jaka jest twardoœć wody z kranu?

CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
44.
JAKA JEST TWARDOή WODY Z KRANU?
1. Realizowane treœci podstawy programowej
Przedmiot
Realizowana treϾ podstawy programowej
Matematyka
Uczeñ:
8.1 zaznacza w uk³adzie wspó³rzêdnych na p³aszczyŸnie punkty o danych
wspó³rzêdnych
8.2 odczytuje wspó³rzêdne danych punktów
Fizyka
8.8 sporz¹dza wykres na podstawie danych z tabeli (oznaczenie wielkoœci
i skali na osiach), a tak¿e odczytuje dane z wykresu
Chemia
5.6 prowadzi obliczenia z wykorzystaniem pojêæ: stê¿enie procentowe, masa
substancji, masa rozpuszczalnika, masa roztworu, gêstoœæ.
9.8 podaje nazwy wy¿szych kwasów karboksylowych nasyconych (palmitynowy, stearynowy) i nienasyconych (oleinowy) i zapisuje ich wzory
9.9 opisuje w³aœciwoœci d³ugo³añcuchowych kwasów karboksylowych; projektuje doœwiadczenie, które pozwoli odró¿niæ kwas oleinowy od palmitynowego lub stearynowego
2. Kszta³cone kompetencje
Kompetencje matematyczne i podstawowe kompetencje naukowo techniczne.
3. Cele zajêæ blokowych
Doœwiadczalne oznaczenie twardoœci wody (kranowej, przegotowanej lub mineralnej).
4. Oczekiwane osi¹gniêcia ucznia
u Pos³uguje siê sprzêtem i szk³em laboratoryjnym,
u Przedstawia wyniki pomiarów w formie wykresu,
strona 176
u Odczytuje dane z wykresu.
5. Przyk³adowe rozwi¹zania
Uczniowie powinni byæ podzieleni na grupy 2 lub 3 osobowe. Poni¿ej przedstawiono wykaz
pomocy dla jednej grupy.
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
1. Wykaz pomocy dydaktycznych dla jednej grupy uczniów
Lp.
Pomoc dydaktyczna do przeprowadzenia eksperymentu
IloϾ sztuk
1
cylinder miarowy o v = 100 cm3
1
2
strzykawka o pojemnoœci pomiêdzy 2 a 5 cm 3
1
3
zlewki lub kubeczek
1
4
przygotowany przez nauczyciela roztwór myd³a
20–40 cm3
5
przygotowany przez nauczyciela roztwór soli wapnia
20 cm3
6
papier milimetrowy
1 kartka
7
linijka, o³ówek
1
8
pusta butelka „pet” z napoju o pojemnoœci 0,33 lub 0,5 dm3 z zakrêtk¹
1
9
Mo¿na wczeœniej zadaæ uczniom, by przynieœli ze sob¹ wodê, jak¹
u¿ywaj¹ w domu (szczególnie, gdy uczniowie mieszkaj¹ daleko od
siebie i korzystaj¹ z ró¿nych ujêæ wody pitnej).
10 woda destylowana lub demineralizowana
0,5 dm3
2. Proponowany przebieg zajêæ z rozliczeniem czasowym
Czas
trwania
w min
Opis kolejnych dzia³añ
1
Podzielenie uczniów na grupy, przypomnienie przepisów BHP, Regulaminu Pracowni.
10
2
Zapoznanie z tematem æwiczenie i kart¹ pracy.
10
3
Badanie wody o znanej twardoœci.
15
4
Narysowanie wykresu.
10
5
Badanie twardoœci wody.
15
6
Przelicz twardoϾ wody na inne jednostki.
5
7
Kwalifikacja wody do klasy twardoœci.
5
8
Kalkulacja kosztów, ankiety, sprz¹tanie.
20
Ca³kowity czas trwania bloku
90
W æwiczeniu wykorzystuje siê zdolnoœæ myd³a (palmitynianu sodu) do tworzenia nierozpuszczalnych soli z kationami wapnia i magnezu. Reakcja ta zachodzi stechiometrycznie. Moment
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
strona 177
Uwagi do realizacji dla
nauczyciela
Lp.
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
wytr¹cenia wszystkich obecnych w roztworze kationów Ca2+ oraz Mg2+ jest wskazywany
poprzez utworzenie obfitej piany. Przedstawiona propozycja jest modyfikacj¹ metody Clarka
oznaczania twardoœci wody. Ze wzglêdu na trudne do zdobycia myd³o Clarka (alkoholowy
roztwór palmitynianu potasu), proponuje siê u¿ycie roztworu zwyk³ego myd³a w kostce.
Poni¿ej zamieszczono instrukcje dla nauczyciela, jak przygotowaæ roztwór myd³a oraz wodê
(roztwór wzorcowy) o okreœlonej zawartoœci jonów Ca2+.
1. Przygotowanie roztwory myd³a.
Roztwór myd³a (100cm3 – to dla 2 do 3 grup uczniowskich) nale¿y przygotowaæ co najmniej
1 dzieñ przed zajêciami. Za pomoc¹ no¿yka nale¿y rozdrobniæ (w formie wiórek) 5 g myd³a
toaletowego (najlepiej myd³a Bia³y Jeleñ). Uwaga, do doœwiadczeñ nie nadaj¹ siê gotowe
myd³a w p³ynie! Do odwa¿onego myd³a nale¿y dodaæ wody destylowanej do objêtoœci 90 cm3
i ogrzaæ na ³aŸni wodnej do temperatury oko³o 90°C. Czynnoœæ tê mo¿na tak¿e wykonaæ
w kuchence mikrofalowej (nie nale¿y zagotowywaæ roztworu). Ogrzewanie i mieszanie roztworu nale¿y powtórzyæ kilkukrotnie, a¿ do ca³kowitego rozpuszczenia myd³a. Tak otrzymany
roztwór po pewnym czasie (godzina do trzech godzin) mo¿e tê¿eæ, mo¿na wyd³u¿yæ ten okres
czasu nawet do kilku godzin, dodaj¹c 10 cm3 alkoholu etylowego. Je¿eli przed zajêciami oka¿e
siê, i¿ roztwór myd³a zakrzep³, naczynie z roztworem myd³a nale¿y wstawiæ na kilka minut do
zlewki z gor¹ca wod¹.
2. Przygotowanie wody o znanej twardoœci.
Do 1,11 g bezwodnego CaCl2 (m. molowa 111 g) dodaæ wody destylowanej i uzupe³niæ do
objêtoœci 20 cm3. Tak przygotowany roztwór zawiera 20 mg Ca2+ w 1 cm3. Mo¿na u¿yæ soli
uwodnionej lub innego rozpuszczalnego zwi¹zku wapnia, przeliczaj¹c odpowiednio masê tak,
aby 1 cm3 r-r zawiera³ 0,0005 mola wapnia. Je¿eli do 1 dm3 wody destylowanej dodamy 1cm3
tak przygotowanego roztworu, otrzymamy wodê o twardoœci 1 mval/dm3 (1 mval odpowiada
20 mg Ca2+ w 1 dm3). Milival jest obecnie rzadko spotykan¹ jednostk¹, dlatego mo¿na w æwiczeniu u¿ywaæ jednostki mg CaCO3/dm3 wiedz¹c ¿e 1 mval = 50 mg CaCO3, lub stopni niemieckich [°N] przy czym 1 mval= 2,8°N.
Nauczyciel powinien przygotowaæ dwa roztwory wzorcowe np. o twardoœci 5 oraz 10 mval (do
1 dm3 wody destylowanej dodajemy 5, a do drugiego 10 cm3 przygotowanego wczeœniej
roztworu wapnia).
strona 178
3. Wykonanie æwiczenia.
W³aœciwie jedyn¹ poprawn¹ metod¹ przeprowadzenia æwiczenia jest wykonanie na pocz¹tku
krzywej wzorcowej zu¿ytego myd³a (dla przygotowanej wody o znanej twardoœci), a nastêpnie
w tych samych warunkach wykonanie badania wody o nieznanej twardoœci i odczytanie jej
twardoœci z wykresu.
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Proponuje siê odmierzanie 100 cm3 wody za pomoc¹ cylindra miarowego do butelki po napoju
z tworzywa sztucznego i dodawanie za pomoc¹ strzykawki po 1 cm3 roztworu myd³a. Po
ka¿dym dodaniu nale¿y butelkê zakrêciæ i dok³adnie wstrz¹sn¹æ. Procedurê powtarza siê a¿ do
momentu, gdy na powierzchni wody wytworzy siê obfita piana (o gruboœci np. ponad 1 cm)
i utrzymuj¹ca siê np. przez co najmniej 60 sekund (do mierzenia czasu mo¿na pozwoliæ
uczniom u¿yæ zegarków lub telefonów komórkowych). Kolejne doœwiadczenia uczniowie mog¹
wykonywaæ w tej samej butelce, przy czym ka¿dorazowo nale¿y j¹ przep³ukaæ wod¹ z kranu
(tak, aby woda siê nie pieni³a), a nastêpnie wod¹ destylowan¹.
Poni¿ej przedstawiono przyk³adow¹ krzyw¹ otrzyman¹ dla roztworów wzorcowych 5 oraz
10 mval/dm3.
12
Iloœæ zu¿ytego myd³a [cm3]
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
TwardoϾ wody [mval]
W proponowanym æwiczeniu, oprócz zbadania w³asnej wody, uczniowie mog¹ sprawdziæ, jak
zmienia siê twardoœæ wody po przefiltrowaniu j¹ przez filtr do wody (wiêkszoœæ dostêpnych
modeli filtrów dzbankowych zawiera wymieniacz jonowy, zmiêkczaj¹cy wodê), a tak¿e sprawdziæ twardoœæ wody przed i po przegotowaniu (wtedy nale¿y wprowadziæ pojêcie twardoœci
ogólnej i wêglanowej). Ciekawostk¹ mo¿e byæ zmierzenie twardoœci wody mineralnej i porównanie z deklarowan¹ przez producenta zawartoœci¹ kationów wapnia i magnezu (dla jonu Mg2+
1 mval /dm3 odpowiada zawartoœci 12 mg magnezu). Pozosta³e kationy, mog¹ce wp³ywaæ na
twardoœæ (np. glin, ¿elazo, cynk), ze wzglêdu na ich niewielk¹ zawartoœæ, nale¿y pomin¹æ.
Mo¿na tak¿e potwierdziæ, ¿e woda destylowana jest pozbawiona jakichkolwiek kationów –
bêdzie siê pieniæ ju¿ przy niewielkiej iloœci myd³a.
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
strona 179
Badaj¹c wodê z jednego z ujêæ zu¿yto 6 cm3 myd³a. Z wykresu mo¿na odczytaæ, ¿e odpowiada to
twardoœci oko³o 7,5 mval/dm3. Z kolei przeliczaj¹c jednostki, odpowiada to 375 mg CaCO3/dm3
oraz 21°N. W karcie pracy zamieszczono tabele, z której mo¿na odczytaæ, do jakiej klasy
twardoœci mo¿na zaliczyæ tê wodê. W/g tabeli badan¹ wodê nale¿y zaliczyæ do wód twardych.
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Karta pracy ucznia
Drogi Uczniu!
Na dzisiejszych zajêciach wykorzystasz, przygotowany przez nauczyciela, roztwór zwyk³ego
myd³a w kostce, do okreœlenia twardoœci wody.
Æwiczenie nie jest trudne, masz do dyspozycji roztwór myd³a, strzykawkê, cylinder miarowy,
oraz dwie wody o znanej twardoœci. Z okreœlaniem twardoœci wody jest jeden ma³y problemu¿ywane s¹ ró¿ne jednostki, w jakich siê j¹ wyra¿a, na szczêœcie przeliczanie ich nie jest trudne.
Woda o twardoœci 1 mval/dm3 (czytaj miliwal na decymetr szeœcienny) odpowiada wodzie o
twardoœci 50 mg CaCO3, oraz wodzie o twardoœci 2,8°N (czytaj stopni niemieckich).
Reasumuj¹c:
1 mval/dm3 = 50 mg CaCO3/dm3 = 2,8°N
Za twardoœæ wody odpowiedzialne s¹, przede wszystkim, kationy wapnia i magnezu, rozpuszczone w wodzie. To one s¹ odpowiedzialne za tworzenie siê „kamienia kot³owego”, czyli dobrze
znanego Ci osadu w czajniku elektrycznym. Im twardsza woda, tym wiêcej musisz zu¿yæ myd³a,
aby dok³adnie wymyæ rêce, bowiem do twardej wody nale¿y dodaæ wiêcej myd³a, aby zaczê³a siê
pieniæ. Myd³o (takie w kostce) to w gruncie rzeczy zwi¹zek chemiczny o nazwie palmitynian
sodu. Palmitynian sodu jest sol¹ kwasu palmitynowego. Zwi¹zek ten w obecnoœci (miêdzy
innymi) jonów wapnia i magnezu tworzy nierozpuszczalny osad. £¹cz¹c siê z tymi jonami (a to
one s¹ odpowiedzialne za twardoœæ wody) niejako je unieruchamia, dziêki czemu powoduje
zmiêkczenie wody. Gdy myd³o „zwi¹¿e” wszystkie jony wapnia i magnezu, woda staje siê
miêkka i zaczyna siê pieniæ. W³aœnie tê w³aœciwoœæ myd³a dzisiaj wykorzystasz, aby okreœliæ
twardoϾ badanej wody.
Poniewa¿ stê¿enie palmitynianu sodu w roztworze myd³a, które otrzymasz od nauczyciela, nie
jest okreœlone (myd³o w kostce, które nauczyciel rozpuœci³ oprócz palmitynianu sodu zawiera
wiele innych substancji) na pocz¹tku musisz u¿yæ wody o znanej twardoœci i zmierzyæ dok³adnie, ile potrzeba myd³a, aby zaczê³a siê pieniæ. Je¿eli czynnoœæ tê powtórzysz dla dwóch
ró¿nych, znanych twardoœci wody, bêdziesz móg³ na papierze milimetrowym wykreœliæ zale¿noœæ iloœci zu¿ytego myd³a od twardoœci wody. Maj¹c taki wykres, mo¿esz zbadaæ twardoœæ dowolnej wody. Z wykresu odczytasz, jakiej twardoœci odpowiada zu¿yta przez Ciebie iloœæ myd³a.
Zadanie1.
strona 180
Badanie wody o znanej twardoœci.
TwardoϾ wody pierwszej .......................
Iloœæ zu¿ytego myd³a .....................
TwardoϾ wody drugiej .......................
Iloœæ zu¿ytego myd³a .....................
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Zadanie 2.
Narysowanie wykresu.
Na papierze milimetrowym narysuj wykres, na którym zaznaczysz punkty z zadania 1. Nastêpnie po³¹cz je lini¹ prost¹.
Zadanie 3.
Badanie twardoœci wody.
Analogicznie, jak w zadaniu pierwszym, postêpuj z wod¹ o nieznanej twardoœci. Twardoœæ
wody (na podstawie iloœci zu¿ytego myd³a) odczytaj z wykresu.
TwardoϾ badanej wody wynosi .................
Zadanie 4.
Przelicz twardoϾ wody na inne jednostki.
TwardoϾ badanej wody wynosi:
........................mval/dm3
....................... mg CaCO3/dm3
....................... °N
Zadanie 5.
Korzystaj¹c z tabeli poni¿ej, zakwalifikuj wodê do odpowiedniej klasy twardoœci.
klasa twardoœci wody
mval/dm3
mg CaCO3/dm3
°N
bardzo miêkka
0–2
0–100
0–5
miêkka
2–3,5
100–175
5–10
œrednio twarda
3,5–6
175–300
10–17
twarda
6-11
300-550
17-31
bardzo twarda
>11
>550
>31
strona 181
Badana woda jest wod¹ ................................................
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
CZ£OWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Kalkulacja kosztów wykonania eksperymentu
Lp.
Pomoc dydaktyczna
IloϾ sztuk
Cena
Cena ³¹czna
jednostkowa
1
2
3
Suma kosztów
Oszacowanie kosztów pracy
Lp.
Zadanie
Czas
wykonania
(h)
Liczba osób
£¹cznie
Cena osoboosobogodzin
godziny
pracy
pracy (z³)
1
2
3
4
strona 182
Suma:
Projekt wspó³finansowany ze œrodków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego
Koszt