Σχολικά Πειράματα Xημείας. Aπό τη Mακρο- στη Mικροκλίμακα

Χημεία είναι η επιστήμη που δικαιολογημένα χαρακτηρίστηκε από τον ποιητή Κωστή Παλαμά «κορώνα των επιστημών», επειδή συμμετέχει καθοριστικά στη ζωή μας και αποτελεί εργαλείο για πλήθος επιστημών, όπως Ιατρική, Φαρμακολογία, Γεωπονία, Αρχαιολογία, Βιολογία κ.λπ. Ο όρος «Χημεία» συνδέεται με προϊόντα που προϋπήρχαν στη Φύση, καθώς και με τη δημιουργία νέων μορφών ύλης, συνδέεται με πρόοδο (φάρμακα, χρώματα, λιπάσματα, απορρυπαντικά κ.λπ.), αλλά και με κινδύνους (τρύπα του όζοντος, όξινη βροχή, ευτροφισμό, χημικά απόβλητα, κ.λπ.). Το μάθημα της Χημείας όμως, στα Γυμνάσια και Λύκεια της πατρίδας μας, προκαλεί σε πολλούς μαθητές ένα αίσθημα «χημειοφοβίας». Γι’ αυτό ευθύνονται πολλά, κυρίως το ολιγόωρο του μαθήματος και ο τρόπος διδασκαλίας, καθώς μία κατεξοχήν πειραματική επιστήμη διδάσκεται συνήθως με στείρα παράθεση θεωρίας και μαθηματικών ασκήσεων και με περιορισμένη ή καθόλου χρήση πειράματος.
Το βιβλίο αυτό «Σχολικά Πειράματα Χημείας από τη μακρο- στη μικροκλίμακα» αποτελεί συνέχεια του βιβλίου «Διδακτική Πειραμάτων Χημείας», με σκοπό να συμβάλει με τη σειρά του έτσι ώστε το μάθημα της Χημείας να αποκτήσει την πραγματική του διάσταση, ενώ οι μαθητές μέσα από το «μεράκι» των δασκάλων της χημείας να προσεγγίσουν τη Χημεία διαφορετικά, να τη συνδέσουν με τη ζωή τους και ν’ αλλάξουν γνώμη για το μάθημα. Γι’ αυτό άλλωστε στα νέα αναλυτικά προγράμματα σπουδών Γυμνασίου και Ενιαίου Λυκείου, προβλέπεται η υποχρεωτική διεξαγωγή ορισμένων εργαστηριακών ασκήσεων.
Η ύλη του βιβλίου είναι ταξινομημένη σε δύο μεγάλα κεφάλαια. Το κεφάλαιο ΕΙΣΑΓΩΓΗ χωρίζεται σε έξι ενότητες όπου περιέχονται: λεπτομέρειες για τα πειράματα σε μικροκλίμακα – αναφορές στον επιστημονικό συμβολισμό, σφάλματα μετρήσεων, σημαντικά ψηφία, στρογγυλοποίηση αριθμών, τρόποι παρουσίασης δεδομένων (επειδή σε πολλά πειράματα προκύπτουν και ποσοτικά δεδομένα) – μετρήσεις που μπορούν να γίνουν στο χημικό εργαστήριο όπως μέτρηση όγκου, μάζας, θερμοκρασίας, pH – διάφορες εργαστηριακές εργασίες όπως διαχωρισμός μίγματος, κατεργασία γυαλιού κ.λπ. Tέλος αναφέρονται οι κανόνες ασφάλειας στο χημικό εργαστήριο γενικά και ειδικότερα κατά τη θέρμανση ή τη χρήση χημικών αντιδραστηρίων.
Το δεύτερο κεφάλαιο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ – ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ χωρίζεται σε δέκα ενότητες, όπου δίνονται εργαστηριακές ασκήσεις που συνδέονται άμεσα με τις ασκήσεις που προβλέπονται στο νέο αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών, κυρίως για τις τάξεις Β’ και Γ’ Eνιαίου Λυκείου Θετικής και Τεχνολογικής κατεύθυνσης και A’ Eνιαίου Λυκείου. Κάθε άσκηση περιέχει έναν αριθμό πειραμάτων ώστε να υπάρχει η δυνατότητα επιλογής από τους διδάσκοντες. Σε κάθε πείραμα, όπου είναι δυνατό, δίνονται όλοι οι εναλλακτικοί τρόποι εκτέλεσης του ίδιου πειράματος, δηλαδή σε μακροκλίμακα (ο παραδοσιακός τρόπος), σε μικροκλίμακα, πιο απλά και ως πείραμα επίδειξης απλά ή με προβολέα διαφανειών. Στην αρχή κάθε εργαστηριακής άσκησης αναφέρεται περιληπτικά η θεωρία στην οποία βασίζεται η άσκηση, ενώ στην αρχή κάθε πειράματος δίνονται ορισμένα στοιχεία που αφορούν αυτό, καθώς και η αντίδραση στην οποία βασίζεται. Ακολουθεί αναλυτικά η παρουσίαση του τρόπου εκτέλεσης του πειράματος που συνοδεύεται από αντίστοιχη εικονογράφηση, οι πίνακες που πρέπει να συμπληρωθούν με τα δεδομένα που προκύπτουν και τέλος οι παρατηρήσεις που δίνουν το επιθυμητό αποτέλεσμα.
Τα πειράματα που έχουν επιλεγεί γίνονται εύκολα, γρήγορα, δεν απαιτούν ιδιαίτερη υλικοτεχνική υποδομή, είναι εντυπωσιακά και συμβάλλουν καθοριστικά στην εμπέδωση του μαθήματος της χημείας. Στο κάτω μέρος της σελίδας αναγράφεται η τάξη όπου είναι δυνατό να γίνει το πείραμα.
Το βιβλίο αυτό απευθύνεται στους φοιτητές του τμήματος Χημείας του ΑΠΘ, που επιλέγουν το μάθημα «Διδακτική της Χημείας« και το μάθημα «Το πείραμα στη διδασκαλία της Χημείας», στους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Δι.Χη.Ν.Ε.Τ. (Διδακτική της Χημείας και Νέες Εκπαιδευτικές Τεχνολογίες) και στους δασκάλους Χημείας της Β/θμιας Εκπαίδευσης ως συμπλήρωμα των εργαστηριακών οδηγών που ήδη συνοδεύουν τα βιβλία Χημείας στα Γυμνάσια και Λύκεια, επειδή περιέχονται και πειράματα χημείας σε μικροκλίμακα (microscale chemistry), που συγκεντρώνουν πολλά πλεονεκτήματα και χρησιμοποιούνται ήδη σε πολλές χώρες.
Ό,τι περιέχεται στο βιβλίο αυτό είναι κατάθεση γνώσεων και εμπειριών από τη μακρόχρονη παρουσία μου στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ, από τις πειραματικές διδασκαλίες και τα πειράματα επίδειξης σε εκατοντάδες φοιτητές και μαθητές Γυμνασίου και Λυκείου κατά την πολυετή διδασκαλία μου στο μάθημα «Διδακτική της Χημείας», από τη συμμετοχή μου σε προγράμματα επιμόρφωσης συναδέλφων Β/θμιας εκπαίδευσης (ΠΕΚ, ΕΠΕΑΕΚ, ΕΚΦΕ) καθώς και από τη συμμετοχή μου στην ομάδα συγγραφής σχολικών βιβλίων Χημείας στο διαγωνισμό που προκήρυξε το ΥΠΕΠΘ με το Παιδαγωγικό Ινστιτούτο (1998) όπου τα βιβλία μας απέσπασαν τις άριστες κρίσεις.

1. ΠεριεχόμεναEισαγωγικάA. Χημεία σε μικροκλίμακα
   1. Πειράματα χημείας σε μικροκλίμακα
   2. Όργανα που χρησιμοποιούνται στα πειράματα χημείας σε μικροκλίμακα
   3. Μέτρηση του όγκου των σταγόνων και των μικροσταγόνων νερού
   4. Παραγωγή αερίων σε μικροκλίμακα

    

   B. Αριθμοί και υπολογισμοί στη Χημεία

   1. Επιστημονικός συμβολισμός
   2. Σφάλματα μετρήσεων – Ακρίβεια – Επαναληψιμότητα
   3. Σημαντικά ψηφία – Στρογγυλοποίηση αριθμών
   4. Παρουσίαση αποτελεσμάτων σε πίνακες και διαγράμματα (σύστημα Guggenheim)
   5. Κυριότερες μονάδες συγκέντρωσης
   6. Mετρικό σύστημα μονάδων

    

   Γ. Μετρήσεις στη Χημεία

   1. Μέτρηση όγκου
   2. Μέτρηση μάζας (Ζύγιση)
   3. Μέτρηση θερμοκρασίας
   4. Μέτρηση οξύτητας ή βασικότητας διαλύματος (pH)

    

   Δ. Διάφορες Εργαστηριακές Eργασίες

   1. Διαχωρισμός μίγματος
   2. Κατεργασία γυαλιού
   3. Καθαρισμός γυάλινων οργάνων και συσκευών

    

   Ε. Καθορισμός των φυσικών ιδιοτήτων χημικού αντιδραστηρίουΖ. Ασφάλεια στο εργαστήριο

   1. 1. 1. «Οι δέκα εντολές»
         2. Ειδικοί κανόνες ασφάλειας στο εργαστήριο
         3. Θέρμανση – Απαραίτητες προφυλάξεις
         4. Χρήση χημικών αντιδραστηρίων – Απαραίτητες προφυλάξεις
         5. Ειδικότεροι κίνδυνοι στο εργαστήριο
         6. Μέτρα ασφάλειας για ορισμένα αντιδραστήρια

   Eργαστηριακές ασκήσεις – πειράματα

   1η Eργαστηριακή άσκηση: Υπολογισμός θερμότητας αντίδρασης
   Πείραμα 1.1 Προσδιορισμός της θερμοχωρητικότητας θερμιδομέτρου
   Πείραμα 1.2 Υπολογισμός θερμότητας εξουδετέρωσης NaOH(aq) με H2SO4(aq)
   Πείραμα 1.3 Υπολογισμός θερμότητας διάσπασης NaHCO₃(s). Νόμος του Hess

   2η Eργαστηριακή άσκηση: Tαχύτητα χημικής αντίδρασης και παράγοντες που την επηρεάζουν
   Πείραμα 2.1 Υπολογισμός της ταχύτητας χημικής αντίδρασης
   Πείραμα 2.2 Επίδραση της συγκέντρωσης (μάζας) στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης Mg(s)+HCl(aq)
   Πείραμα 2.3 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης Mg(s)+HCl(aq)
   Πείραμα 2.4 Επίδραση της συγκέντρωσης (μάζας) στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης
   Πείραμα 2.5 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης Na₂S₂O₃(aq)+HCl(aq)
   Πείραμα 2.6 Ταχύτητα χημικής αντίδρασης και θερμοκρασία στο ξίδι
   Πείραμα 2.7 «Το χημικό ρολόι». Επίδραση της συγκέντρωσης στην ταχύτητα αντίδρασης [μικροκλιμακα]
   Πείραμα 2.8 Επίδραση της ενεργής επιφάνειας στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης Fe(s)+CuSO₄(aq)
   Πείραμα 2.9 Επίδραση της ενεργής επιφάνειας στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης CaCO₃(s)+HCl(aq)
   Πείραμα 2.10 «Φωτιά χωρίς σπίρτα». Επίδραση της ενεργής επιφάνειας στην ταχύτητα χημικής αντίδρασης υπερμαγγανικού καλίου και γλυκερίνης

   3η Eργαστηριακή άσκηση: Δράση των καταλυτών
   Πείραμα 3.1 Επίδραση του καταλύτη στην ταχύτητα αντίδρασης KMnO₄(aq)+(COONa)₂(aq)
   Πείραμα 3.2 Επίδραση του καταλύτη MnO₂(s) στη διάσπαση KClO₃(s)
   Πείραμα 3.3 Διάσπαση υπεροξειδίου του υδρογόνου με καταλύτη MnO₂(s) (πυρολουσίτη)

   4η Eργαστηριακή άσκηση: Μελέτη παραγόντων που επηρεάζουν τη θέση χημικής ισορροπίας
   Πείραμα 4.1 Επίδραση της συγκέντρωσης στη χημική ισορροπία της αντίδρασης τριχλωριούχου σιδήρου με θειοκυανιούχο αμμώνιο
   Πείραμα 4.2 Επίδραση της συγκέντρωσης στη χημική ισορροπία χρωμικών, CrO₄^2- και διχρωμικών, Cr₂O₇^2-, ιόντων
   Πείραμα 4.3 Επίδραση της συγκέντρωσης οξέος ή βάσης στη χημική ισορροπία δείκτη
   Πείραμα 4.4 Επίδραση της θερμοκρασίας στη χημική ισορροπία των συμπλόκων ιόντων, Co(H₂O)₆²⁺-CoCl₄^2-
   Πείραμα 4.5 Χημική ισορροπία στο μεταλλικό νερό (επίδραση της πίεσης)
   Πείραμα 4.6 Επίδραση θερμοκρασίας και πίεσης στο σύστημα των αερίων N₂O₄(g)-NO₂(g) που βρίσκεται σε χημική ισορροπία

   5η Eργαστηριακή άσκηση: Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής
   Πείραμα 5.1 Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής με υπερμαγγανικό κάλιο σε όξινο περιβάλλον
   Πείραμα 5.2 Οξειδοαναγωγική ικανότητα των στοιχείων Cu, Zn, Fe και H. Μια «μίνι» ηλεκτροχημική σειρά
   Πείραμα 5.3 Οξείδωση του ιωδιούχου καλίου με τριχλωριούχο σίδηρο [επίδειξη]
   Πείραμα 5.4 Σχετική δραστικότητα των αλογόνων
   Πείραμα 5.5 Το χλώριο είναι πιο δραστικό από βρώμιο και από ιώδιο [μικροκλίμακα]
   Πείραμα 5.6 Το «Δέντρο της Αφροδίτης»
   Πείραμα 5.7 «Το Δέντρο του Κρόνου»
   Πείραμα 5.8 Πυροτεχνήματα που ανάβουν με πάγο

   6η Eργαστηριακή άσκηση: ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ: «Περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από διάλυμα ή από τήγμα ηλεκτρολύτη»
   Πείραμα 6.1 Ηλεκτρόλυση τήγματος PbBr₂(l)
   Πείραμα 6.2 Ηλεκτρόλυση διαλύματος NaCl
   Πείραμα 6.3 Ηλεκτρόλυση διαλύματος ΚΙ
   Πείραμα 6.4 Ηλεκτρόλυση διαλύματος CuSO₄
   Πείραμα 6.5 Ηλεκτρόλυση διαλύματος AgNO₃ [επίδειξη με προβολέα]
   Πείραμα 6.6 Ηλεκτρόλυση νερού ή ηλεκτρόλυση αραιού θειικού οξέος

   7η Eργαστηριακή άσκηση: Ρυθμιστικά διαλύματα
   Πείραμα 7.1 Συμπεριφορά ρυθμιστικών διαλυμάτων στην προσθήκη μικρών ποσοτήτων οξέος ή βάσης
   Πείραμα 7.2 Συμπεριφορά ρυθμιστικών διαλυμάτων [μικροκλίμακα]

   8η Eργαστηριακή άσκηση: Ογκομετρική ανάλυση ή ογκομετρία
   8.1 Ογκομέτρηση σε μακροκλίμακα ή παραδοσιακή ογκομέτρηση
   8.2 Ογκομέτρηση σε μικροκλίμακα
   8.3 Οξυμετρία – Αλκαλιμετρία
   8.4 Οξειδοαναγωγική ογκομέτρηση – Μαγγανομετρία
   8.5 Ογκομέτρηση καθίζησης – Αργυρομετρία ή μέθοδος Mohr
   8.6 Προσδιορισμός σταθεράς γινομένου διαλυτότητας, Ks δυσδιάλυτου άλατος

   9η Eργαστηριακή άσκηση: Γαλβανικά στοιχεία. Στοιχείο Daniell
   Πείραμα 9.1 Κατασκευή στοιχείου Daniell
   Πείραμα 9.2 Μπαταρίες από φρούτα και λαχανικά
   Πείραμα 9.3 «Ρολόι πορτοκαλάδας»

   10η Eργαστηριακή άσκηση: Είδη χημικών αντιδράσεων
   10.1 Αντιδράσεις σύνθεσης
   10.2 Αντίδραση διάσπασης
   10.3 Αντιδράσεις απλής αντικατάστασης
   10.4 Αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης
   Πείραμα 10.5 Διάλυση αμμωνίας σε νερό «Πίδακας αμμωνίας» [επίδειξη]
   Πείραμα 10.6 «Ο κύκλος του χαλκού». Χημικές μεταμορφώσεις χαλκού [μικροκλίμακα]
   Πείραμα 10.7 Παρασκευή θερμίτη, μίγμα Al(s) και Fe₂O₃(s) [μικροκλίμακα]