Planeetan ph (ph of the Planet)

Transkriptio

1 Planeetan ph (ph of the Planet) Planeetan ph on yksi töistä, jotka kuuluvat kansainvälisen kemian vuoden 2011 aikana järjestettävään maailmanlaajuiseen kokeeseen. Tässä työssä oppilaat tutkivat paikallisesta luonnonvedestä otettua näytettä mittaamalla sen ph:n käyttäen apunaan indikaattoriliuoksia. Oppilaiden mittaustuloksista määritelty vesinäytteen ph lisätään verkossa olevalle karttapohjalle. Sisältö: - ohjeet koetulosten lisäämisestä karttapohjalle - opettajan ohje - mittaustuloslomake (luokka) - oppilaan ohje - ohjeita opettajalle - ehdotuksia lisätöiksi - esimerkkitulokset - indikaattorien värikartat ja värikoodit Koetulosten lisääminen karttapohjaan Lisättäessä Planeetan ph -työssä kerättyjä tuloksia karttapohjalle tulisi ilmoittaa alla pyydetyt tiedot. Mikäli koululuokka on kuitenkin jo rekisteröitynyt karttapohjalle tehdessään jotakin muuta projektiin kuuluvaa työtä, tulisi nyt saadut tulokset liittää näihin aiempiin tietoihin. Näytteenoton päivämäärä: Vesi, josta näyte on otettu (esim. Vantaajoki): Paikallisen vesilähteen ph: Veden tyyppi (makea, suolainen, mereen laskevan joen suistovesi, murtovesi, valtameri): Lämpötila: Kokeeseen osallistuvien oppilaiden lukumäärä: Koulun/luokan rekisteröintinumero:

2 Opettajan ohje Työn kuvaus Oppilaat mittaavat pienissä ryhmissä tai pareittain paikallisen luonnonveden ph:n. Työ jakautuu kolmeen osaan: 1. Paikallisen vesinäytteen ph:n mittaus. 2. Tulosten analysoiminen ja lisääminen karttapohjalle. 3. Muiden vesinäytteiden analysoiminen. (lisätyö) Työssä tarvittavat välineet ja reagenssit - 6 valkeaa tai läpinäkyvää näyteastiaa, joihin saa laitettua vettä vähintään 1 cm:n kerroksen - 1 pipetti - 1 huuhteluvesipullo - bromitymolisininen-indikaattoria (bromothymol blue) (katso valmistusohjeet Ohjeita opettajalle -osuudesta) - m-kresolipurppura-indikaattoria (katso valmistusohjeet) - indikaattorien värikartat - vesinäyte paikallisesta luonnonvedestä Lisäksi valinnaiseen osuuteen tarvitaan: - muita vesinäytteitä - yleisindikaattoria Työn kulku Vesinäytteen ph:n mittaus 1. Numeroi näyteastiat 1-6 ja merkitse astian reunaan viiva 0,5 cm:n korkeudelle pohjasta. 2. Laita astioihin 1-3 osa luonnonvedestä otetusta näytteestä. Täytä astiat merkin kohdalle. 3. Lisää kuhunkin vesiastiaan kolme pisaraa bromitymolisinistä ja sekoita liuokset heiluttelemalla näyteastioita. 4. Määritä värikartan avulla kunkin liuoksen ph. Tulokset kirjataan yhden desimaalin tarkkuudella. 5. Jos näytteen ph on 7,6 tai korkeampi, laita astioihin 4-6 uudet vesinäytteet ja toista mittaus käyttämällä indikaattorina m-kresolipurppuraa. Kirjaa ph:t yhden desimaalin tarkkuudella. Tulosten analysointi ja lisääminen karttapohjalle 6. Pohdi kumpi indikaattori antoi paremman tuloksen näytteen ph:lle. 7. Laske vesinäytteen keskimääräinen ph käyttämällä edellisessä kohdassa paremmaksi todetulla indikaattorilla saatuja tuloksia. 8. Lisää saamasi keskiarvo luokan tulokset kokoavaan taulukkoon. 9. Kun luokan tulokset on koottu taulukkoon, laskekaa niistä vesinäytteen keskimääräinen ph. 10. Opettaja auttaa oppilaita lisäämään saadun tuloksen karttapohjalle yhdessä näytteen ja koulun tietojen kanssa. Muut vesinäytteet (lisätyö) 11. Toista ph:n mittaus ja tulosten analysointi muille saatavilla oleville vesinäytteille. Älä kuitenkaan lisää karttapohjalle kuin luonnonvesistä otetuista näytteistä saatuja tuloksia. 12. Huuhdo näyteastiat huolella aina näytteiden välillä jotta tulokset eivät vääristyisi. Lisätietoa työstä löytyy kohdasta Ohjeita opettajalle.

3 Mittaustuloslomake (luokka) Oppilaiden saamat ph-arvojen keskiarvot kirjataan taulukkoon. Taulukkoon voidaan kirjata paikallisen luonnonveden ph:n lisäksi myös mahdollisista muista näytteistä mitatut tulokset. Taulukon loppuun voidaan koota tulosten raportointiin tarvittavat lisätiedot. Vesinäytteet ph ryhmä (paikallinen ph (A) ph (B) ph (C) ph (D) ph (E) vesinäyte) keskiarvo Paikallinen vesilähde: Veden tyyppi: Näytteenottopäivä Lämpötila: Kokeeseen osallistuvien oppilaiden lukumäärä:

4 Oppilaan ohje Tässä työssä määrität paikallisesta luonnonvedestä otetun näytteen happamuuden mittaamalla veden ph:n, joka auttaa sinua vertailemaan eri vesinäytteitä keskenään. Pystyt esimerkiksi vertaamaan tässä työssä saamiasi tuloksia muiden koulujen oppilaiden mittaustuloksiin, jotka nämä ovat keränneet ympäri maailmaa. Vesinäytteen ph:n mittaus 1. Numeroi näyteastiat 1-6 ja merkitse astian reunaan viiva 0,5 cm korkeudelle pohjasta. 2. Laita astioihin 1-3 osa luonnonvedestä otetusta näytteestä. Täytä astiat merkin kohdalle. 3. Lisää kuhunkin vesiastiaan kolme pisaraa bromitymolisinistä ja sekoita liuos heiluttelemalla näyteastioita. 4. Määritä värikartan avulla kunkin liuoksen ph. Tulokset kirjataan yhden desimaalin tarkkuudella. 5. Jos näytteen ph on 7,6 tai korkeampi, laita astioihin 4-6 uudet vesinäytteet ja toista mittaus käyttämällä indikaattorina m-kresolipurppuraa. Kirjaa ph:t yhden desimaalin tarkkuudella. Vesinäytteet ph näyteastia indikaattori (paikallinen ph (A) ph (B) ph (C) ph (D) ph (E) vesinäyte) bromitymolisininen m-kresolipurppura 5 6 keskiarvo Tulosten analysointi ja kirjaaminen karttapohjalle 6. Pohdi kumpi indikaattori antoi paremman tuloksen näytteen ph:lle. 7. Laske vesinäytteen keskimääräinen ph käyttämällä edellisessä kohdassa paremmaksi todetulla indikaattorilla saatuja tuloksia. 8. Lisää saamasi keskiarvo luokan tulokset kokoavaan taulukkoon. 9. Kun luokan tulokset on koottu taulukkoon, laskekaa niistä vesinäytteen keskimääräinen ph. 10. Lisätkää opettajan ohjaamana saamanne tulos yhdessä näytteen ja koulun tietojen kanssa kansainväliselle karttapohjalle.

5 Ohjeita opettajalle Tässä työssä oppilaat tutkivat happamuutta mittaamalla vesinäytteen ph:n. Mittaustaitojen kehittämisen lisäksi työssä perehdytään mittaustulosten luotettavuuden parantamiseen ja luotettavuuden arviointiin. Lopuksi oppilaat voivat verrata paikallisesta vesinäytteestä mittaamiaan tuloksia ympäri maailmaa kerätyistä vesinäytteistä saatuihin tuloksiin, jotka löytyvät karttapohjalta. Planeetan ph -työn toteutus Alla olevat ohjeet on tarkoitettu auttamaan opettajaa työn käyttämisessä oppitunneilla. Ohjeissa käsitellään seuraavia aiheita: - työn suorittaminen ja tarkoitus - oppimismahdollisuudet (alakoulu, yläkoulu ja lukio) - vaadittavat materiaalit ja välineet - työturvallisuus - taustatietoa ph:sta ja happamuudesta - lisätöitä Työn suorittaminen ja tarkoitus Työ on tarkoitettu osaksi vettä käsittelevää opintokokonaisuutta. Se voidaan kuitenkin suorittaa myös kurssin aihekokonaisuuksista irrallisena työnä, joka tarjoaa oppilaille mahdollisuuden osallistua kansainväliseen kokeeseen. Alla esitetään erilaisia tapoja muokata työtä opettajan tarkoituksiin ja ajankäyttömahdollisuuksiin sopivaksi. Oppimismahdollisuudet Tieteellinen työskentely - happamuuden mittaaminen ja tulosten pätevyyden arviointi - tulosten tulkinta käyttämällä hyväksi tietoa vesilähteestä ja sen ympäristöstä - tieteellisten kysymysten esittäminen - tieteellisen tutkimuksen suorittaminen Kemian tiedot - hapot ja emäkset - happojen ja emästen kemialliset reaktiot - ph happamuuden mittarina Alakoulu Työ tarjoaa alakoulun oppilaille mahdollisuuden suorittaa tutkimus yksinkertaisten välineiden avulla ja määrittää tulokset vertailemalla liuoksen väriä indikaattorin värikarttaan. Oppilaiden tulisi kuitenkin tuntea jo desimaaliluvut ja ymmärtää keskiarvon laskeminen tapana saada tietoa näytteen ominaisuuksista. Happamuus sopii teemana hyvin alakouluun, sillä se liittyy ruuan ja kotikemikaalien kautta läheisesti oppilaiden arkeen. Happamuus on myös hyvä esimerkki kemiallisesta reaktiosta. ph-asteikkoa tulisi käsitellä alakoulussa pelkästään happamuuden mittarina, joka jakautuu happamaan, neutraaliin ja emäksiseen osaan. ph:n kemiallista puolta ei kannata tuoda esiin. ph-asteikon avulla oppilaat voivat oppia matalien ja korkeiden ph-arvojen haitallisuuden.

6 Yläkoulu Happamuutta selitettäessä voidaan käsitellä vety- ja oksoniumioneja, sekä yksinkertaisia reaktioyhtälöitä. Lukio Selityksissä voidaan tuoda esiin vahvat ja heikot hapot, sekä kemiallinen tasapaino, jos se sopii kurssin muuhun sisältöön. ph:n mittaamiseen voidaan käyttää myös esim. ph-mittaria. Vaadittavat materiaalit ja välineet Vesinäytteet voidaan kerätä esimerkiksi muoviseen 1,5 l:n juomapulloon. Jos näyte varastoidaan ennen mittauksia, sitä tulisi säilyttää jääkaapissa. Jääkaapissa säilötyn näytteen annetaan lämmetä huoneenlämpöiseksi ennen ph:n mittaamista. Mittaukset tulisi suorittaa pian korkin avaamisen jälkeen. Vesinäyte, jonka tiedot lisätään karttapohjalle, tulisi ottaa merestä, joesta, järvestä tai suuresta lammesta, joka on helposti tunnistettavissa. Tällöin oppilaat muissa kaupungeissa ja maissa pystyvät helpommin vertaamaan saamiaan karttapohjalta löytyviin tuloksiin. Indikaattorit Jos oppilaat tuovat tutkittavaksi omia vesinäytteitään, tulisi tunnille varata myös yleisindikaattoria, joka toimii luonnonvesiä korkeammilla tai alhaisemmilla ph-alueilla. Bromitymolisinisistä saa mm. akvaariokaupoista ja sitä käytetäänkin kotiakvaarioiden vedenlaadun tarkkailussa. M-kresolipurppuraa käytetään meriveden tutkimiseen. Bromitymolisinisen valmistusohje: Liuota 0,1 grammaa bromitymolisinistä 16 ml:aan 0,01 molaarista natriumhydroksidiliuosta. Kun bromitymolisininen on liuennut, lisää hitaasti 234 ml:aa (tislattua) vettä. Säilytä huoneenlämmössä. m-kresolipurppuran valmistusohje: Liuota 0,1 g m-kresolipurppuraa 26 ml:aan 0.01 molaarista natriumhydroksidiliuosta. Kun m-kresolipurppura on liuennut, lisää hitaasti 224 ml:aa (tislattua) vettä. Säilytä huoneenlämmössä. Työturvallisuus Käytetyt kemikaalit eivät ole liuoksina vaarallisia. Kiinteät indikaattorit ovat kuitenkin haitallisia, etenkin nieltyinä. Indikaattoreita valmistettaessa tulisikin käyttää suojalaseja ja suojahansikkaita. Taustatietoa happamuudesta ja ph:sta Hapot ovat monesti ensimmäinen yhdisteryhmä, jonka yhteydessä koulussa puhutaan kemiallisesta reaktiosta. Monia happoja, esimerkiksi etikkaa, suolahappoa tai sitruunahappoa, käytetään myös kotioloissa. Rikki- ja fosforihappo ovat puolestaan esimerkkejä teollisuudessa suurissa määrissä käytettävistä hapoista. Hapot reagoivat emästen, jotka muodostavat toisen tärkeän yhdisteryhmän, kanssa. Ammoniakki, natriumbikarbonaatti ja natriumhydroksidi ovat esimerkkejä emäksistä. Happoja ja emäksiä tunnetaan tuhansia ja monet niistä ovat tärkeitä elämän kemiassa. Yleisimmät happo-emäsreaktiot tapahtuvat vesiliuoksessa. Vesi pystyykin toimimaan sekä happona että emäksenä, minkä vuoksi vettä käytetään happamuuden ja emäksisyyden määrittämiseksi: puhdasta vettä ja

7 liuoksia, jotka ovat yhtä happamia kuin puhdas vesi, kutsutaan neutraaleiksi. Happo-emäsreaktioita kutsutaan usein neutraloitumisreaktioiksi. Etikkahappo + natriumbikarbonaatti vesi + natriumasetaatti + hiilidioksidi Hapon voimakkuus kertoo kuinka tehokkaasti happo tai emäs reagoi veden kanssa. Suolahappo on tyypillinen vahva happo: lisättäessä suolahappoa veteen lähes kaikki happomolekyylit reagoivat vesimolekyylien kanssa. Etikkahappo on esimerkki heikosta haposta, joka reagoi vain osittain veden kanssa. Tällöin veteen jää reagoimattomia etikkahappomolekyylejä. Myös emäkset voidaan jakaa vahvoihin ja heikkoihin emäksiin. Hapon voimakkuuden määrittäminen on tärkeää, koska se kertoo meille miten happoliuos voi reagoida. Esimerkiksi väkevä suolahappo on tehokasta sementinpuhdistusainetta, kun taas väkevä etikkahappo on huomattavasti tehottomampaa. Happoliuoksen laimentaminen vedellä laskee sen happamuutta ja on siksi hyvä tapa vähentää happo- tai emäsroiskeiden vaarallisuutta. ph-asteikko on liuoksen happamuuden mittari. Yleisimpien liuosten ph on välillä Alhaiset arvot kuvaavat suurempaa happamuutta. Oikealla on esitetty joidenkin happojen ja emästen ph-arvoja. Vahvoilla hapoilla on alhaisin ph ja esimerkiksi väkevällä rikkihapolla voi olla negatiivinen ph-arvo. Vahvoilla emäksillä on korkeimmat arvot, jopa yli 14. Puhdas vesi on neutraalia ja sen ph on huoneenlämmössä noin seitsemän. Mitatun ph-arvon hyödyllisyys perustuu siitä saatavaan tietoon hapon ja veden välisen reaktion etenemisestä. ph kertoo meille miten suuri osa lisätystä haposta, esimerkiksi suolahaposta, reagoi: HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - Reaktiossa syntyy positiivisia ja negatiivisia ioneja. Oksoniumionit H 3 O + aiheuttavat vesiliuoksen happamuuden. Happojen hyödyllisyys yhdisteryhmänä perustuu osittain sille, että kaikki hapot muodostavat vedessä oksoniumioneja ja niillä on siksi joukko yhteisiä ominaisuuksia. (By Edward Stevens (Own work) [CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons) Suolahapon ionisoituminen vedessä on lähes täydellistä ja suolahappo onkin vahva happo. Etikkahapon tapauksessa oksoniumioneja muodostuu vähemmän ja suurin osa etikkahappomolekyyleistä jää ionisoitumatta. ph:n mittaus perustuu oksoniumionikonsentraation määrittämiseen. Konsentraatiovaihtelu on niin suurta, että ph:n määrittämisessä käytetään logaritmiasteikkoa: ph = -log 10 [H 3 O + ] Tämä tarkoittaa sitä, että ph:n ollessa 8,5, oksoniumionikonsentraatio on tuhannesosa ph 5,5:n oksoniumionikonsentraatiosta.

8 ph:n määrittämiseen käytetään yleensä indikaattoria tai ph-mittaria. Indikaattorit ovat heikkoja, värillisiä happoja, jotka muuttavat väriään menettäessään vetyionin happo-emäsreaktiossa. Tämä reaktio on usein palautuva ja indikaattori voi toimia happona ja emäksenä. - H + bromitymolisininen bromitymolisininen - + H + happomuoto emäsmuoto Värinmuunnos tapahtuu yleensä H 3 O + -ionikonsentraation kasvaessa kymmenkertaiseksi tai pienentyessä kymmenesosaan, jolloin värinmuunnos tapahtuu ph:n muuttuessa yhdellä. Yleisindikaattoreiksi kutsutut indikaattorit, joiden värinmuunnos tapahtuu laajemmilla ph-alueilla, ovat useiden eri indikaattoreiden seoksia. ph-mittarit mittaavat liuoksen sähköistä potentiaalia lasisella elektrodilla, joka on herkkä ph:n muutoksille. Lasiset mittapäät rikkoutuvat herkästi ja niitä tuleekin säilyttää ja käsitellä varoen. Oikein käytettynä mittapää saattaa säilyä toimintakuntoisena jopa yli kaksi vuotta. ph-mittarien elektrodien ominaisuudet muuttuvat ajan kuluessa, joten mittarit tulee kalibroida säännöllisin väliajoin. Kalibrointiin käytetään puskuriliuoksia, joiden ph tunnetaan. Puskuriliuokset ovat yleensä seos heikon hapon happo- ja emäsmuodoista. Liuokset voidaan joko valmistaa itse ohjeen mukaan tai ostaa valmiina. ph-arvojen tulkitseminen Työssä saatuja ph-arvoja on syytä tulkita huolella. Valaistus, jossa liuoksia ja indikaattorin värikarttaa verrataan voi vaikuttaa tulokseen, samoin kuin mittaustapa ja työssä käytetty välineistö. Makean veden ph vaihtelee paljon lähteestä riippuen, yleensä välillä 6,5 8,0. Merivesi on yleensä puskuroitua ja sen ph vaihtelee vähemmän, ollen yleensä välillä 8,1-8,4. Lämpötilamuutokset voivat vaikuttaa näytteen ph-arvoon tai vaikuttaa ph-mittarin toimintaan. Lämpötilan vaihtelun aiheuttamat muutokset ovat pieniä, mikäli lämpötila pysyy lähellä o C:ta, mutta matalammassa tai korkeammassa lämpötilassa ph:n vaihtelu on suurempaa. Luonnosta otetun näytteen ph voi riippua myös vuorokaudenajasta, jolloin näyte otettiin: Hengittäessään vedessä elävät eliöt tuottavat hiilidioksidia, joka laskee veden ph:ta. Päiväsaikaan tapahtuvassa fotosynteesissä kuitenkin kuluu hiilidioksidia, jolloin veden ph kasvaa. Myös alueen geologia vaikuttaa veden ph-arvoon. Kalkkikivi voi kohottaa ph:ta huomattavasti. Merenpohjan kalkkikivi ja muut kalsiumkarbonaatin lähteet vaikuttavat osaltaan meriveden luontaiseen ph-arvoon 8,3, mutta ilmastonmuutoksen myötä mereen on liuennut tavallista enemmän hiilidioksidia, joka laskee ph:ta. Tämä lasku on tosin hyvin vähäistä.

9 Lisätöitä Seuraavat työt voivat auttaa oppilaita ymmärtämään syvällisemmin happamuutta ja ph:ta. ph:n muuttaminen - kokeita, jotka auttavat ymmärtämään ph:n riippuvuuden mittausolosuhteista. Esimerkiksi puhaltamisen vaikutus vesinäytteen ph:hon ph jokapäiväisessä elämässä - ph-mittauksia jokapäiväisistä kohteista: esimerkiksi kotoa löytävistä nesteistä tai maaperästä Luonnonindikaattorit - kotitekoisiin indikaattoreihin, esimerkiksi punakaalimehuun, tutustuminen Luonnonilmiöiden vaikutus ph:hon - luonnonveden ph:n mittaamista eri vuorokaudenaikoina ja esimerkiksi sateen jälkeen

10 Esimerkkitulokset (luokka) Oppilaiden saamat ph-arvojen keskiarvot kirjataan taulukkoon. Taulukkoon voidaan kirjata paikallisen luonnonveden ph:n lisäksi myös mahdollisista muista näytteistä mitatut tulokset. Taulukon loppuun voidaan koota tulosten raportointiin tarvittavat lisätiedot. Vesinäytteet ryhmä ph ph ph (paikallinen (hanavesi) (akvaario) vesinäyte) ph (meri) ph (D) ph (E) 1 6,7 8,0 6,6 8,1 2 6,9 7,9 6,5 8,0 3 6,5 8,0 6,6 8,1 4 6,7 8,0 6,7 8,2 5 6,7 8,4 6,4 8,0 6 6,9 8,1 6,3 8,0 7 6,8 7,7 6,3 8,4 8 6,8 8,0 6,5 8,1 9 6,8 8,1 6,7 8,4 10 6,7 8,1 6,7 8,3 11 6,8 8,2 6,5 8,3 12 6,6 7,8 6,6 8,1 13 6,6 7,8 6,4 8, keskiarvo 6,7 8,0 6,5 8,2 Paikallinen vesilähde: Brisbane-joki Oxleyn koulua vastapäätä Veden tyyppi: makea Näytteenottopäivä: Lämpötila: 23,5 o C Kokeeseen osallistuvien oppilaiden lukumäärä: 25

11 Indikaattorien värikartat Indikaattorien RGB-arvot ph 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 bromitymolisininen m-kresolipurppura Alkuperäinen työohje löytyy osoitteesta