Suolaiset vedet Suolaiset vedet on yksi töistä, jotka kuuluvat kansainvälisen kemian vuoden 2011 aikana järjestettävään maailmanlaajuiseen kokeeseen. Suurin osa maapallon vedestä on osana liuoksia ja sisältää siihen liuenneita suoloja. Tässä työssä oppilaat pääsevät mittaamaan vesinäytteen suolaisuutta. Työ tarjoaa mahdollisuuden tutustua liuosten luonteeseen ja meriveden koostumukseen. Oppilaat pääsevät myös osallistumaan kansainväliseen kokeeseen syöttäessään luokan mittaustulokset karttapohjalle. Suolaiset vedet -työ on yksi maailmanlaajuiseen kokeeseen kuuluvista neljästä kokeellisesta työstä. Se voidaan kuitenkin suorittaa myös itsenäisenä kokonaisuutena. Sisältö: - ohjeet tulosten lisäämisestä karttapohjalle - työohjeet - oppilaan työlomake - mittaustuloslomake (luokka) - ohjeita opettajalle - esimerkkitulokset Tulosten lisääminen karttapohjalle Lisättäessä Suolaiset vedet -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: Veden tyyppi (merivesi, joensuu, järvi): Veden suolaisuus (g/kg): Näytteenottopaikka (kuvaus paikasta) Kokeeseen osallistuvien oppilaiden lukumäärä: Koulun/luokan rekisteröintinumero:
Suolaisten vesien tutkiminen Vedellä on erityinen rooli elämässämme: vesi peittää noin 70 % maapallosta ja puolet kehonpainostamme on vettä. Tämän työn tarkoituksena on tutustua yhteen veden tärkeistä ominaisuuksista, eli sen kykyyn liuotta monia erilaisia aineita. Liuetessaan veteen aine, esimerkiksi ruokasuola tai sokeri, katoaa näkyvistä. Yksi tapa saada liuennut aine pois liuoksesta on haihduttaa vesi. Työssä määritetään veden suolaisuus haihduttamalla vettä. Kemistit määrittävät useiden erilaisten yhdisteiden veteen liuenneita määriä. Syynä tähän voi olla halu tietää miten maailma ympärillämme toimii, tai tarve pitää ihmiset turvassa ja terveinä. Työssä tarvittavat välineet - matala lasi- tai muoviastia, esimerkiksi petrimalja (läpinäkyvässä astiassa suolakiteet on helpompi havaita) - edelliselle astialle kansi, joka ei estä ilmaa virtaamasta - mitta-astia veden tilavuuden määrittämiseksi - vaaka, jolla voidaan punnita vesiastia 0,1 g:n tarkkuudella Menetelmä: Suolaisuuden määrittäminen massan avulla 1. Ota vesinäyte (vähintään 100 ml) merestä tai muusta merkittävästi suolaisesta luonnonvedestä (samaa vesinäytettä voidaan tutkia myös Planeetan ph -työssä). 2. Punnitse välineissä kuvattu astia mahdollisimman tarkasti ja kirjoita tulos työlomakkeeseen kohtaan m D 3. Mittaa mahdollisimman tarkasti noin 100 ml vettä ja kirjoita määrä ylös työlomakkeeseen kohtaan V SW. Laita mittaamasi vesimäärä astiaan. 4. Punnitse astia ja vesi yhdessä. Kirjaa tulos työlomakkeeseen kohtaan m D+SW. Haihduta vesi toisella alla kuvatuista menetelmistä: 5. Auringon avulla haihduttaminen: Aseta astia aurinkoon ja peitä se läpinäkyvällä kannella, joka päästää ilman virtaamaan mutta estää kuitenkin pölyn pääsyn astiaan. Haihduttaminen voi viedä jopa useamman päivän, joten tarkkaile näytettä säännöllisesti. 6. Levyllä haihduttaminen: Kuumenna levy noin 80 o C:ta lämpötilaan ja aseta astia levylle. Tarkkaile lämmitystä säännöllisesti ja estä vettä kiehumasta tai roiskumasta. HUOM. astian on oltava kuumennusta kestävää lasia! Kuivuuden tarkistaminen: Suorita alla kuvattu vakiopainoon kuivaaminen, jotta näyte on varmasti kuiva. 7. Punnitse astia ja suola ja kirjaa tulos ylös työlomakkeeseen. 8. Laita astia takaisin auringonvaloon tai levylle ja odota 15-30 minuuttia. 9. Anna astian jäähtyä, punnitse se uudelleen ja kirjaa tulos.
10. Jos jälkimmäisestä punnituksesta saadaan alhaisempi massa, toista vaiheet kahdeksan ja yhdeksän. 11. Jatka tätä kunnes punnitustulos ei muutu. 12. Viimeinen tuloksesi on astian ja suolan massa m D+S. Suolaisuuden laskeminen 13. Laske suolan massa vähentämällä loppupunnituksesta pelkän astian massa: suolan massa m S = m D+S - m D (grammoina) 14. Laske seuraavaksi suolaveden massa: suolaveden massa m SW = m D+SW - m D (grammoina) 15. Lopuksi määritä suolaisuus eli saliniteetti S: ms S 1000 (grammaa/kilogramma) m SW Määritetty suolaisuus kirjataan luokan tulokset yhteen kokoavaan mittaustuloslomakkeeseen. Lisätyö: muiden vesinäytteiden suolaisuuden tutkiminen Myös muiden saatavilla olevien vesinäytteiden suolaisuus voidaan tutkia yllä kuvatulla menetelmällä. Lisätyö: suolaisuuden määrittäminen tutkimalla sähkönjohtavuutta Suolaisuus voidaan määrittää myös sähkönjohtavuusmittarin avulla.
Oppilaan työlomake Kirjaa alla olevaan taulukkoon työn aikana saamiasi mittaustuloksia ja vastaa lopussa oleviin kysymyksiin. Suolavesinäyte Lisänäyte (vapaaehtoinen) Astian massa m D (g) Vesinäytteen tilavuus V SW (ml) Astian ja vesinäytteen massa m D+SW (g) Vakiopainoon kuivattaminen: Astian ja suolan massa 1 (g) Astian ja suolan massa 2 (g) Astian ja suolan massa 3 (g) Lopullinen kuivan astian ja suolan massa m D+S (g) Laskut: Suolan massa m S Vesinäytteen massa m SW Suolaisuus S msw Vesinäytteen tiheys (g/ml) V SW Lisätyö - sähkönjohtavuus Suolaisuus sähkönjohtavuuden perusteella (psu)
Kysymys 1 Tarkastele astiaa veden haihduttamisen jälkeen. Näetkö suolakiteitä? Suolakiteissä on tasainen valoa heijastava pinta, jos niiden koko on tarpeeksi suuri. Kiteet näkyvät paremmin suurennuslasin tai mikroskoopin avulla. Kirjaa ylös havaintosi suolan ulkonäöstä. Kysymys 2 Vertaa saamaasi suolaisuutta luokan keskiarvoon. Miten selittäisit mahdollisia eroja? Kysymys 3 Jos tutkimasi vesinäyte oli merivettä, vertaa luokan keskiarvoa meriveden normaaliin suolapitoisuuteen, joka on 3,5 massaprosenttia. Miten selittäisit mahdollista poikkeamaa tästä arvosta? Jos tutkimasi näyte on muusta lähteestä, selvitä mikä sen normaali suolapitoisuus on. Kysymys 4 Miten merivedessä uidessaan pystyy toteamaan veden olevan tiheämpää kuin makea vesi, jonka tiheys on hieman alle 1 g/ml lämpötilassa 20 o C?
Mittaustuloslomake (luokka) Kirjatkaa taulukkoon oppilaiden saamat suolaisuudet. Kirjatkaa taulukon loppuun myös tiedot, jotka tarvitaan lisättäessä tulokset karttapohjalle. Mahdolliset lisätöinä tutkitut vesinäytteet Ryhmä 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Keskiarvo Suolavesinäytteen suolaisuus (g/kg) A B C D Näytteenottopaikka: Veden tyyppi: Näytteenoton päivämäärä: Veden lämpötila: Kokeeseen osallistuneiden oppilaiden määrä:
Ohjeita opettajalle Alla esitetään työhön liittyviä lisätietoja opettajan avuksi. Työ on tarkoitettu tehtäväksi osana muita kansainvälisen vesiprojektin töitä, jotta oppilaat ymmärtäisivät veden ja veteen liittyvän kemian merkityksen ihmisille ja planeetallemme. Työ voidaan kuitenkin toteuttaa myös kokonaisuudesta irrallaan, jolloin se tarjoaa oppilaille mahdollisuuden osallistua kansainväliseen tieteelliseen työskentelyyn yhdessä muiden lasten ja nuorten kanssa. Tässä työssä oppilaat tutkivat liuoksia yleensä ja erityisesti liuokseen liuenneita aineita. Sekä tämä työ että Aurinkotislaamo-työ käyttävät haihduttamista erottaakseen liuottimen ja siihen liuenneet aineet. Tässä työssä tulisi käyttää luonnosta löytyvää suolaista vettä, mikäli mahdollista. Oppimismahdollisuudet Työn aikana oppilaat: - tutkivat suolaa sisältävän vesiliuoksen ominaisuuksia - käyttävät haihduttamista suolan erottamiseksi liuoksesta - mittaavat veden suolaisuuden ja käyttävät luokan saamaa keskiarvoa omien tulostensa arviointiin - tutustuvat muihin tapoihin määrittää suolaisuus (lisätyö) Työn suunnittelu Työ kannattaa toteuttaa parityönä, jotta välineet riittävät hyvin. Työn pystyy suorittamaan 1-2 tunnin aikana, mikäli haihdutus tehdään levyllä. Jos haihduttamiseen käytetään aurinkoa, työ kannattaa jakaa kahdelle päivälle. Haihdutusastian kannattaa olla halkaisijaltaan suurehko ja reunoiltaan matala, jotta vesi haihtuu nopeasti. Petrimalja, jonka halkaisija on 15 cm, toimii hyvin. Ennen työn suoritusta tarkasta, että käytetyn astian ja veden kokonaismassa voidaan mitata tarkasti. Saatu tulos on sitä tarkempi mitä enemmän vettä käytetään, mutta silloin myös haihdutukseen kuluu enemmän aikaa.
Työn toteutus Työ jakautuu kolmeen osaan: 1. Aluksi oppilaat valmistelevat työssä tarvittavat välineet. He punnitsevat työssä käytettävän haihdutusastian, mittaavat käyttämänsä suolaveden tilavuuden sekä punnitsevat astian ja suolaveden kokonaismassan. Oppilaiden saamat tulokset paranevat, jos he toistavat punnitukset useita kertoja ja harjoittelevat vaa an sekä tilavuusmitan käyttöä. 2. Haihdutukseen kuluva aika riippuu huomattavasti olosuhteista ja käytetyistä välineistä. Ennen työn toteuttamista kannattaa testata kuinka kauan haihduttaminen valituilla välineillä ja menetelmillä vie aikaa. Suolaisuuden määrittämisen suurin virhelähde on kosteana punnittu suola. Vakiopainoon kuivattaminen on yleisesti käytetty menetelmä kuivuuden varmistamiseksi ja sitä kannattaa käyttää tässäkin työssä. Menetelmä opettaa oppilaille, että tarkkojen tulosten saamiseen vaaditaan huolellisia mittauksia. Nuoremmat oppilaat eivät kuitenkaan välttämättä ymmärrä toimenpidettä, ja vakiopainoon kuivattamisen voikin jättää väliin, jos opettaja määrittää etukäteen kuinka kauan suolavettä tulee haihduttaa täysin kuivan suolanäytteen saamiseksi. 3. Kolmannessa vaiheessa lasketaan suolaisuus S. Ohjeissa esitetyt kaavat on tarkoitettu yläkouluun ja lukioon. Yleensä koejärjestely kannattaisi toistaa tulosten laadun määrittämiseksi, mutta koska työ vie paljon aikaa voidaan laatua valvoa määrittämällä kaikista luokan tuloksista keskiarvo, joka lisätään kansainväliset tulokset kokoavalle karttapohjalle. Vesinäytteet Valtamerien vesistä otetut näytteet ovat ihanteellisia tässä työssä käytettäviksi, sillä niiden suolaisuus on helppoa mitata. Meriveden suolapitoisuus on noin 3.5 %, mikä tarkoittaa että oppilaat saavat suolaa 3-4 grammaa kun vettä on 100 ml. Mikäli veden suolapitoisuus on alhaisempi (Itämeren suolapitoisuus on n. 0,7 %), voidaan valmistaa myös keinotekoista merivettä lisäämällä 35 g ruokasuolaa 1 l:aan vettä. Oppilaat voivat sitten harjoitella haihduttamista synteettisellä merivedellä ennen kuin he tutkivat vähäsuolaista luonnonvettä. Jos vesinäytteessä on silminnähtäviä epäpuhtauksia, se kannattaa suodattaa ennen työn aloittamista.
Lisätyöt Muiden vesinäytteiden tutkiminen Oppilaat voivat tutkia muiden vesinäytteiden suolaisuutta määrittääkseen kuinka paljon suolaisuus vaihtelee erilaisissa yleisissä nesteissä. Jokainen oppilas voi esimerkiksi tuoda tutkittavaksi jonkin nesteen, jotta luokka saisi yleiskuvan siitä millaisella välillä suolaisuudet vaihtelevat. Kannattaa kuitenkin tarkastaa, ettei nesteissä ole liuenneena paljon muita yhdisteitä suolojen lisäksi. Suolaisuuden määrittäminen mittaamalla sähkönjohtavuutta Oppilaat voivat myös tutkia suolaisuutta johtavuusmittauksella, jos koululla on käytössä sähkönjohtavuusmittari. Mittarilla saatua tulosta voidaan verrata haihdutuksesta saatuun tulokseen. Kvalitatiivinen johtavuusmittari voidaan myös rakentaa yleisistä laboratoriovälineistä. Tällöin oppilaille voidaan demonstroida että suolaliuokset johtavat sähköä ja että sähkönjohtavuus on riippuvainen suolapitoisuudesta. Ilmiöiden selittäminen Peruskoulun alaluokat Alakoulussa työ tarjoaa oppilaille tilaisuuden käyttää yksinkertaisia laitteita ja harjoitella ilmiöiden havainnointia ja havaintojen kirjaamista. Työssä vaaditut laskut tulee käsitellä luokan tasolle sopivasti. Veden laatu ja saatavuus ovat tärkeitä kemian kysymyksiä ja niiden tulisi tulla oppilaille tutuiksi juomaveden ja veden kautta kulkevien tautien yhteydessä. Työ tarjoaa tilaisuuden osoittaa kirkkaan veden sisältävän monia eri aineita, jotka voivat olla ihmisille hyödyllisiä tai haitallisia. Näiden aineiden määrä eli konsentraatio voi vaihdella ja aineet voidaan myös erottaa vedestä. Työhön liittyy myös mahdollisuus tutustua haihtumiseen ja kiteytymiseen luonnossa tapahtuvina prosesseina. Yläkoulu
Edellisten oppimismahdollisuuksien lisäksi oppilaat voivat käyttää ja kehittää laskutaitojaan ja tutustua tilavuuden ja massan suhteeseen konsentraation ja tiheyden määrittämisessä. Myös SIyksiköiden käyttöä erilaisten määrien ilmaisemiseen voidaan käsitellä yläkoulussa. Yläkoululaisten kanssa voidaan tutustua käsitteisiin liuos, liukeneminen, liukoisuus ja kiteytyminen. Myös jako johonkin tiettyyn liuottimeen liukeneviin ja liukenemattomiin aineisiin voidaan käsitellä. Tutkimalla haihduttamisen ja liuottamisen vaikutusta kiteytymiseen työtä voidaan myös laajentaa. Olomuodon muutoksen teoriaa voidaan käsitellä alakoulua tarkemmin haihtumisen yhteydessä, samoin kiteytymistä. Lukio Kvantitatiivinen lähestymistapa mahdollistaa tarkemman tutustumisen mittauksista ja laskuista saatuihin arvoihin. Työ sopii hyvin konsentraation, ainemäärän ja reaktioyhtälöiden kertoimien käsittelyyn. Työssä voidaan myös tutkia mitä suoloja merivedestä löytyy. Sähkönjohtavuuden mittaaminen ja suolaisuuden määrittäminen siten sopii hyvin lukiossa tehtäväksi lisätyöksi, sillä se osoittaa olevan muitakin keinoja suolaisuuden kvantitatiiviseen määrittämiseen. Taustatietoa Valtameren normaali suolapitoisuus on noin 3,5 massaprosenttia. Suolan määrä ilmoitetaan usein suolaisuutena eli saliniteettina S, joka mitataan prosenttien sijaan tuhannesosina. Suolaisuus kertoo kuinka monta grammaa eri suoloja on liuennut 1000 g:aan merivettä. Tätä kutsutaan myös absoluuttiseksi saliniteetiksi. Merivesi on rakenteeltaan monimutkaista ja sen suolapitoisuus vaihtelee merkittävästi. Kaikki suolat koostuvat ioneista, esimerkiksi natrium- ja kloori-ionit muodostavat natriumkloridia. Vedessä ionit eroavat toisistaan ja siksi merivedessä on erillisiä ioneja (katso taulukko alla)
Taulukko 1. Tyypillisiä ionipitoisuuksia merivedessä. ioni g/kg kloori Cl - 19,345 natrium Na + 10,752 sulfaatti SO 4 2-2,701 magnesium Mg 2+ 1,295 kalsium Ca 2+ 0,416 kalium K + 0,390 bikarbonaatti HCO 3-0,145 bromidi Br - 0,066 boraatti BO 3 3-0,027 strontium Sr 2+ 0,013 fluoridi F - 0,001 Menetelmiä suolaisuuden määrittämiseen Ensimmäinen menetelmä suolaisuuden määrittämiseksi oli kemiallinen Knudsen-Mohr-menetelmä, joka perustui kloori-, bromidi- ja jodidi-ionien analyysiin. Menetelmään kuului näiden ionien saostaminen hopeanitraatin avulla. Saatu sakka punnittiin ja kloori-ioni konsentraatio laskettiin punnituksen perusteella. Ensimmäinen empiirinen kaava, jonka avulla tämä klooripitoisuus muutettiin absoluuttiseksi suolaisuudeksi S on vuodelta 1902: S = 0,03 + 1,805 x (Cl). Vuonna 1969 UNESCO ehdotti uutta kaavaa, jonka mukaan S = 1,80655 x (Cl). Suolaisuus 35 vastaa kloorisuutta 19,374. Myös veden sähkönjohtavuus kertoo sen sisältämistä ioneista ja siten suolaisuudesta. Kokeellinen menetelmä perustuu vesinäytteen sähkönjohtavuuden vertaamiseen erilaisiin standardeihin. Standardeina käytetään kaliumkloridiliuoksia. 1978 meritieteilijät määrittivät suolaisuudelle uuden asteikon Practical Salinity Units (psu), jossa meriveden sähkönjohtavuutta mitataan suhteessa kaliumkloridiliuokseen. Saaduilla suhdeluvuilla ei ole yksiköitä, joten suolaisuus 35 vastaa suolaisuutta35. Standardisuolaliuoksia, joiden sähkönjohtavuus tunnetaan, on kehitetty meriveden sähkönjohtavuuden tutkimisessa käytettyjen suolaisuusmittareiden kalibrointia varten. Meriveden suolaisuuden tarkka selvittämisen on kohottanut maailmanlaajuiseksi huolenaiheeksi ilmastonmuutos, johon liittyvissä ympäristöongelmissa veden suolapitoisuudella on keskeinen rooli.
Esimerkkitulokset Kirjaa alla olevaan taulukkoon työn aikana saamiasi mittaustuloksia ja vastaa lopussa oleviin kysymyksiin. Suolavesinäyte Lisänäyte (vapaaehtoinen) Astian massa m D (g) 73,2 74,5 Vesinäytteen tilavuus V SW (ml) 102 97 Astian ja vesinäytteen massa m D+SW (g) 178,5 172,1 Vakiopainoon kuivattaminen: Astian ja suolan massa 1 (g) 78,5 75,7 Astian ja suolan massa 2 (g) 77,0 75,7 Astian ja suolan massa 3 (g) 77,0 Lopullinen kuivan astian ja suolan massa m D+S (g) 77,0 75,7 Laskut: Suolan massa m S 3,8 1,2 Vesinäytteen massa m SW 105,3 97,6 Suolaisuus S 36 12 msw Vesinäytteen tiheys (g/ml) 1,03 1,01 V SW Lisätyö - sähkönjohtavuus Suolaisuus sähkönjohtavuuden perusteella (psu)
Kysymys 1 Tarkastele astiaa veden haihduttamisen jälkeen. Näetkö suolakiteitä? Suolakiteissä on tasainen valoa heijastava pinta, jos niiden koko on tarpeeksi suuri. Kiteet näkyvät paremmin suurennuslasin tai mikroskoopin avulla. Kirjaa ylös havaintosi suolan ulkonäöstä. Suurin osa astiassa olevasta aineesta on puuterimaista ja väriltään rusehtavaa. Osa aineesta astian keskellä koostui suuremmista palasista, jotka kimaltelivat kun niitä osoitti taskulampulla. Kysymys 2 Vertaa saamaasi suolaisuutta luokan keskiarvoon. Miten selittäisit mahdollisia eroja? Luokan saama keskiarvo suolaveden suolaisuudelle oli 36,7 g/kg, mikä on hieman suurempi kuin ryhmämme tulos. Mutta monilla muilla ryhmillä tulokset eivät olleet yhtä lähellä kuin meillä. Kysymys 3 Jos tutkimasi vesinäyte oli merivettä, vertaa luokan keskiarvoa meriveden normaaliin suolapitoisuuteen, joka on 3,5 massaprosenttia. Miten selittäisit mahdollista poikkeamaa tästä arvosta? Jos tutkimasi näyte on muusta lähteestä, selvitä mikä sen normaali suolapitoisuus on. Luokan saamat tulokset osoittivat että näytteen suolaisuus on hyvin lähellä meriveden normaalia arvoa. Hieman korkeampi arvo voi johtua siitä, että näyte otettiin matalasta kohdasta, missä vesi oli lämmintä ja siitä suurempi osa oli ehkä haihtunut. Kysymys 4 Miten merivedessä uidessaan pystyy toteamaan veden olevan tiheämpää kuin makea vesi, jonka tiheys on hieman alle 1 g/ml lämpötilan ollessa 20 o C? Merivedessä on helpompaa kellua kuin makeassa vedessä. Alkuperäinen työohje löytyy osoitteesta http://www.chemistry2011.org/participate/activities/show?id=92