2.06 Kovy. Projekt Trojlístek

Transkript

1 2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.06 Kovy. Projekt úroveň 1 2 3

2 1. Předmět výuky Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu Chemie. Chemie 2. Cílová skupina Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta) 3. Abstrakt Kovy jsou prvky, které se vyznačují elektrickou a tepelnou vodivostí. Na očištěném povrchu mají kovový lesk a dají se snadno opracovávat, protože jsou kujné a tažné. Ke kovům patří například měď, zinek, hliník, železo. Každý materiál je charakterizován pomocí materiálových konstant, např. tepelnou vodivostí. Tepelná vodivost je schopnost daného kusu látky, konstrukce (např. zdi) vést teplo. Představuje rychlost, s jakou se teplo šíří z jedné zahřáté části látky do jiných, chladnějších částí. 4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda. Mezi okruhy zájmu patří problematika nerostných surovin, složení vzduchu, chemických látek a jejich směsí, chemických reakcí, anorganických sloučenin. Co mají žáci znát: bezpečnost práce s otevřeným ohněm; kovy. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení tepelné vodivosti materiálů, zejména kovů, a jejich struktury. Co se žáci dozví: Základní informace o kovech. Tepelná vodivost. 2

3 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Hliník Al Zinek Zn Železo Fe DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kovové pásky ( mm) s vyvrtanou dírou o průměru cca 3 mm: hliníkový (Al), železný (Fe) a zinkový (Zn) Dřevěný hranolek ( mm) Svíčky (tři hřbitovní v kalíšku) Kuličky vosku (tři, stejně veliké, průměr cca 3 mm) Zapalovač Stopky Miska (ev. podložka či list papíru) 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout sestavení experimentu z výše uvedených pomůcek. Dále je třeba přesně připravit experiment tak, aby docházelo k ohřevu pásků kovů ve stejné vzdálenosti od díry u všech kovových pásků. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. ČASY: 10 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase a během krátké doby pozorujeme tání vosku. Časy: Realizaci jednoho experimentu odhadujeme na 5 minut, pro všechny kovy 15 minut. 15 minut 3

4 8. Laboratorní postup Tepelná vodivost kovů Na dřevěný hranolek položíme příčně všechny tři pásky kovů tak, aby byly orientovány děrami na jednu stranu. Na otvory v páscích kovů položíme stejně veliké kuličky z vosku. Připravíme si stopky/hodinky. Pod druhé konce dáme zapálené svíčky a zapneme stopky. Změříme čas, který uplyne od začátku zahřívání až do chvíle, kdy voskové kuličky začnou tát (změní tvar), nejlépe v okamžiku, kdy propadnou vyvrtanou dírou na misku. 9. Princip experimentu Experiment je založen na různé hodnotě tepelné vodivosti jednotlivých kovů. Pokud bude u všech tří kovových pásků dodržena stejná vzdálenost zdroje tepla (plamene) od kuličky vosku (stejně velké!), roztaje kulička vosku nejdříve u materiálu (kovu) s nejvyšší tepelnou vodivostí a budou následovat kovy s nižšími tepelnými vodivostmi. 10. Bezpečnost práce Použité látky a materiály jsou běžně používány. Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce není třeba věnovat zvýšenou pozornost chemickým rizikům. Nutno dodržovat požární předpisy!!! 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme provedení pokusu ve skupinách (dva a více žáků). Žáci mohou experiment vyhodnotit pomocí přehledné tabulky se změřenými časy a jejich porovnáním pro jednotlivé kovy. 4

5 12. Přínos Tepelná vodivost Tepelná vodivost dané látky je charakterizována veličinou součinitel tepelné vodivosti. Tato veličina je velice důležitá pro konstrukční a tepelně izolační materiály, které se používají při stavbě nízkoenergetických a pasivních budov či při izolaci pecí nebo chladicích zařízení. Součinitel tepelné vodivosti Součinitel tepelné vodivosti Je definován jako množství tepla, které musí za jednotku času projít tělesem, aby na jednotkovou délku byl jednotkový teplotní spád. Přitom se předpokládá, že teplo se šíří pouze v jednom směru, např. v desce s rovnoběžnými povrchy. Tuto definici lze také vyjádřit tak, že součinitel tepelné vodivosti je výkon (tzn. teplo za jednotku času), který projde každým čtverečním metrem desky silné jeden metr, jejíž jedna strana má teplotu o 1 K (Kelvin) vyšší než druhá. Značení Symbol veličiny: λ Jednotka SI: watt na metr a kelvin, značka jednotky: W.m -1.K -1 Výpočet Množství tepla, které projde za čas plochou do hloubky, se určí ze vztahu Značení Výpočet kde je součinitel tepelné vodivosti a T je rozdíl teplot na vzdálenosti d. je doba, za jakou projde danou plochou S. Součinitel tepelné vodivosti je materiálová konstanta, která se zjišťuje experimentálně., Vlastnosti U materiálů s definovanou tloušťkou se často udává součinitel prostupu tepla U, který je definován jako výkon, který projde plochou jednoho čtverečního metru při rozdílu teplot 1 K. Tepelná vodivost společně s tepelnou kapacitou také ovlivňuje subjektivní vnímání teploty těles při doteku. Např. dotýkáme-li se dvou chladných předmětů se stejnou teplotou, z nichž jeden je kovový a druhý dřevěný, zdá se nám dřevěný předmět teplejší, protože jeho povrch se zahřívá tělesným teplem snadněji, zatímco kovový předmět teplo snadněji odvádí daleko od povrchu. Součinitel prostupu tepla 5

6 Tepelná vodivost je mírně závislá na teplotě. U kovů s rostoucí teplotou klesá, u polovodičů naopak s teplotou roste. Příklad hodnot tepelné vodivosti Tepelná vodivost kapalin a plynů je udávána v klidu (tzn. nedochází k přenosu tepla prouděním). Tabulka 1 udává hodnoty tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 25 C. Pro srovnání jsou uvedeny hodnoty tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 20 C (Tabulka 2). 13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Obr. 1 Průběh experimentu 6

7 Tabulka 1 Tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 25 C Látka λ (W m -1 K -1 ) diamant stříbro 429 měď 386 zlato 317 hliník 237 mosaz 120 železo 80,2 platina 71,6 olovo 35,3 rtuť 8,514 křemen 7 12 led (0 C) 2,2 sklo 1,35 voda 0,6062 nylon 0,24 olej 0,13 dřevo 0,04 0,35 ovčí vlna 0,04 polystyrenová pěna 0,033 vzduch (normální tlak) 0,0262 aerogel 0,015 0,020 Tabulka 2 Tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 20 C Látka λ (W m -1 K -1 ) stříbro 418 měď 395 hliník 229 železo 73 žula 2,9 4,0 beton 1,5 voda 0,6 cihla 0,28 1,2 sklo 0,60 1,0 škvárobeton 0,70 linoleum 0,19 polystyren 0,16 benzín 0,131 skelná vata 0,04 polystyrenová pěna 0,035 vzduch 0,026 Tabulka 1 Tabulka 2 7