Roztwory cukru i soli - Instrukcje dla nauczyciela

Zagadnienia

Roztwory
Wiązanie jonowe
Wiązanie kowalencyjne

Opis

Symulacja Roztwory cukru i soli została zaprojektowana, aby pomóc uczniom zwizualizować, w jaki sposób związki jonowe i kowalencyjne rozpuszczają się w wodzie. W wywiadzie jeden z uczniów powiedział, że zakładka makro to „co”, zakładka mikro to „dlaczego”, a zakładka woda to „jak”.

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

Ta symulacja Java jest uruchamiana (może to chwilę potrwać) w przeglądarce internetowej za pośrednictwem technologii o nazwie CheerpJ - nie wymaga instalowania żadnego dodatkowego oprogramowania. W stosunku do wersji offline jest nieco pogorszona jakość graficzna i okno aplikacji nie skaluje się.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Kelly Lancaster, Sam Reid, październik 2011)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

Użyj ilustracji i rozumowania przez analogię, aby wyjaśnić zmiany w stężeniu.
Narysuj, co dzieje się na poziomie molekularnym, gdy związki rozpuszczają się w wodzie.
Zidentyfikuj, czy związek jest solą czy cukrem na podstawie obserwacji makroskopowych lub reprezentacji mikroskopowych.
Wyjaśnij, w jaki sposób użycie kombinacji substancji rozpuszczonych zmienia lub nie charakterystykę roztworu.
Wykorzystaj obserwacje, aby wyjaśnić, w jaki sposób stężenie substancji rozpuszczonej może się zmieniać.
Opisz, w jaki sposób wzór, obserwacje makroskopowe lub reprezentacje mikroskopowe związku wskazują, czy wiązanie jest jonowe czy kowalencyjne.

Przykładowe materiały teoretyczne

Roztwory (ZPE)
Woda i roztwory wodne – podsumowanie (ZPE)
Stężenie procentowe roztworu (ZPE)
Zmiana stężenia roztworu (ZPE)
Rozpuszczalność substancji (ZPE)

Sterowanie symulacją

Co się stanie, gdy do wody dodamy cukier i sól? Wsyp cukier, wstrząśnij solą i odparuj wodę, aby zobaczyć wpływ na stężenie i przewodnictwo. Powiększ, aby zobaczyć, jak rozpuszczają się różne związki - cukier i sól. Powiększ ponownie, aby zbadać rolę wody.

Ekran makro

Na tym ekranie uczniowie dowiadują się, że słona woda przewodzi prąd, a woda z cukrem nie.

Ekran mikro

Na tym ekranie uczniowie dowiadują się, że sole rozkładają się w wodzie na jony, ale cukry nie.

Ekran woda

Tutaj możesz zbadać rolę wody w rozpuszczaniu substancji.

Złożone sterowanie

Można wstrząsać solniczką lub pojemnikiem na cukier.
Przycisk Skasuj wszystko przywraca ekran do stanu początkowego. Na przykład na ekranie woda przywraca on sól i cukier do pojemników.
Na ekranach mikro i woda można wstrzymać animacje. Gdy symulacja jest wstrzymana, nie można korzystać z niektórych funkcji, takich jak suwaki.

Ułatwienia dostępu

Tryb projektora

Po kliknięciu zakładki Nauczyciel (na górze po lewej) pojawia się okno, w którym możemy zaznaczyć opcję Białe tło, zmieniając w ten sposób kolor tła na biały, tak jak na zrzucie ekranu poniżej, w celu kserowania i/lub wyświetlania. W trybie wykładowym warto też rozważyć użycie wersji offline ze względu na lepszą jakość graficzną i możliwość skalowania okna aplikacji.

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.

Darmową wersję desktopową tej aplikacji (plik .jar) pobierzemy bezpośrednio klikając tu lub ze strony PhET (klikając tytuł lub ikony przy wybranej wersji językowej):

A następnie wybierając odpowiednią opcję:

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

Przy ekranie makro niektórzy uczniowie myślą, że dolny kran usuwa tylko wodę, dopóki nie zauważą, że stężenie pozostaje na tym samym poziomie.
Żółte strzałki pozwalają dobrać różne pary substancji rozpuszczanych i oczyścić roztwór. Wielu uczniów nie znajduje zestawów; może być konieczne udzielenie uczniom dodatkowych wskazówek.

Uproszczenia / założenia modelu

W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
Ekran makro

Gdy wytrząsana jest sól, każde ziarenko zawiera 0,2 grama. Każde ziarenko cukru zawiera 0,4 grama cukru. Maksymalna ilość każdej substancji rozpuszczanej wynosi 100 gramów.
Można dodawać wodę (górny kran) lub usuwać roztwór (dolny kran). Pojemniki z dziurkami napełniają się ponownie po usunięciu roztworu.

Jeśli odparujemy całą wodę z roztworu, substancja rozpuszczana pojawi się ponownie w stanie stałym. Substancję rozpuszczaną można również dodawać do pustej zlewki.
Można dodawać substancję rozpuszczaną, dodawać wodę i odparowywać wodę, aby zmieniać stężenie. Można ukryć pole stężenia, aby zadawać pytania dotyczące przewidywań. Można też zaznaczyć opcję pokaż wartości, aby obliczyć ilość substancji rozpuszczonej.

UWAGA: Stężenie jest obliczane jako ilość substancji rozpuszczonej (liczba moli) podzielona przez objętość wody, a nie objętość roztworu. Symulacja ignoruje objętość rozpuszczonej substancji, ponieważ zmiana stężenia soli podczas dodawania cukru może być myląca dla uczniów.

Można przeciągnąć miernik, aby sprawdzić przewodnictwo. Jasność żarówki zależy od stężenia jonów. Miernik można pozostawić w roztworze podczas zmiany stężenia. Można również włożyć go z powrotem do pudełka. Miernik ulegnie zwarciu, jeśli bateria lub żarówka zetkną się ze słoną wodą. Każdą sondę można przesuwać w górę lub w dół.

Ekran mikro

Maksymalny współczynnik stechiometryczny każdej substancji rozpuszczonej wynosi 12.
Żółte strzałki pozwalają dobrać różne pary substancji rozpuszczanych i oczyścić roztwór. Substancje rozpuszczane to NaCl, CaCl₂, NaNO₃, sacharoza i glukoza. Atomy/jony są oznaczone kolorami CPK
Układ okresowy pojawia się w nowym oknie. Okno może pozostać otwarte podczas wybierania różnych substancji rozpuszczanych. Można również zmienić rozmiar okna.

Diagram przedstawia stężenia dla poszczególnych rodzajów cząsteczek w roztworze. Wartości nie są pokazane ze względu na różne skale dla cząsteczek substancji rozpuszczonej i wody.

Można odparować całą wodę i zobaczyć, jak powyżej punktu nasycenia substancja rozpuszczona krystalizuje.

Substancja rozpuszczana	Wzór	Masa molowa (g/mol)	Rozpuszczalność (mol/l)
Chlorek sodu	NaCl	58,44	6,14 @ 25°C
Chlorek wapnia	CaCl₂	111,0	6,71 @ 20°C
Azotan sodu	NaNO₃	85,99	10,8 @ 25°C
Sacharoza	C₁₂H₂₂O₁₁	342,3	5,84 @ 25°C
Glukoza	C₆H₁₂O₆	180,2	5,05 @ 25°C

Ekran woda

Można przeciągnąć sól i/lub cukier do wody. Można także przeciągnąć cząsteczki cukru z powrotem do pojemnika.
Symulacja wykorzystuje zmodyfikowany model SPC z okresowymi warunkami brzegowymi.
Cząsteczki cukru są podświetlone, aby oddzielić atomy cukru i wody. Przycisk 3D otwiera okno Jmol. Można zmienić rozmiar okna i obrócić cząsteczkę cukru.

Więcej informacji dotyczących założeń modelu można uzyskać tu (en)

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

Określ, czy związek jest solą czy cukrem, na podstawie obserwacji makroskopowych lub reprezentacji mikroskopowych.
Wyjaśnij, w jaki sposób stosowanie kombinacji substancji rozpuszczonych zmienia lub nie właściwości roztworu.
Znajdź wszystkie sposoby zmiany stężenia substancji rozpuszczonej. Opisz, co zrobiłbyś w prawdziwym laboratorium, aby zwiększyć lub zmniejszyć stężenie roztworu.
Wyjaśnij różnicę między elektrolitami i nieelektrolitami pod względem przewodnictwa, charakteru związku chemicznego i dysocjacji.
Opisz i zwizualizuj, co dzieje się na poziomie atomowym lub molekularnym, gdy elektrolit lub nieelektrolit rozpuszcza się w wodzie.
Dlaczego można opcjonalnie wyświetlić układ okresowy? Jak można go wykorzystać do przewidywania przewodnictwa roztworu?

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Roztwory cukru i soli tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).