Ohjeita opetukseen ja odotettavissa olevat tulokset Ensimmäinen sivu on työskentelyyn orientoiva johdatteluvaihe, jossa annetaan jotain tietoja ongelmista, joita happamat sateet aiheuttavat. Lisäksi esitetään koko työskentelyä ohjaava kysymys: Miksi hiilen polttaminen tuottaa happamia sateita?
Seuraavassa vaiheessa oppilaat tutustutetaan mittausautomaatiolaitteisiin ja nostetaan esille oppilaiden aikaisempia käsityksiä ja ideoita ph:sta, hapoista ja emäksistä, hiilen palamisesta ja palamisesta. Mitä me tiedämme happamista sateista? Happo on kemiallinen yhdiste, jolla on hapan maku ja joka sisältää vetyjä. Kun happoa liuotetaan veteen, se menettää osan vedyistään. Joitain esimerkkejä hapoista ovat etikka, sitruunamehu ja suolahappo. Hapan sade on sade tai mikä tahansa muu tiivistyminen, joka on epätavallisen hapan, mikä tarkoittaa että sen ph on normaalia alhaisempi. Periaatteessa happamia sateita muodostuu kun rikin ja typen oksidit yhdistyvät pilvien vesihöyryyn tuottaen happamia kemiallisia yhdisteitä, jotka laskevat veden ph:ta. Täten voimme mitata happamuuden kasvun esimerkiksi ph- anturilla. Odotettavissa olevat tulokset: Yhdiste Indikaattoripaperin väri ph ph- anturi Hapan/Emäs/ Neutraali Tislattu vesi Oranssi 6 6,27 Neutraali H 2 SO 4 (Rikkihappo) 0,01 M Punainen 1 1,82 Hapan NaHCO 3 (Natrium bikarbonaatti) 0,01 Sinivihreä 9 9,22 Emäs M NaCl (Natriumkloridi) 0,01 M Oranssi- keltainen 5 4,85 Neutraali HNO 3 (Typpihappo) 0,01 M Punainen 1 2,00 Hapan NaOH (Natriumhydroksidi) 0,01 M Sininen 11 12,38 Emäs Erilaisin keinoin saadut ph:n arvot ovat samanlaisia, mutta ph- paperin avulla saadaan laadullisia tuloksia siinä missä anturilla saadaan tarkemmin tietää tutkittavan yhdisteen ph. Hiili on yhdisteiden seos. Sen pääkomponentteja ovat hiili, useita eri yhdisteitä sisältävä tuhka, palavat yhdisteet, jonkin verran vettä ja rikkiä. Miten hiilen ajatellaan palavan: Palaminen on palavan aineen ja hapen välinen kemiallinen reaktio. Useimmat palavat aineet ovat orgaanisia yhdisteitä, jotka sisältävät hiiltä ja vetyä, kuten hiili. Reaktiossa vapautuu valoa ja lämpöä (usein liekin muodossa). Palamistuotteet ovat usein kaasumaisia oksideja kuten CO 2, NO x and SO 2. C x H x + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O(g)
S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) + H 2 O(g)
Kysymisen vastaamiseksi tilannetta mallinnetaan laboratoriossa kivihiilen mallintaminen 1. Paperia ja puuta voidaan käyttää hiilen tuottamiseen. Hieman kiinteää rikkiä voidaan käyttää, jotta nähtäisiin rikkioksidien vaikutus veden ph- arvoon. 2. Oksidien ja veden reaktiot ovat: SO 2 (g) + H 2 O(g) H 2 SO 3 SO 3 (g) + H 2 O(g) H 2 SO 4 NO x (g) + H 2 O (g) HNO 3 CO 2 (g) + H 2 O(g) H 2 CO 3 3. Voimme tarkkailla veden ph:ta nähdäksemme vaikuttavatko kaikki palamisreaktion tuotteet veden happamuuteen. Koejärjestely suunnitellaan yhteistuumin Suunnittelua tukevia avainkysymyksiä: Mitä muuttujia pitää mitata, jotta saisimme mittausarvoja, joilla ph:n muutoksia kun kukin hiilen palamistuote voimme vastata tutkimuskysymykseen? saavuttavat veden Mitä laboratoriovälineitä ja mittauslaitteita tarvitsemme Vesiastia, tulitikkuja, pihdit ja yhden ph anturin. mittaamiseen? 1. Meidän tulee toteuttaa kunkin yhdisteen palaminen erikseen ja lähellä vettä ja mitata ph:n muuttuminen ajassa anturilla. (Koe suoritetaan vetokaapissa.) 2. Kivihiilestä tutkittavat komponentit ovat hiili ja Rikki. Välttääksemme toisen komponentin vaikutusta poltamme paperia (siinä on enimmäkseen hiiltä) ja rikkinauhaa erikseen. 3. Sekä CO2 ja SO2 ovat ilmaa raskaampia (niillä on suurempi moolimassa), joten niiden pitäisi pysyä vesiastiassa, vaikka työskentely tapahtuukin vetokaapissa, joka tuottaa ilmavirtauksen. 4. Kokeen onnistumisen kannalta on tärkeää yrittää pitää kaikki muut muuttujat vakioina kaikkien kokeiden ajan.
Huom: On tärkeää suorittaa työt vetokaapissa, jotta tuhkat eivät tippuisi veteen, sillä tuhkan muut komponentit saattavat myös vaikuttaa ph:n muutokseen. Me käytimme vesiastian päällä haihdutusmaljaa palamisreaktion peittämiseksi, koska vetokaapin takia kaasut eivät muuten kestäneet vesiastiassa ja tuloksia ei saatu. Odotettavissa olevat lopputulokset ja mittausarvot: Komponentti 1: Paperi 1. Tiedämme saavamme kaasua, koska näemme valkoisen savun 2. Saatu kaasu on ilmaa painavampaa (Se pysyy vesiastian läheisyydessä) 3. ph alussa (Tislattu vesi): 6,97/ ph lopussa: 10,21 4. ph on pysynyt tasaisena, kunnes se nopeasti nousee, koska paperin tuhkaa tippuu astiaan. 5. Päättelemme, että CO 2 ei mainittavasti vaikuta happamien sateiden muodostumiseen, koska merkittävää ph:n muutosta ei tapahdu. Lisäksi toteamme, että paperin tuhka on emäksistä. Tuhkat putoavat veteen 6. Olemme valinneet paperin mallintamaan hiiltä. Hiilen palaminen vapauttaa hiilidioksidia ja jos ajattelemme, että paperi on valmistettu selluloosasta, palaminen vapauttaa hiilidioksidia ja vettä. Reaktio: C x H y O z + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O(g) Paperin polttamisen käyttäminen hiilen polttamisen mallina asettaa joitakin rajoituksia. Paperi sisältää joitakin osuuksia magnesiumia, kalsiumia ja kaliumia. Tästä syystä sen tuhka on emäksistä, johtuen magnesiumoksidin muodostumisesta (myös kalsium- ja kaliumoksidit vaikuttavat), jotka tuottavat vedessä vastaavia hydrokseja vedessä. Tästä seuraa ph:n kasvu kun paperin tuhkat osuvat veteen, mitä ei tapahtuisi, jos poltettaisiin puhdasta hiiltä. Komponentti 2: Rikki 1. Tiedämme, että saamme kaasua, kun näemme oranssin savun 2. Kaasu on tiheämpää kuin ilma 3. ph alussa (Tislattu vesi): 6,40 / ph lopussa: 3,91 4. Kuvaajasta nähdään, että ph on laskenut merkittävästi 5. Datan perusteella päättelemme, että Rikki vaikuttaa happamien sateiden muodostumiseen 6. Reaktiot: S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) SO 2(g) + O 2(g) à SO 3(g) Miten voimme selittää hiilen polttamisen vaikutuksen happamien sateiden muodostumiseen? Kivihiili sisältää rikkia, kun hiiltä poltetaan rikki muuttuu rikkioksideiksi. Kun rikin oksidit päätyvät kosketuksiin veden kanssa muodostuu happoa. SO 2(g) + H 2 O (l) à H 2 SO 3(aq) SO 3(g) + H 2 O (l) à H 2 SO 4(aq)