Aurinkotislaus Aurinkotislaus on yksi töistä, jotka kuuluvat kansainvälisen kemian vuoden 2011 aikana järjestettävään maailmanlaajuiseen kokeeseen. Tässä työssä oppilaat rakentavat auringonvalon avulla toimivan tislauslaitteiston ja tutkivat sen tehokkuutta. Tarkoituksena on kehittää oppilaiden ymmärrystä vedestä nesteenä ja kaasuna ja antaa heille kuva tislauksesta veden puhdistamismenetelmänä. Työhön kuuluu myös haastetehtävä, jossa oppilaat saavat suunnitella ja rakentaa mahdollisimman tehokkaan tislaamon. Luokan tehokkaimman tislaamon kaavakuva voidaan lisätä yhdessä valokuvan kanssa kansainväliselle karttapohjalle. Aurinkotislaus on yksi maailmanlaajuiseen kokeeseen kuuluvista neljästä kokeellisesta työstä. Se voidaan kuitenkin suorittaa myös itsenäisenä kokonaisuutena. Sisältö: - ohjeet koetulosten lisäämisestä karttapohjalle - työohjeet - oppilaan työlomake - ohjeita opettajalle - kuinka tislaamo toimii - esimerkkitulokset - vaihtoehtoinen rakenne tislaamolle Tulosten lisääminen karttapohjalle Lisättäessä Puhdasta vettä -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): Veden tyyppi (hanavesi, joki, meri): Kaavakuvan tiedostonnimi: Valokuvan tiedostonnimi: Tislaamon tehokkuus Kokeeseen osallistuvien oppilaiden lukumäärä: Koulun/luokan rekisteröintinumero:
Aurinkotislaus Haaste: Tässä työssä on tarkoitus rakentaa auringon energialla toimiva tislauslaitteisto, aurinkotislaamo, ja tutkia kuinka sitä voi käyttää veden puhdistamiseen. Haasteena on kehittää laitteistosta parempi versio. Vesi peittää suurimman osan maapallon pinnasta (noin 70 %) ja suurin osa siitä on suolaista merivettä. Myös suuri osa muusta maanpäällisestä tai maanalaisesta vedestä on suolaista tai muuten ihmiskäyttöön soveltumatonta. Ihmisten määrän kasvaessa tarvitaan uusia menetelmiä puhdistaa vettä. Aurinkotislaamo on laitteisto, joka käyttää auringonvaloa vedenpuhdistukseen. Tislaamon rakenne riippuu käyttötarkoituksesta, esimerkiksi meriveden suolanpoistoon ja kotitalousveden puhdistukseen käytetään erilaisia laitteita. (Työn A-osalle esitetään tämän tekstin lopussa vaihtoehtoinen menetelmä niitä kouluja varten, joilla on käytössään laboratoriovälineitä.) Osa A: tislauslaitteiston rakentaminen Välineet - suuri metalli- tai muovikulho - pieni matala lasi tai kuppi (puhdas) - mittalasi tai -kannu - muovikelmua (kulhoa suurempi pala) - pikkukivi - kuumaa vettä - elintarvikeväriä ja suolaa Työn kulku 1. Lisää tunnettu määrä kuumaa vettä kulhoon (noin 1 cm kerros) 2. Lisää elintarvikeväriä ja noin teelusikallinen suolaa kulhossa olevaan veteen 3. Vie kaikki välineet ja tarvikkeet aurinkoiselle ja tasaiselle paikalle. 4. Aseta lasi tai kuppi kulhon keskelle varoen. Kulhossa olevan veden ei saisi antaa roiskua lasin sisään. 5. Peitä kulho löysästi roikkumaan jäävällä kelmulla. Sulje tiukasti, käyttäen tarvittaessa narua tai teippiä. 6. Aseta pikkukivi kelmun päälle siten että se roikkuu lasin tai kupin päällä (katso kuva). 7. Jätä rakentamasi tislaamo vähintään tunniksi aurinkoon. Mitä pidempään kulho saa olla auringossa sen parempi, mutta tarkasta että lasiin tai kuppiin on kertynyt vettä ennen kuin siirryt seuraavaan vaiheeseen.
8. Vie tislaamo takaisin sisätiloihin ja poista kelmu. Ota lasi tai kuppi pois kulhosta varoen räiskyttämästä vettä. 9. Mittaa lasiin kertyneen veden tilavuus. 10. Tarkkaile tislaamasi veden väriä ja testaa onko siinä suolaa. 11. Määritä puhdistetun veden prosenttiosuus koko tislaamossa olleesta vesimäärästä: puhtaan veden tilavuus puhdistetun veden osuus (%) = 100 tislaamoon lisätyn veden tilavuus 12. Pohdi työn aikana tehtyjen havaintojen ja saatujen tulosten perusteella mitä vedelle tapahtui. Miksi sitä kutsutaan puhdistetuksi vedeksi? Kirjaa tulokset työlomakkeeseen. Osa B: suunnitteluhaaste Tämän osan tarkoituksena on muokata A-osassa käytettyä tislauslaitteistoa tehokkaammaksi. 13. Mieti keinoja parantaa aurinkotislaamon tehokkuutta. Yksi tapa olisi esimerkiksi valita kulho, joka värinsä puolesta imee auringonvaloa mahdollisimman tehokkaasti. Kirjoita keksimäsi ideat muistiin. 14. Keskustele ideoistasi opettajan kanssa ja pyydä häneltä lupa suorittaa koe uudelleen keksimilläsi muutoksilla. 15. Suorita tislaus uudelleen. Mittaa taas alussa käytettävän veden ja tislatun veden tilavuuden. 16. Laske puhdistetun veden prosenttiosuus ja kirjaa se työlomakkeeseen. 17. Jos sinulla on aikaa, jatka laitteistosi kehittämistä. Muista pyytää aina lupa opettajalta ennen uuden kokeen aloittamista. 18. Piirrä tehokkaimmasta rakentamastasi aurinkotislaamosta kaavakuva, josta käy ilmi miten se on alkuperäistä versiota tehokkaampi. Ota rakentamastasi tislaamosta myös valokuva mikäli mahdollista. 19. Vastaa työlomakkeen kysymyksiin. 20. Palauta täytetty työlomake opettajallesi luokan tehokkaimman aurinkotislaamon valitsemista varten. Valitun tislaamon tiedot lisätään kansainväliselle karttapohjalle.
Oppilaan työlomake Kirjaa taulukkoon saamasi tulokset ja puhdistetun veden prosenttiosuus. koejärjestely lisätyn veden tilavuus (ml) kerätyn veden tilavuus (ml) puhdistetun veden prosenttiosuus A-osa B-osa A-osa 1. Kerro omin sanoin miten tislauslaitteisto toimii. 2. Kuvaile yksi keino parantaa laitteiston tehokkuutta.
B-osa 3. Kuvaile menetelmä, jolla voit parantaa tislauslaitteiston tehokkuutta ja esitä ideasi sitten opettajalle. 4. Kun olet testannut paranneltua versiota laitteistostasi, piirrä kaavakuva sen toimintaperiaatteesta. 5. Lisää tähän vielä valokuva uudesta aurinkotislaamostasi.
Opettajan ohje Tämä työ voidaan toteuttaa kahdella tavalla: ensimmäinen sopii kaikenikäisille oppilaille ja se voidaan toteuttaa yksinkertaisin ja arkisin välinein. Toinen tapa soveltuu oppilaille, joilla on käytössään laboratoriovälineitä. Työturvallisuus Työhön ei liity mitään erityisiä vaaratekijöitä. Helpoin tapa testata tislatun veden suolaisuus on maistaminen. Mikäli työssä on käytetty laboratoriovälineitä, maistamista ei kuitenkaan ole mahdollista. Työssä kannattaisikin käyttää esimerkiksi kotitaloustunneilla käytettäviä astioita, ja suorittaa se muualla kuin kemianluokassa. Aurinkotislaamo Työ kannattaa tehdä parityönä, mutta oppilaat voivat työskennellä myös yksin. A-osassa oppilaat rakentavat yksinkertaisen tislauslaitteiston ja käyttävät sitä veden puhdistamiseen. Heitä pyydetään miettimään laitteiston toimintaperiaatetta. A-osa olisi hyvä päättää luokassa käytävään keskusteluun, jonka aikana opettaja voi varmistaa oppilaiden ymmärtäneen menetelmän tieteellisen selityksen. B-osassa oppilaille esitetään haaste kehittää tislauslaitteistoa, jotta suurempi osa tislaamoon laitettavasta vedestä saataisiin puhdistettua. Opettajan tulee pitää huolta oppilaiden kehittämien parannusten turvallisuudesta ja auttaa oppilaita huomioimaan tietonsa tislauslaitteiston toimintaperiaatteesta kehitystyössä. Suoritettuaan kokeen uudelleen oppilaat piirtävät kaavakuvan, joka esittää heidän kehittämänsä parannukset. Olisi myös hyvä ottaa valokuvat oppilaiden rakentamista laitteistoista. Työn lopuksi opettajan tulee valita luokan paras tislaamo, ja lisätä sen tiedot kansainväliselle karttapohjalle.
Oppimismahdollisuudet Työn aikana oppilaat voivat - oppia aineen olomuotoihin liittyviä käsitteitä ja ilmiöitä - oppia tislausta käytettävän veden puhdistamiseen - kehittää tieteellisen selityksen tislausprosessille - käyttää saamiaan tietoja tislauksesta hyväkseen teknologian kehittämisessä Neuvoja A-osan suorittamiseen: - työ kannattaa tehdä pilvettömänä päivänä keskipäivän aikoihin - lämpimän veden käyttö nopeuttaa prosessia - oppilaita tule auttaa tiivistämään tislausastiat huolella, jottei vettä pääse karkaamaan - työ kannattaa testata etukäteen, jotta käytetty väri ja suolamäärä varmasti toimivat - jos auringonvaloa ei ole riittävästi, työn voi suorittaa myös käyttämällä kulhon sijaan kattilaa, jota lämmitetään hitaasti levyllä. Tällöin lasi tai kuppi tulisi eristää kattilan pohjasta. Suunnitteluhaasteen järjestäminen B-osa tarjoaa oppilaille mahdollisuuden sekä käyttää kekseliäisyyttään tislauslaitteiston tehokkuuden parantamiseksi että tutustua tieteen ja teknologian suhteeseen. Teknologiseen prosessiin kuuluu yleensä jokin kriteeri, jonka perusteella tuotteita voidaan arvioida. Tässä työssä suunnittelun kriteerit tulisi ilmaista oppilaille selkeästi. Nuorten oppilaiden kanssa jo pelkkä helposti määritettävä tehokkuusprosentin parantaminen riittää kriteeriksi, mutta myös muita kriteereitä voidaan lisätä oppilaiden tason mukaan. Esimerkiksi tislausajalle voidaan asettaa jokin kriteeri. Esimerkkikriteereitä: - kuluva aika - käytetty astia - astian väri - veden määrä - tislaamon muoto - keräysmekanismi
Tislauslaitteen toimintaperiaate Yhteenveto Kun vesi lämpenee, yhä suurempi osa siitä haihtuu kaasuna. Haihtunut vesi tiivistyy viileillä pinnoilla, kuten tislauslaitteen kelmulla, takaisin nesteeksi. Tiivistyneet vesipisarat valuvat kelmun pintaa pitkin pikkukiven kohdalle ja putoavat sitten pieneen lasiin tai kuppiin astian pohjalla. Puhdistava vaikutus perustuu siihen, ettei väriaine tai suola haihdu. Asia voidaan selittää syvällisemmin jos oppilaat ovat tutustuneet aineen molekyylirakenteeseen ja oppineet energiakäsitteen: Tislauslaitteeseen tuleva auringonvalo imeytyy veteen ja astian pintaan, jolloin molekyylit ja ionit imevät eli absorboivat itsensä auringon energiaa. Osa vesimolekyyleistä imee tarpeeksi energiaa katkaistakseen vuorovaikutuksensa nestemäisen veden kanssa ja pakenee kaasuna. Osa näistä kaasuna kulkevista vesimolekyyleistä menettää törmäyksissä kelmun kanssa energiaa ja jää kiinni kelmuun. Vesimolekyylit menettävät lisää energiaa kun ne kokoontuvat yhteen ja muodostavat vesipisaroita, jotka valuvat kuppiin. Taustatietoa Vaikka työssä käsitelläänkin haihtumista ja tiivistymistä vedenpuhdistuksen yhteydessä, oppilaille tulisi selventää näiden kahden ilmiön pätevän yleisesti nesteille ja kaasuille. Haihtumista ja tiivistymistä voidaan käyttää monien jokapäiväisten tapahtumien selittämiseen, kuten miksi tuuli tuntuu iholla kylmältä, miten jääkaappi toimii ja kuinka makea vesi kiertää planeetallamme. Prosessin ymmärtämisen kannalta keskeisessä osassa on energia, jota sitoutuu haihtumisessa ja vapautuu tiivistymisessä. Kun altistamme ihomme tuulelle, ihollamme olevaa kosteutta haihtuu, mikä vaatii energiaa. Tästä energian kulumisesta aiheutuu kylmän tuntemus. Aurinkotislaus-työn tapauksessa veden haihtumisen vaatima energia saadaan auringosta. Haihtumisen ja tiivistymisen ymmärtäminen tarjoaa oppilaille tilaisuuden analysoida tislauslaitteiston rakennetta ja kehittää ideoita laitteiston parantamiseksi. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä veden puhdistumisen selittämiseen tai ymmärtämiseen. Vesi puhdistuu prosessissa, koska aineiden haihtumisessa on eroja. Suolaa ja elintarvikevärejä on lähes mahdotonta haihduttaa. Myös vedessä mahdollisesti olevat virukset ja bakteerit haihtuvat huonosti. On kuitenkin myös aineita, kuten etanoli, jotka haihtuvat helposti ja joiden erottamiseen vedestä vaaditaan kehittyneempiä tislausmenetelmiä. Yhdisteet voidaan jakaa haihtuviin ja haihtumattomiin sen perusteella, miten helposti ne muuttuvat nesteestä kaasuksi. Esimerkiksi vesi ja etanoli ovat haihtuvia aineita, suola ja elintarvikeväri haihtumattomia. Nämä erot voidaan selittää kun yhdisteitä tarkastellaan molekyylitasolla.
Suolat koostuvat ioneista, joiden erottamiseen toisistaan vaaditaan paljon energiaa, jolloin niiden haihduttaminen on lähes mahdotonta. Elintarvikevärien molekyylit ovat suurikokoisia ja niillä on tiettyä ioniluonnetta ja siten myös haihtumattomia. Vesi haihtuu huonommin kuin etanoli, mikä vaikuttaa oudolta jos asiaa pohtii molekyylikokojen perusteella. Vesimolekyylit kuitenkin tarttuvat toisiinsa kiinni tavallista tiukemmin, sillä ne muodostavat vetysidoksia. Vetysidokset selittävät monia veden tärkeitä ominaisuuksia. Haihtumisen tapauksessa niiden rikkominen vaatii enemmän energiaa. Haaste Haasteen taustalla on tislaamon tehokkuuden riippuminen monista eri muuttujista. Laitteiston auringonvalossa viettämä aika on tärkeä tekijä, ja se kannattaa vakioida esimerkiksi kolmeen tai neljään tuntiin, jotta eri tislaamoiden vertailu keskenään on helpompaa. Muut muuttujat ovat pienempiä mutta silti tärkeitä. Esimerkiksi monissa kaupallisissa tislauslaitteissa haihtuminen ja tiivistyminen tapahtuvat erillisissä laitteen osissa.
Esimerkkitulokset Kirjaa taulukkoon saamasi tulokset ja puhdistetun veden prosenttiosuus. koejärjestely lisätyn veden tilavuus (ml) kerätyn veden tilavuus (ml) puhdistetun veden prosenttiosuus A-osa (1. tislaamo) 100 12 12 B-osa (toinen tislaamo) 50 16 32 Kolmas tislaamo 50 22 44 Lopullinen tislaamo 50 27 54 A-osa 1. Kerro omin sanoin miten tislaamo toimii. Tislaamon toiminta perustuu auringon kykyyn lämmittää vettä. Osa vedestä siirtyy ilmaan, mutta sitä ei voi nähdä koska se on kaasua eikä nestettä. Vesi muuttuu takaisin nesteeksi kun se osuu muoviin ja vesipisaroiden voi nähdä kulkevan kivelle ja putoavan siitä kuppiin. 2. Kuvaile yksi keino parantaa tislaamon tehokkuutta. Tislaamo toimisi paremmin jos vettä laittaisi vähemmän. Kesti kauan ennen kuin ensimmäiset vesipisarat muodostuivat, sillä aurinko ei paista kovin lämpimästi ja on vähän pilvistä. Pienempi määrä vettä lämpenee nopeammin. B-osa 3. Kuvaile menetelmä, jolla voit parantaa tislaamon tehokkuutta ja esitä ideasi sitten opettajalle. Ensin laitoimme vähemmän vettä ja varmistimme että vesi on todella kuumaa kun aloitamme. Nämä molemmat paransivat tehokkuutta. Sitten teimme astian pohjaan reiän (jäätelörasia) ja laitoimme siihen palan letkua. Tiivistimme reiän ettei vesi vuotaisi astiasta ja keräsimme letkun kautta puhtaan veden kuppiin, joka oli astian varjossa viileässä. Tällä tavalla saimme kerättyä yli puolet siitä vesimäärästä, mitä meillä oli alussa.
4. Kun olet testannut paranneltua versiota tislaamostasi, piirrä kaavakuva sen toimintaperiaatteesta. Käytimme kahta tuolia tukemaan tislaamoa. Letku meni tuolien välistä kuppiin, joka oli kirjapinon päällä. 5 Lisää tähän vielä valokuva uudesta tislaamostasi. (alla esimerkki laboratoriovälineistä rakennetusta tislaamosta)
Vaihtoehtoinen tapa rakentaa tislauslaitteisto käyttämällä laboratoriovälineitä Jos käytettävissä on laboratoriotarvikkeita, oppilailla on mahdollisuus tehdä enemmän valintoja laitteiston suunnittelussa. Alla kuvataan esimerkkilaitteisto, jossa käytetään suurta suppiloa ja petrimaljaa. Kuvattua laitteistoa käyttämällä oppilaat voivat toteuttaa myös Suolaiset vedet -työn. Välineet - laajapohjainen astia, esimerkiksi petrimalja, jonka halkaisija on 15 cm - lasisuppilo, halkaisija 15 cm - kuminen korkki suppilon tukkimiseen - 50 cm pitkä muoviletku, jonka halkaisija on 2 cm - pala mustaa muovia - teippiä - mittalasi veden tilavuuden mittaamiseksi Menetelmä 1. Sulje lasisuppilon ulosmenoaukko muovikorkilla. 2. Leikkaa muoviletku auki koko pituudeltaan. 3. Sovita muoviletku suppilon reunan ympärille. 4. Laita petrimaljaan tunnettu määrä vettä (noin 100 ml on hyvä määrä). 5. Peitä petrimalja ylösalaisin käännetyllä suppilolla ja sulje saumat teipillä. 6. Laita petrimalja mustalle alustalle. 7. Jätä rakennelma auringonvaloon kunnes vedenpinta petrimaljassa on laskenut huomattavasti. 8. Poista suppilo varovasti ja irrota letku, johon haihtunut vesi on tiivistynyt. 9. Valuta suolaton vesi mittalasiin ja mittaa sen tilavuus. 10. Laske tehokkuusprosentti. Huomioita: 1. Tämä menetelmä korvaa A-vaiheen aiemmin esitetyssä työssä. 2. Tätä tislauslaitteistoa voidaan käyttää myös Suolaista vettä -työssä. Työt voidaan suorittaa joko erikseen tai yhdistettynä, jolloin Suolaista vettä -työohjeessa kuvattua haihdutusmenetelmää tulisi käyttää.