Czternaścioro uczniów naszej szkoły wzięło udział w zajęciach chemicznych realizowanych w trakcie ferii zimowych. W poniedziałek, 12 lutego 2024 przedstawiłem uczestnikom przydługą, ale mam nadzieję ciekawą i pouczającą prelekcję z aktywnym udziałem uczestników o energetyce atomowej w kontekście budowy elektrowni jądrowej w Polsce, a następnie pobawiliśmy się chemią praktyczną wykonując interesujące doświadczenia.

„Energetyka atomowa w służbie ludzkości – korzyści, zagrożenia, fakty i mity” - pogadanka z elementami wykładu

Spotkanie rozpoczęliśmy od testu wiedzy o atomie złożonego z czterdziestu pytań typu prawda - fałsz. Każdy uczestnik zajęć mógł sprawdzić swoją wiedzę, a później zweryfikować ją w trakcie zajęć.

Autorski wykład zatytułowany „Energetyka atomowa w służbie ludzkości – korzyści, zagrożenia, fakty i mity” przygotowałem z myślą o moich uczniach, którzy tak naprawdę nie mieli jeszcze okazji zagłębić się w tematykę wykorzystania energii jądrowej jako źródła ciepła i prądu elektrycznego. Uczestnicy zajęć na podstawie własnej wiedzy umiejscowili to źródło energii w kategorii alternatywne, ale nieodnawialne, gdyż używany obecnie jako paliwo uran i przyszłościowy tor występują na naszej planecie w złożach, które w końcu kiedyś się wyczerpią. Co ważne, uran można otrzymywać nawet z wody morskiej, co przedłuży możliwość jego używania jako paliwo jądrowe na miliony lat.

Uczniowie zapoznali się ze schematem koncepcyjnym reaktora atomowego i zasadą jego działania, po czym omówiłem cztery podstawowe rodzaje „serca” każdej elektrowni nuklearnej. Zwróciłem szczególną uwagę na reaktor PWR chłodzony wodą z helem jako moderatorem, gdyż właśnie takie urządzenie stanie w ciągu najbliższych dziesięciu lat w miejscowościach Kopalino-Lubiatowo w gminie Choczewo nad Morzem Bałtyckim. Przy okazji rozwiałem wiele mitów i nieprawdziwych informacji, które urosły wokół tej niezwykle potrzebnej inwestycji. Świat wcale nie odchodzi od atomu, a zużycie prądu elektrycznego rośnie lawinowo, dlatego w najbliższym czasie energia jądrowa jako czysta i bardzo wydajna jawi się jak „lek na całe zło” i niedobory prądu na świecie.

Chcąc przedstawić uczniom pełną, sprawdzoną i obiektywną wiedzę na temat energetyki atomowej, nie mogłem pominąć historii konstrukcji pierwszego reaktora ze wskazaniem jego genezy, czyli badań nad bronią masowego rażenia. Przy produkcji bomby atomowej pracowali bowiem wybitni naukowcy, nawet nobliści, którzy w większości przypadków nie zdawali sobie sprawy, do czego zostanie wykorzystane ich dzieło. Jedyne w historii dwie bomby atomowe zrzucone na Hiroszimę i Nagasaki w 1945 roku zapisują czarną kartę prac nad energią nuklearną, ale jasno zaznaczyć trzeba, że obecnie w elektrowni atomowej nie da się w żaden sposób skonstruować bomby jądrowej ani nawet pozyskać niezbędnych substratów. Radioaktywny pluton powstaje wprawdzie w reaktorze atomowym, ale niemożliwe jest jego wyizolowanie i ustabilizowanie, co w konsekwencji wyklucza jego produkcję w ten sposób.

W końcówce wykładu przedstawiliśmy sobie zalety i wady elektrowni jądrowej jako źródła prądu oraz szczegółowo omówiliśmy i wyjaśniliśmy prawidłowe odpowiedzi do testu inauguracyjnego. Okazało się, że uczniowie naszej szkoły bardzo dużo wiedzą o energetyce atomowej uzyskując średni wynik testu na poziomie 58%, co jest rezultatem przewyższającym średnią krajową z badań komercyjnych.

Pokazy i warsztaty chemiczne – prezentacja i samodzielne wykonywanie doświadczeń chemicznych

Po części słowno – wykładowej przyszedł czas na zabawę chemią. Większość doświadczeń wykonywaliśmy na specjalnie przygotowanym stole. Najczęściej eksperymentowali uczestnicy pod moim nadzorem, ale kilka doświadczeń, ze względów bezpieczeństwa, zrobiłem samodzielnie. Ostatnim akcentem zajęć praktycznych były samodzielne doświadczenia chemiczne wykonywane przez uczniów w formie warsztatowej na podstawie dokładnych przepisów laboratoryjnych i pod moją ścisłą kontrolą. Poniżej zamieszczam dokładny opis wykonania przeprowadzonych w trakcie zajęć doświadczeń oraz ich naukowe wyjaśnienia. Wiele z nich można w pełni bezpiecznie i niewielkim kosztem wykonać samodzielnie w warunkach domowych.

Chemiczny alkomat – doświadczenie pokazowe

W tym doświadczeniu ujawnia się zasada działania chemicznego alkomatu. Był to jednocześnie pierwszy alkomat stosowany powszechnie w Stanach Zjednoczonych ponad pół wieku temu. Do roztworu dichromianu(VI) potasu dodaje się kilka kropli stężonego kwasu siarkowego(VI) i badany roztwór, który może zawierać alkohol. W pierwotnej wersji tego procesu należało dość długo dmuchać do roztworu testowego, którego zadaniem była absorpcja alkoholu z powietrza wydychanego z płuc. Jeśli roztwór badany zawierał etanol, to probówka zabawiała się na kolor zielononiebieski. Jeśli w próbce alkohol nie występował, to barwa probówki pozostała pomarańczowa. Doświadczenie wykonałem w formie pokazu ze względu na użyty stężony kwas siarkowy(VI), który jest żrący.

Czy palisz papierosy? - doświadczenie pokazowe

Eksperyment ten poznałem wiele lat temu, gdy będąc jeszcze studentem, uczestniczyłem w promocji Wydziału Chemii UMK. Do dwóch zlewek wkrapla się po jednej kropli stężonego roztworu amoniaku i stężonego kwasu solnego. Oba te roztwory szybko parują i jednocześnie reagują ze sobą w fazie gazowej tworząc charakterystyczny dym podobny do dymu papierosowego. Doświadczenie daje taki efekt za każdym razem, zatem nie można oczywiście za jego pomocą zidentyfikować palacza.

Zjawisko dyfuzji – doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Do wysokiego naczynia wlewa się wody z kranu i dodaje niewielkie kryształki stałego manganianu(VII) potasu o barwie fioletowej. Woda ma budowę ziarnistą, zatem w jej strukturze wewnętrznej występują wolne przestrzenie między cząsteczkami, w które wciskają się cząsteczki manganianu(VII) potasu szukając sobie drogi na dół naczynia ściągane siłami grawitacji. W wyniku tego zjawiska powstają fioletowe, pionowe smugi.

Substancje hydrofilowe i hydrofobowe – doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Substancje spotykane w życiu codziennym można podzielić na hydrofilowe, czyli takie lubiące wodę (sól kuchenna, cukier, soda) i i hydrofobowe, czyli takie, które z wodą się nie mieszają (olej, benzyna, plastik). Ciekawych obserwacji można dokonać ilustrując to zjawisko na powierzchni mleka z warstewką pieprzu. Po włożeniu do niego palca zamoczonego w detergencie (płyn do mycia naczyń, mydło), pieprz ucieknie na zewnątrz naczynia.

Zjawisko korozji - doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Korozja to zjawisko polegające na zniszczeniu metalu w wyniku działania wielu czynników. W naszym doświadczeniu potwierdziliśmy destrukcyjny wpływ soli kuchennej na przedmioty aluminiowe, czyli wykonane z glinu. W zlewce z wodą należy rozpuścić sporą ilość stałego siarczanu(VI) miedzi(II). Do tak przygotowanego roztworu wkłada się kawałek folii aluminiowej i powoli wsypuje sól kuchenną w taki sposób, aby znalazła się ona na granicy roztwór – folia. Po krótkim czasie zacznie zachodzić burzliwa reakcja, w wyniku której folia aluminiowa roztworzy się, czyli zniknie w roztworze, a na dnie zlewki pojawi się brązowa, czysta miedź.

Skrobia i jodyna - doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Jest to typowe szkolne doświadczenie na wykrywanie skrobi w produktach spożywczych. Rozkrojonego ziemniaka jako źródło skrobi zalaliśmy wodą i dodaliśmy kilka kropli jodyny uzyskując charakterystyczną granatową barwę.

Skaczące jajko – doświadczenie typowo do wykonania w domu

Skorupka jajka kurzego składa się z wielu substancji, ale jej twardość nadaje węglan wapnia, czyli sól o wzorze sumarycznym identycznym ze skałami wapiennymi, marmurem czy kredą. Jest to sól pochodząca od słabego kwasu węglowego, który można w łatwy sposób wyprzeć za pomocą mocniejszego kwasu – octu. Jajko należy zatem umieścić na całą dobę w occie, a węglan wapnia reagował będzie z kwasem octowym dając jako jeden z produktów dwutlenek węgla. W wyniku tego procesu rozkładu węglanu wapnia, skorupka jajka stanie się miękka i elastyczna. Jajko można wtedy odbijać od twardej powierzchni jak piłeczkę, oczywiście z rozsądnej wysokości. Skorupka jednak będzie absorbowała obecny w powietrzu dwutlenek węgla i stawać się będzie coraz twardsza, co w konsekwencji spowoduje wreszcie rozbicie jajka. To pozwoliło uczestnikom przekonać się na własne oczy, że rzeczywiście było to jajko: widać nienaruszone żółtko i białko, a skorupka przypomina przebity, biały balon.

Barwy wskaźników kwasowo – zasadowych - doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Wskaźniki kwasowo – zasadowe to substancje, które zmieniają swoją barwę w zależności od odczynu, a ściślej – od pH roztworu. Rozróżniamy wskaźniki uniwersalne, mające inne kolory w środowiskach kwasowym, zasadowym i obojętnym (jak uniwersalny papierek wskaźnikowy) oraz wskaźniki specyficzne reagujące tylko na jeden, określony odczyn (oranż metylowy w kwasowym i fenoloftaleina w zasadowym). Doświadczenie to wykonaliśmy stosując nowoczesną technikę chemii w małej skali zakładającą minimalne zużycie odczynników przy zachowaniu makroskopowych rezultatów. Na stole położyliśmy zwykłą koszulkę na dokumenty, do której włożyliśmy kartkę z rozpisanymi wszystkimi odczynami w pionie (kwasowy, obojętny i zasadowy) oraz nazwami używanych wskaźników kwasowo – zasadowych w poziomie (oranż metylowy, fenoloftaleina i uniwersalny papierek wskaźnikowy). Zgodnie z opisami w tej tabeli, na koszulce umieściliśmy odpowiednie roztwory. Bezbarwna fenoloftaleina w środowisku zasadowym przyjęła barwę malinową, a oranż metylowy w kwasie zmienił swoje zabarwienie z żółtego na czerwone. Żółty uniwersalny papierek wskaźnikowy stał się czerwony w kwasie i niebieski w zasadzie.

Spalanie magnezu - doświadczenie pokazowe wykonane przez uczestników

Spalaliśmy magnez w postaci wstążki nad krystalizatorem wypełnionym wodą jako zabezpieczenie. Magnez spala się jaskrawym, oślepiającym i gorącym płomieniem.

Otrzymywanie i wybuchowe spalanie wodoru – doświadczenie wykonywane samodzielnie przez uczestników

Wodór – gaz o właściwościach wybuchowych, otrzymaliśmy jako produkt reakcji octu z magnezem (najlepiej w postaci pyłu) przeprowadzonej w erlenmajerce. W chemii często sprawdza się zasada „mniej znaczy lepiej”. W przypadku tego doświadczenia, należy użyć niewielkich ilości obu odczynników, a wodór musi wydzielać się bardzo wolno. Wówczas granica wybuchowości zostaje osiągnięta po kilkunastu sekundach, co daje czas na przygotowanie zapałki i przyłożenie jej do wylotu erlenmajerki. Prawidłowo wykonane doświadczenie wymaga pewnej dozy szczęścia, ale efekt jest dosłownie piorunujący.

Napełnianie balonu dwutlenkiem węgla – doświadczenie wykonywane samodzielnie przez uczestników

Do erlenmajerki nalaliśmy octu, a do balonu nasypaliśmy sody. Po nałożeniu balonu na erlenmajerkę i połączeniu obu substancji, intensywnie wydziela się dwutlenek węgla efektownie pompując balony. Są one zimne i ciężkie ze względu na właściwości tego gazu i specyfikę procesu.

Próba Tollensa, czyli lustro srebrowe - doświadczenie wykonywane samodzielnie przez uczestników

Próba Tollensa służyła historycznie do wykrywania grupy aldehydowej, a tak naprawdę grupy -CH2-CHO głównie w produktach żywnościowych. Do probówki kolejno dodaje się roztwór azotanu(V) srebra(I), zasadę sodową do strącenia brązowego osadu, amoniak do rozpuszczenia tego osadu, roztwór glukozy i ponownie zasadę sodową do korekty pH. Probówkę umieszcza się w zlewce z gorącą wodą, a po chwili na jej ściankach pojawia się czyste srebro powstałe w wyniku redukcji jego kationów. Umyte, oczyszczone i wysuszone probówki z warstewką srebra uczestnicy zajęć mogli zabrać do domu.

„Zapala się i gaśnie”, czyli chemiczne wyzwanie rzucone uczestnikom przez prowadzącego zajęcia

Tlen jest jedynym gazem podtrzymującym spalanie, a dwutlenek węgla to jedna z substancji stosowana do gaszenia pożarów. Te odmienne właściwości obu związków chemicznych można wykorzystać w specjalnym doświadczeniu będącym niejako połączeniem dwóch innych eksperymentów. W jednej zlewce miesza się sodę i ocet celem wytworzenia dwutlenku węgla, a do drugiej zlewki dodaje się wodę utlenioną i stały manganian(VII) potasu, aby otrzymać tlen. Zadaniem uczestnika jest zapalić rozżarzone łuczywko w tlenie, a następnie zgasić je w dwutlenku węgla jak największą liczbę razy do momentu aż jeden z gazów przestanie się wydzielać. Mój rekord to 14 razy i choć żaden z uczestników zajęć go nie pobił, to wynik 10 powtórzeń jest godny zauważenia.