жизненоважна за живота на Земята. Тя предпазва организмите от вредното лъчение на слънцето, като същевременно улавя достатъчно слънчева светлина и топлина, за да направи условията на планетата подходящи за развитието на живота. Атмосферата съдържа и кислород, от който се нуждаем, за да поддържаме клетъчното дишане – метаболитният процес, който осигурява химическата енергия, необходима за осъществяване на всички жизнени процеси. Как можем да определим количеството на кислорода във въздуха, който дишаме?
За целта кислородът трябва да бъде отделен от останалите газове във въздуха. Това може да бъде направено чрез химическа реакция на окисляване на желязото, известно още като ръждясване. В присъствието на кислород и вода, желязото ръждясва. Кислородът се свързва с железните атоми и водата, за да създаде железни оксиди.
В настоящия проект учениците използват фина стоманена вата, която поставят на дъното на епруветка. Ватата се намокря, епруветката се обръща с отвора надолу и се монтира така, че отворът да е потопен под вода. По този начин в епруветката са събрани всички необходими химични вещества, необходими за реакцията: желязо в стоманената вата, кислород и водни пари във въздуха в епруветката. Тъй като желязото ръждясва, кислородът от въздушната проба в епруветката се изчерпва. Промяната в количеството на газообразните вещества в епруветката ще доведе до намаляване на налягането вътре в нея. Същевременно експерименталната постановка продължава да бъде под въздействието и на атмосферното налягане. Всичко това води до промяна на нивото на водата в епруветката. Чрез измерване на нивото на водата в началото на експеримента и в края (когато нивото на водата е спряло да се променя), на база получената разлика, може да се изчисли колко кислород е бил използван за окисляване на стоманената вата.
Подготовка
- Уверете се, че всички реактиви и пособия, които ще използвате за експеримента отговарят на изискванията за безопасност на употреба.
- Пригответе по една поставка за епруветки, две епруветки и две бехерови чаши за всяка работна група.
Ангажиращо въведение
- Дискутирайте физичните и химичните свойства на кислорода. Определете кои от тях правят кислорода жизнено необходим за живота на Земята.
- Разделете класа на четири работни групи и раздайте на всеки ученик по един работен лист за изследване на съдържанието на кислорода във въздуха. Представете целите на настоящия STEM проект.
Изпълнение
След като учениците се запознаят с целите и изискванията по проекта, групите изследват как могат да определят съдържанието на кислород във въздуха с помощта на процеса ръждясване.
- За начало учениците трябва да напълнят бехеровите чаши с вода, така че да са почти пълни. Във всички чаши трябва да има еднакво количество вода.
- От външната страна на епруветките се поставя лента хартиено тиксо, върху която се отбелязва нивото на водата. На около един сантиметър от отвора на епруветките се поставя линия с перманентен маркер. Когато епруветката се потопи в бехеровата чаша, водата трябва да стига до марката.
- От стоманената вата се откъсва достатъчно количество, за да се направи топка с диаметър около 2,5 см. След това ватата се натъпква с молив надолу към дъното на три от епруветките.
- Всички епруветки се изплакват с вода (една със стоманена вата и една без), като за целта те се пълнят с вода, оставят се за една минута и след това водата се излива. Водата ще навлажни стоманената вата в епруветките, които я съдържат, като по този начин ще гарантира наличието на достатъчно вода за окислителната реакция. Третирането на епруветките без стоманена вата по същия начин гарантира, че всички променливи се контролират.
- След това епруветките се обръщат с отвора надолу и се монтират на щипките на поставката за епруветки, така че отвора на епруветките да потъва във водата в бехеровата чаша до марката.
- Експерименталните установки се оставят настрана до следващия час по химия, който класа има по програма. Необходимо е да са минали поне два дни от началото на експеримента, за да има видими резултати.
- Учениците отчитат нивото на водата в епруветките, като измерват разстоянието между отвора на епруветката и нивото на водата вътре в нея в края на експеримента. В кои епруветки нивото на водата се промени?
- За тези епруветки, в които има разлика в нивото на водата, учениците трябва да изчислят обема, който съответства на тази разлика. За целта се използва формулата за обема на цилиндър: V = π × r² × h, където
- V е обемът в кубични сантиметри (cm³)
- π е константата pi, приблизително равна на 3,14
- r е радиусът на цилиндъра (cm)
- h е височината на цилиндъра (cm)
- Първоначално учениците трябва да изчислят общия начален обем въздух във всяка епруветка. Не забравяйте, че в част от епруветките има вата, чийто обем трябва да бъде изваден от общия обем на епруветката.
- След това учениците изчисляват обема на водата във всички епруветки. В епруветките с вата този обем би следвало да е по-голям, в сравнение с празните епруветки.
- Учениците пресмятат средноаритметичния обем на водата в празните и в пълните епруветки. След това от обема на водата в пълните епруветки се изважда обема на водата в празните.
- Получената стойност съответства на обема на кислорода, който е бил изразходен за процеса на окисление.
- На база получените резултати за обема на въздуха в епруветките и обема на изразходвания кислород, се изчислява процентното съотношение на кислорода във въздушните проби.
- След това учениците трябва да измислят други методи за изчисление на количеството на кислорода във въздуха, като вземат предвид химичните и физичните свойства на кислорода.
- Всяка група съставя план за работа, който включва: начин на протичане на реакцията, необходими условия, реактиви и пособия, както и очаквания резултат. Уверете се, че учениците планират да изследват химични реакции, които са безопасни за изследване в лабораторни условия.
- За следващия час по химия учениците трябва да се снабдят с материали/проби, от които ще имат нужда за своя експеримент.
- Всяка от работните групи тества в лабораторни условия планирания метод за изследване на съдържанието на кислород във въздуха. Следете внимателно работата на учениците и се уверете, че спазват всички указания за безопасност.
- Получените резултати се записват в работните листове и се сравняват с получените в първия опит. Какви са достойнствата и недостатъците на изследвания метод?
Заключителна част
Всички работни групи представят пред класа своя метод за изследване на количеството на кислорода във въздуха. За целта учениците записват на дъската химичното уравнение, отразяващо изследвания процес, и означават формулата на всяко от химичните вещества. След това обясняват причините за избора на своя метод, в съответствие с химичните и физичните вещества на кислорода. Накрая представят получените резултати, предимствата и недостатъците на избрания метод.
Анализирайте кои от изследваните методи са постигнали очакваните резултати. Какви са възможните грешки, които могат да възникнат и да доведат до получаване на недостоверни данни? Какви химични реакции са използвали учениците?
Дискутирайте как протичат химичните реакции. Колко време отнема всяка от тях? Как учениците разбират кога реакцията е спряла да протича и каква е причината за това?
Възможности за надграждане на проекта
- Сравнете нивата на кислород във въздуха, събран от различни локации, например: натоварен булевард, иглолистна гора, широколистна гора, нива, индустриална зона, високопланински район. Къде очаквате да намерите най-големи количества кислород?
- Можете ли да използвате изследваните методи за откриване на съдържанието на кислород в издишания въздух? Направете проучване и разберете колко кислород консумираме, когато дишаме. Смятате ли, че този метод е достатъчно “чувствителен”, за да открие разликата? Проектирайте експеримент, за да разберете.
- Проверете колко лесно се разтваря кислородът във вода. Може ли разтвореният кислород да повлияе на резултатите?
- Открийте начин да предотвратите процеса на ръждясване в епруветките.
За какво да внимаваме
Запознайте учениците с правилата за безопасност в химичната лаборатория. Уверете се, че всички разбират добре възможните рискове от нараняване и прилагат всички необходими предпазни мерки.
В този интересен STEM проект учениците изследват основните химични и физични свойства на кислорода. В процеса на работа те търсят начини да използват тези свойства за изследване на определени химични процеси, откривайки по този начин и факторите, които влияят върху протичането им. По този начин учениците откриват физическия израз на химическите уравнения и изграждат по-позитивни нагласи към химията като цяло.
За статията е използван следния ресурс, който е допълнен с личния опит на автора:
