DEMONSTRACJE NA WYKŁADACH Z CHEMII

Podczas rozmowy z przypadkowo spotkaną Studentką jednego z Uniwersytetów „na końcu Polski”, spytałem jak ocenia atrakcyjność i sposób prowadzenia zajęć, a w szczególności wykładów kursowych? Które z demonstracji podczas wykładów zapadły jej szczególnie w pamięć? Odpowiedziała, że w ciągu całego toku studiów NIGDY nie demonstrowano niczego, podczas ŻADNYCH wykładów… Oczywiście nie uwierzyłem jej, aby możliwa była aż taka nonszalancja dydaktyków. Po sprawdzeniu okazało się jednak, że tak było w rzeczywistości… Jeszcze bardziej zdębiałem, kiedy okazało się, że Komisja Akredytacyjna przyznała temu wydziałowi Certyfikat dydaktyczny wysokiej rangi! Zaiste: w przedziwny sposób pojmują swoje zadania przeróżne świątobliwe gremia kontrolne... Korzystam z okazji, aby rozpocząć swego rodzaju ankietę. Czytelników (absolwentów i studentów ostatniego roku studiów wyższych Chemii (Uniwersytety, Politechniki i inne) proszę o wiadomość: jak wyglądało to na Waszej Uczelni? Napiszcie, proszę: jak oceniacie atrakcyjność wykładów. Zapewniam poufność danych osobowych.

Od ponad 20 lat zajmuję się popularyzacją chemii dla audytorium spoza Uniwersytetu. Wiele z tych eksperymentów może być ogromnie dobitną ilustracją reguł, które są wykładane w programie studiów. Warto, aby zostały one włączone w tok dydaktyki. Uniwersytety kształcą przyszłą kadrę nauczycieli chemii w szkołach. Jest ważne, aby owi nauczyciele umieli w przyszłości przedstawić młodzieży chemię barwną i interesującą, a nie jako zniechęcający zbiór definicji i znaków kredą na tablicy. Na to jest miejsce właśnie na wykładach, a nie ćwiczeniach laboratoryjnych. Przygotowałem propozycję zestawu eksperymentów, mających moim zdaniem szczególny walor dydaktyczny; ze specjalnym uwzględnieniem chemii organicznej, fizycznej, analitycznej. Dziedziny te niesłusznie uważane są za nienadające się do demonstracji podczas wykładu. Do wykonania demonstracji można zachęcić samych Studentów, Doktorantów. Uważam, że jest duże zapotrzebowanie na takie ożywienie zajęć; jest to poza tym ogromnie wdzięczny temat. Przypomnijmy sobie: przecież wiele lat temu to właśnie eksperymenty chemiczne zapoczątkowały nasze własne zainteresowanie chemią… Dlaczego skąpimy tego naszej młodzieży?

 

motto:
Po pierwsze: zaciekawić!  (Leonardo da Vinci)
(po drugie: nie zanudzić...  tpl)

"Jak wiemy, nie ma w sali wykładowej większej ciszy nad tę, która zapada na czas pierwszych chwil chemicznego pokazu. Tych chwil zamilknięcia w spontanicznym, wytężonym skupieniu zazdroszczą nam reżyserzy i dyrektorzy artystyczni filharmonii".

Nauczanie chemii w szkole i na wyższej uczelni, posługując się jedynie kredą i tablicą - to zwykły sabotaż dydaktyczny!  Przyczyna: lenistwo i/lub pycha dydaktyków

 

Propozycja włączenia demonstracji w tok wykładów oraz uzupełnienia ćwiczeń laboratoryjnych  (służę pomocą i szczegółowymi wskazówkami; wiele opisanych jest * na tejże stronie www). Propozycja nie obejmuje typowych demonstracji, które powinny być w oczywisty sposób prezentowane na wykładach z chemii ogólnej i nieorganicznej.

* F Zobaczyć aromatyczność: barwne kompleksy z TCNE, (efekt podstawnikowy)
TCNE tworzy barwne kompleksy z pochodnymi aromatycznymi; barwa i intensywność jest miarą pogłębiania się gęstości elektronowej w pierścieniu. Potwierdzenie nietypowej reaktywności antracenu.

Jednowymiarowy przewodnik organiczny: polianilina   (zaburzenie układu zdelokalizowanego)
Ciemno zabarwiony polimer o układzie wiązań: izolowanych aromatycznych dopełnionych deficytowymi układami chinoidowymi. Możliwość przemieszczania się układów wiązań w polu elektrycznym; dyskusja trwałości wiązań. Dwie postacie polianiliny (sprotonowana i zdeprotonowana) różnią się przewodnictwem ok. miliarda razy. Zaskakujące właściwości makroskopowe jako konsekwencja stanu wiązań cząsteczki.

* F Skrawki papieru na granicy rozpuszczalników   (makroskopowy efekt hydrofobowy)
Dwie kolbki: woda/chloroform oraz woda/heksan. Do obu kolbek wsypane skrawki papieru poczernione z jednej strony grafitem ołówka. Skrawki zatrzymują się na granicy faz; wszystkie odwrócone są stroną białą (hydrofilową) ku wodzie, a czarną (hydrofobową) - w stronę rozpuszczalnika organicznego. Ilustracja, jak znaczne mogą być oddziaływania hydrofofobowe/hydrofilowe odpowiedzialne za zwijanie się makrocząsteczek biopolimerów w natywną strukturę trzeciorzędową.

Złożony proces równowagowy: obserwowanie równowagi anomeryzacji glukozy (reakcja z błękitem metylenowym)
Zalkalizowany roztwór glukozy z dodatkiem błękitu metylenowego. Kolba pozostawiona w spokoju odbarwia się; potrząśnięta barwi się na niebiesko. Po chwili ponowne odbarwienie. Możliwość śledzenia powolnego procesu ustalania równowagi anomeryzacji glukozy. Błękit metylenowy w roli katalizatora. Odtrutka zastępująca oksydazy przy zatruciach. Choroby genetyczne krwi: “błękitnokrwiści”.

Niebieski koktail: sok pomidorowy + woda bromowa (barwa a rozległość sprzężenia)
Barwa likopenu: ilustracja zależności pomiędzy rozległością i ruchliwością układu zdelokalizowanego, pasmem absorpcji i barwą dopełniającą. Kompleksy z przeniesieniem ładunku.

Reaktywność węglowodorów „naprężonych”
Przyłączenie jodu do a-pinenu (terpentyna) zachodzi w bardzo gwałtowny sposób (kłąb brunatnego dymu).

Solwatochromia MOED    (test i definicja polarności rozpuszczalnika)
Różna barwa roztworów wskaźnika w wodzie, alkoholu, acetonie i pirydynie.

Reakcje enzymatyczne: skuteczność działania katalazy
Pienienie wody utlenionej; toksyczność produktów częściowej redukcji tlenu, mechanizmy ochronne organizmu, przyczyny starzenia się

Amylazy śliny
Roztwór skrobi z dodatkiem śliny: zanik obecności skrobi w ciągu kilkudziesięciu sekund. Strategia gromadzenia zapasów cukru przez rośliny oraz sposób uruchomienia zapasów. Układy niestabilne termodynamicznie, ale stosunkowo stabilne kinetycznie.

Proteazy kiwi
Skuteczność proteaz: (nie)krzepnięcie galaretki żelatynowej z dodatkiem soku kiwi lub ananasa.

* F Specyficzność oksydazy glukozowej   (testy paskowe dla cukrzyków, pakiety antyoksydacyjne produktów spożywczych, analiza składu powietrza)
Niezwykle pomysłowe wykorzystanie układu enzymatycznego do szybkiej półilościowej analizy zawartości glukozy w moczu. Równie elegancki wynalazek: enzymatyczny pochłaniacz tlenu w opakowaniu orzeszków.

* Testy smakowe: ośmioacetylosacharoza, F smak enancjomerów tryptofanu (potwierdzenie naszej homochiralności i implikacje filozoficzne; nierównocenność energetyczna enancjomerów)
Bardzo gorzka ośmioacetylosacharoza; zależność: budowa-efekt biologiczny. Wprowadzenie w inżynierię cząsteczkową. Wykorzystanie L- i D-tryptofanu do zbadania naszej chiralności. Dlaczego organizmy są homochiralne? Dlaczego zbudowani jesteśmy z L-aminokwasów i D-cukrów? Słabe oddziaływania jądrowe przyczyną nieidentyczności enancjomerów i minimalnie większej trwałości L-aminokwasów.

Rodniki organiczne: ketyle, anionorodnik naftalenu i antracenu
Tworzenie się nietrwałych, intensywnie barwnych rodników organicznych w reakcji ze stopem Na/K. Oraz redukcja TCNE cyjankiem potasu do barwnego trwałego aninorodnika.

Katalizatory międzyfazowe w syntezie: sole amoniowe   (ekstrakcja nadmanganianu benzenem, katalizator Mąkoszy)
Różnice w solwatacji jonów i ekstrakcja par jonów do rozpuszczalnika organicznego. Znakomite narzędzie preparatywne: roztwór niewodny nietypowych odczynników.

* F Chemiluminescencja luminolu, test wykrywania krwi, latarka chemiczna   (losy stanu wzbudzonego elektronowo)
Zlewka z alkalicznym roztworem luminolu jaskrawo świeci niebiesko podczas utleniania w obecności katalizatora. Plama krwi spryskana luminolem świeci w ciemności. Demonstracja wojskowych oświetlaczy chemiczych opartych na chemiluminescencji szczawianów aromatycznych.

Czerwona chemiluminescencja singletowego gazowego tlenu
Strumień gazowego chloru (lub Cl2 w CCl4 lub chlor z prostego elektrolizerka) wprowadzony do zalkalizowanego perhydrolu świeci w ciemności. Powstaje singletowy (wzbudzony) tlen, który przechodzi do stanu podstawowego emitując czerwone światło. Nietypowa budowa rodnikowa tlenu. Tlen prekursorem rodników w organizmie.

Fluorescencja barwników, fosforescencja nisko- i wysokotemperaturowa
Widowiskowe użycie lampy UV, niezwykłość fluorescencji: barwa (czerwona) chlorofilu, wybielacze optyczne, systemy zabezpieczenia banknotów i dokumentów. Fosforescencja wysokotemperaturowa szkliwa: fluoresceina w bezwodniku kwasu borowego. Zmiana barwy fluorescencji i fosforescencji w niskich temperaturach.

Absorpcja rezonansowa UV: obserwacja parowania rtęci   (filtry UV, detekcja w spektroskopii)
Kropla rtęci na kawałku papieru z wybielaczem optycznym, oświetlona lampą UV. Ogromna czułość detekcji poprzez absorpcję w UV (tu: stężenie kilkanaście ppb)

* Reakcja fotochemiczna żelazo-szczawiany: F aktynometr Hatcharda-Parkera  (zagrożenie i chemiczne działanie promieniowania, ekologia, dozymetry chemiczne)
Żółty roztwór szczawianożelazianu z dodatkiem cyjanożelazianu niebieszczeje w świetle rzutnika w ciągu kilkunastu sekund. Reaktywność stanów wzbudzonych. Światłomierz (aktynometr) chemiczny. Dziura ozonowa a przypadki fotouczulenia. Fototerapia nowotworowa. Do czego zmierza cywilizacyjna beztroska?

Fotobromowanie węglowodorów, łańcuchowa fotosynteza HCl   (losy stanu wzbudzonego)
Eksplozja fiolki napełnionej wodorem i chlorem, naświetlonej lampą błyskową. Obliczenie: jaka maksymalna długość (barwa) światła jest niezbędna do wywołania reakcji łańcuchowej? Zachęta do stosowania metod elektrochemicznych w drobnej preparatyce laboratoryjnej: chlor, wodór.

* F Rozcieńczanie wodą wskaźnika pH   (prawo rozcieńczeń Ostwalda “po prostacku”, a nie “na pamięć”...)
Roztwór zieleni bromokrezolowej w miarę rozcieńczania wodą zmienia barwę z pomarańczowej (niezdysocjowana) na niebieską (aniony wskaźnika).

* Synteza wody na F katalizatorze palladowym   (energia aktywacji, zachęta do posługiwania się elektrochemicznymi metodami preparatyki)
Kubeczek z mieszaniną wodoru i tlenu nałożony na watkę z katalizatorem palladowym - eksploduje. Co jest przyczyną powolności niektórych reakcji: entalpia netto, czy energia aktywacji? Rola katalizatora.

Zaskakujące zastosowanie nudnego wzoru Arrheniusa
Zależność pomiędzy szybkością procesu, temperaturą a energią aktywacji. Wyznaczając przybliżoną wartość Eakt. z pomiarów kinetycznych w różnych temperaturach ustalono, że mechanizm np. zapominania lub sterowania błyskami świecenia świetlików - ma naturę chemiczną, a nie fizyczną.

* Reakcja “zegarowa” jako F model kinetyki chemicznej
Zmuszenie audytorium do racjonalnego myślenia i przewidywania wyniku eksperymentu kinetycznego. Model hydrauliczny kinetyki chemicznej.

Zobojętnienie wody sodowej: złożony proces równowagowy   (problem fizjologii oddychania)
Dodanie NaOH do wody sodowej (+błękit bromotymolowy) powoduje jej zalkalizowanie, ale po kilkunastu sekundach ponowne jej zakwaszenie. Mało znany chemikom proces powolnego ustalania równowagi uwadniania dwutlenku węgla. Konsekwencje fizjologiczne (wymiana gazowa w płucach). Demonstracja ogromnej skuteczności anhydrazy węglanowej krwi.

* F Zjawiska samoorganizacji: reakcja oscylacyjna Briggsa-Rauschera
Reagujący roztwór samorzutnie zmienia okresowo, co 15 sekund barwę: niebieska-bezbarwna-złota-niebieska-bezbarwna- itd. Wprowadzenie do zjawisk samoorganizacji; wstęp do termodynamiki nieliniowej. Niezwykłość procesów silnie odchylonych od równowagi. Powszechność zjawisk samoorganizacji w technice, życiu codziennym, biologii (praca serca), meteorologii, ekologii (gradacje szkodników), psychologia zachowań zbiorowych tłumu. (opis warunków niezbędnych do wystąpienia zjawisk samoorganizacji)

* Wędrujące kolorowe F fale reaktywności chemicznej   (samorzutne powstawanie struktur z chaosu, wprowadzenie do termodynamiki nieliniowej)
W reagującym, wymieszanym i pozostawionym w spokoju roztworze samorzutnie powstają kolorowe punkty emitujące koncentryczne rozszerzające się barwne strefy redukcji i utlenienia na przemian. Twory mają charakter ekspansywny i są zaskakująco podobne do zachowań zbiorowisk ludzkich. Warunki w których zbiorowiska mają tendencję do zachowań spójnych. Zjawiska samoorganizacji przestrzennej a dysputy światopoglądowe związane z Kreacją .

Inhibitory i katalizatory międzyfazowe; reakcje w micelach
Modelowa reakcja: zanik barwy Fioletu Krystalicznego (lub fenoloftaleiny) po silnym zalkalizowaniu (zanik układu aromatycznego). Reakcja prowadzona w obecności detergentu anionowego (micele anionowe) i detergentu kationowego (micele kationowe) przebiega z różną szybkością. Wpływ obecności koloidów na reakcje w żywych organizmach.

* Niezwykłe substancje: F jonity
Demonstracja na rzutniku podstawowych niezwykłych właściwości nierozpuszczalnego mocnego kwasu: kationitu sulfonowego

* F Chromatografia   (TLC tuszu flamastrów lub barwników roślin - 100 lat od wynalazku M.Cwieta...)
Widowiskowa analiza tuszu flamastrów oraz historyczny rozdział barwników roślinnych

Reakcja redoks na sposób chemiczny i elektrochemiczny   (utlenianie jodków solą żelaza - na odległość)
Prowadzenie reakcji oddzielnie - w dwóch naczynkach. Niezbędność bilansu jonów - dla zachowania elektroneutralności. Praktyczna wygoda takiego skomplikowanego sposobu prowadzenia reakcji redoks (praca ogniwa).

Elektroliza wody i nadtlenku wodoru   (co to jest elektroliza?, II prawo Faradaya, kontrowersyjny gramorównoważnik doświadczalnie...)
Elektroliza roztworu siarczanu sodu + zieleń bromokrezolowa w dwóch krystalizatorach połączonych kluczem elektrolitycznym. Wykazanie, że nie tylko ilości gazowych produktów elektrolizy, ale i produktów rozpuszczonych - spełniają II Prawo Faradaya. Zastąpienie klucza elektrolitycznego drutem platynowym. Elektroliza jako SPOSÓB zamiany przewodnictwa elektronowego w metalu na przewodnictwo jonowe w roztworze. Elektroliza w dwóch aparatach Hofmanna (roztwór w wodzie i w  nadtlenku wodoru): na anodach postają  różne ilości tlenu... Dyskusja o gramorównoważnikach. 

Siła Lorenza podczas elektrolizy   (ruch jonów w polu magnetycznym)
Elektroliza roztworu siarczanu miedzi; dwie koncentryczne koliste elektrody miedziane, w polu krążkowego magnesu ferrytowego: roztwór wiruje w polu magnetycznym. Skutkiem elektrolizy jest uporządkowany ruch jonów. Silnik elektrochemicznomagnetohydrodynamiczny.

Budowa ogniwa czyli eksperymenty Galvaniego po nowemu, z udziałem widzów
Dwie osoby trzymają w ustach odcinki drutu: magnezowego i miedzianego, zwarte miliamperomierzem. Dlaczego prąd nie płynie? (zaburzenie elektroneutralności, konieczność zbilansowania jonów). Przepływ prądu po podaniu sobie zwilżonych dłoni.

* F Nadnapięcie wydzielania wodoru
Trzy druciki zlutowane w kształt litery ”Y”: cynkowy, miedziany i platynowy, zanurzone w kwasie. Dlaczego wodór wydziela się na powierzchni platyny?

* F Nadnapięcie wydzielania cynku
Moneta miedziana ogrzana z roztworem NaOH i w kontakcie z granulkami cynku, staje się srebrzysta; a po ogrzaniu jej w płomieniu zapalniczki - złocista...

* Mechanizm korozji (w F odczynniku ferroksylowym), protektory katodowe, paradoks tlenowy korozji
Odczynnik ferroksylowy: agarowy roztwór cyjanożelazianu + fenoloftaleina. Znakomita barwna ilustracja procesu korozji: niebieskie obszary anodowe (korozja) i różowe katodowe, wpływ stresu mechanicznego na korozję. Skuteczność protektorów katodowych. Paradoks: im większe stężenie tlenu, tym słabsza korozja. Dlaczego gumka przecina żyletkę?

* F Paramagnetyzm soli   (magnesy nowej generacji)
Paramagnetyzm soli np. chlorku kobaltu; niezwykłe magnesy neodymowe.

* F Łatwe skraplanie tlenu, paramagnetyzm ciekłego tlenu
Bardzo czysty tlen skrapla się i ścieka po zewnętrznej powierzchni puszki po piwie napełnionej ciekłym azotem. Ciekły tlen na szkiełku zegarowym jest silnie przyciągany przez magnes neodymowy: tlen jest rodnikiem. Demonstracja na 3 minuty…

* F Wykrywanie bardzo słabych kwasów    (jodan+jodek   lub fenoloftaleina)
Propozycja na ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej i analitycznej. Bardzo słabe kwasy organiczne wykrywać nie papierkiem wskaźnikowym (lub oranżem metylowym), ale fenoloftaleiną (sic!). Lub w bardzo prostej reakcji z mieszaniną jodanu i jodku. Oba testy są bardzo proste w wykonaniu oraz niezwykle czułe (Ka 10-11).

* F Wykrywanie bardzo słabych zasad (równowaga z dwumetyloglioksymianem niklu)
Odczynnik: mieszanina siarczanu niklu i dwumetyloglioksymu. Czułość: dla bardzo słabo rozpuszczalnych zasad, Kb 10-12. Praktyczne wykonanie jest bardzo nieskomplikowane.

Proste wykrywanie organicznych związków tlenu
Odczynnik: pasek bibuły nasycony roztworem rodanku żelazowego i wysuszony. Związki tlenu tworzą rozpuszczalne kompleksy solwatacyjne: roztwór barwi się na wiśniowo. Test z barwą roztworów jodu: związki tlenu i azotu tworzą roztwory brązowe, a nie fioletowe.

* F Modele dydaktyczne, np. śruba i nakrętka   (model aktywności optycznej roztworu, model idei operowania molami w stechiometrii)
Dlaczego roztwór enancjomeru skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego pomimo chaotycznego ułożenia cząsteczek?
Zmieszano 100 g kwasu octowego + 100 g NaOH. Czego użyto w nadmiarze? (analogia: 100 g małych nakrętek + 100 g dużych śrub)

* F Metody zapisywania równań reakcji
Niekonsekwencje i błędne skojarzenia przy posługiwaniu się fikcją stopni utlenienia. Równania połówkowe zapisywać bez stopni utlenienia. Niezwykła procedura: konsekwentna metoda algebraiczna.

* Przykłady F paradoksów chemicznych: srebro ruguje wodór z kwasu (HI);
Błędne wnioski z szeregu napięciowego metali

Niebieskie + niebieskie = bezbarwne   (sposoby wpływania na potencjał redoks)
Dlaczego zmieszanie niebieskiego roztworu: sól Mohra + błękit metylenowy z niebieskim roztworem: EDTA (lub NaF)+ błękit metylenowy - powoduje zanik zabarwienia?

Wyznaczanie masy cząsteczkowej gazu za pomocą gwizdka
Gwizdek zasilany wodorem wydaje dźwięk znacznie wyższy, niż zasilany powietrzem (a niższy przy wdmuchiwaniu pary eteru lub chlorku metylenu). Lepkość i gęstość gazu zależy od jego masy cząsteczkowej.

* Zagrożenie wybuchowe gazem ziemnym (F nagranie fragmentu noworocznego wywiadu dla Radia Gdańsk)
“Pamiętny” eksperyment: podpalenie plastikowej butelki z 1 litrem mieszaniny gazu ziemnego z tlenem. 

* Niezliczone analogie i modele fizyczne

 

Tomasz Pluciński
nowy adres:  tomasz.plucinski@ug.edu.pl 

F strona główna