Kwasowość i zasadowość roztworów

Zagadnienia

• Kwasy
• Zasady
• Dysocjacja
• Roztwory

Opis

Czym różnią się silne i słabe kwasy. Użyj narzędzi laboratoryjnych na komputerze, aby się dowiedzieć! Zanurz papierek uniwersalny lub sondę w roztworze żeby zmierzyć pH lub umieść w nim elektrody w celu pomiaru przewodności. Następnie zobacz, jak stężenie wpływa na pH. Czy słaby roztwór kwasu ma taki sam odczyn pH jak silny?

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Hanson, listopad 2015)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Biorąc pod uwagę kwasy lub zasady o tym samym stężeniu, wykaż się zrozumieniem mocy kwasu i zasady poprzez: 1.Odniesienie mocy kwasu lub zasady do stopnia dysocjacji w wodzie 2.Identyfikacja wszystkich cząsteczek i jonów obecnych w danym roztworze kwasu lub zasady. 3.Porównanie względnych stężeń cząsteczek i jonów w roztworach słabych i mocnych kwasów (lub zasad). 4.Opisywanie podobieństw i różnic między mocnymi i słabymi kwasami lub mocnymi i słabymi zasadami.
• Wykaż zrozumienie stężenia roztworu poprzez: 1.Opisanie podobieństw i różnic między roztworami stężonymi i rozcieńczonymi. 2.Porównanie stężeń wszystkich cząsteczek i jonów w stężonych i rozcieńczonych roztworach danego kwasu lub zasady.
• Użyj zarówno mocy kwasu lub zasady, jak i stężenia ich roztworu, aby: 1.Opisać słowami i obrazami (wykresy lub rysunki molekularne), co to znaczy, że masz: Stężony roztwór słabego kwasu (lub zasady) lub Stężony roztwór mocnego kwasu (lub zasady) lub inne kombinacje. 2. Zbadaj różne kombinacje mocy/stężeń, które dają takie same wartości pH.
• Opisz, w jaki sposób popularne narzędzia (miernik pH, przewodność, papierek wskaźnikowy) pomagają określić, czy roztwór jest kwasowy czy zasadowy, mocny czy słaby, stężony czy rozcieńczony.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Skala pH (Wikipedia)
• Odczyn roztworów (Zintegrowana platforma edukacyjna)
• Zasady i kwasy – podsumowanie (Zintegrowana platforma edukacyjna)
• Kwasy i zasady (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Ekran Wprowadzenie (link bezpośredni)

Na tym ekranie uczniowie badają właściwości kwasów i zasad, korzystając z wizualizacji na poziomie cząsteczek, wykresów i narzędzi, takich jak miernik pH, papierek uniwersalny i tester przewodności.

Ekran Mój Roztwór (link bezpośredni)

Uczniowie tworzą roztwory, aby zbadać różnice między mocnymi i słabymi oraz stężonymi i rozcieńczonymi roztworami kwasów lub zasad.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Kwasowość i zasadowość roztworów chcesz wyświetlić cząsteczki rozpuszczalnika w zlewce (showSolvent=true) i korzystać tylko z pierwszego ekranu (screens=1), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/acid-base-solutions_all.html?showSolvent=true&screens=1

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/acid-base-solutions_all.html?locale=pl&showSolvent=true&screens=1

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
showSolvent - gdy ma wartość true, wyświetla cząsteczki rozpuszczalnika w widoku cząsteczek zlewki. Wartość domyślna to false.	showSolvent=true
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=1 screens=2,1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
audio - jeśli muted, dźwięk jest domyślnie wyciszony. Jeśli disabled, cały dźwięk jest trwale wyłączony. (nie powoduje to usunięcia elementów sterujących dźwiękiem na ekranie - w tym drugim przypadku pozostają one nieaktywne)	audio=muted audio=disabled
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy true, umożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki.	supportsPanAndZoom=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• Uczniowie często mylą moc kwasu/zasady ze stężeniem. Na przykład, często uważają, że mocniejszy kwas oznacza, że jest on bardziej stężony.
• W badaniu przeprowadzonym w klasie odkryliśmy, że uczniowie mają tendencję do myślenia, że pH mierzy moc kwasu lub zasady.
• Z przeprowadzonych wywiadów wynika, że uczniowie, którzy nie otrzymali instrukcji na temat kwasów i zasad, na początku uznali ogólne reprezentacje kwasów (HA) i zasad (B) za mylące. Możesz wprowadzić ideę ogólnych reprezentacji, podając najpierw przykłady rzeczywistych związków (np. HCl i HF), a dopiero potem wprowadzając ogólną reprezentację, zanim uczniowie wejdą w interakcję z symulacją.
• Wielu uczniów nie zdaje sobie sprawy, że początkowe stężenie kwasu lub zasady może być inne niż stężenie równowagowe. Wykres jest oznaczony, aby pokazać, że mierzy stężenia wszystkich składników w stanie równowagi.

Uproszczenia modelu

• Liczba cząstek w szkle powiększającym jest związana ze stężeniem równowagowym. Zdecydowaliśmy się zignorować autojonizację wody dla roztworów kwasów i zasad.
• Ponieważ rzeczywiste wartości są ukryte na ekranie Wprowadzenie, uczniowie mogą użyć stężeń równowagowych do obliczenia początkowego stężenia kwasu/zasady i K_a/K_b. Stężenie początkowe wynosi 0,01 M dla wszystkich roztworów, a stała równowagi wynosi 1x10^-7 dla słabego kwasu/zasady.
• Zdecydowaliśmy się ukryć wartości K na ekranie Mój roztwór, umożliwiając uczniom skupienie się na koncepcji mocy. Wartości K dla suwaka słaba/mocna mieszczą się w zakresie od 1x10^-10 do 1x10² w skali logarytmicznej.
• Pehametr i papierek pH należy zanurzyć w roztworze, aby zmierzyć pH. Uczniowie mogą wykorzystać tę funkcję do przewidywania pH dla różnych roztworów.
• Podczas korzystania z sondy przewodności obie elektrody muszą być umieszczone w roztworze, aby zmierzyć przewodność. Luminancja żarówki jest modelowana jako liniowa z pH, a woda ma małą przewodność. Należy pamiętać, że przewodności wody destylowanej nie można zmierzyć za pomocą sprzętu zwykle dostępnego dla uczniów.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Wypisz właściwości kwaśnych i zasadowych roztworów, korzystając z tego, co zaobserwowałeś w symulacji.
• Jakie jony występują w kwaśnym roztworze? Jakie jony występują w roztworze zasadowym?
• Opisz różnicę między mocnym a słabym kwasem lub zasadą.
• Opisz różnicę między mocą kwasu (mocny i słaby) a stężeniem kwasu (stężony i rozcieńczony).
• Uczeń twierdzi, że "mocne kwasy zawsze mają niższe pH niż słabe kwasy". Czy zgadzasz się z tym stwierdzeniem, czy nie? Użyj dowodów z symulacji, aby poprzeć swoje rozumowanie.
• Co dzieje się z pH kwaśnego roztworu wraz ze wzrostem stężenia początkowego? Jak myślisz, dlaczego tak się dzieje?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Kwasowość i zasadowość roztworów tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).