Metodika pro učitele Ztracený Chemulín SŠ (geolokační hra s tablety a experimenty) Základní charakteristika výukového programu: Popis: Aplikace je navržena jako terénní geolokační hra s tablety, při níž žáci plnění teoretické i praktické úkoly, luští šifry a provádějí experimenty v terénu i v laboratoři. Jedná se o souhrnné opakování učiva zejména obecné a anorganické chemie; (neprobrané učivo lze dohledat v encyklopedii). První část aplikace (3 vyučovací hodiny) žáci pracují v 2 4členných skupinách v terénu. Jednotlivá místa (lokace) jsou přednastaveny pro Sítenské údolí v Kladně, je možné je však editovat. Na tuto část navazuje hodinová aktivita v laboratoři (event. je možné ji realizovat i ve třídě). Délka: 3 vyučovací hodiny v terénu + 1 hodina v laboratoři (ve třídě) Věková kategorie: dostupné jsou verze pro základní i střední školu verze pro SŠ je doporučena spíše pro žáky druhého a vyšších ročníků Počet žáků: max. 30, žáci pracují ve 2 4 členných skupinách Místo: venku (v parku) i v laboratoři Návaznost na RVP: Chemie. Aplikace je určena k zopakování a rozšíření znalostí z výuky. Vhodné k zopakování probrané látky z obecné a anorganické chemie. Cíle programu: - Žáci aplikují probrané učivo z obecné a anorganické chemie při řešení úloh. - Žáci se orientují v periodické soustavě prvků (PSP) a vyvozují vlastnosti prvků z jejich postavení v soustavě. - Žáci vyhledávají informace v literatuře (encyklopedii). - Žáci provádějí pozorování a experimenty s použitím pomůcek a chemikálií. Charakteristika aplikace: Žáci se snaží vypátrat kouzelníka Chemulína, kterého unesl zlý černokněžník Chemundurak. Žáci prochází pomocí navigace GPS jednotlivá stanoviště (lokace), kde jim Chemulín zanechává šifrované zprávy a různé úkoly. Na závěr kouzelníka vystopují a společným kouzlem přemůžou Chemunduraka. Za odměnu je Chemulín naučí kouzlo na transmutaci kovů a v laboratoři si pak mohou vyrobit zlatou minci.
Seznam pomůcek a chemikálií: - Do každé skupiny (rozdat hned na začátku): alespoň 2 tablety se staženou aplikací Tárium: Ztracený Chemulín plastová zkumavka se zátkou - Pokusy v terénu (pomůcky a chemikálie připravit předem a přenášet v terénu v košíku, tašce apod.): Pokus Pomůcky Chemikálie Hřebík Zrcátko Acidobazické reakce Bengálské ohně velká kádinka (500 ml) termoska (s horkou vodou) tyčinka kleště/pinzeta lžička filtrační papír (trojnožka, síťka) zkumavky (dle počtu skupin) lžička střička s destilovanou vodou větší kádinka (500 ml) termoska (s horkou vodou) kapátko malá lahvička na Tollensovo činidlo (trojnožka, síťka) min. 3 zkumavky stojan na zkumavky lžička kapátko lahvička na výluh z červeného zelí 5x lžička sirky louče + olej (příp. špejle či zapálení H 2 SO 4 ) dva velké plechy /šest kovových misek laboratorní brýle (pro každého žáka) malé krabičky na chemikálie ocelové hřebíky (dle počtu skupin) modrá skalice horká voda ocet a chlorid sodný na očištění hřebíků před pokusem Tollensovo činidlo (dusičnan stříbrný, destilovaná voda, čpavková voda) glukóza (či jiný redukující sacharid) horká voda výluh z červeného zelí ocet hydroxid sodný (event. jedlá soda/soda) voda chlorečnan draselný (najemno rozetřený) moučkový cukr chlorid sodný chlorid měďnatý dusičnan strontnatý - Závěrečný pokus v laboratoři (event. ve třídě): kouzlo Metalum transmutum = transmutace mědi ve stříbro a následně ve zlato měděné mince či plíšky (1 2 na demonstrační předvedení + další dle počtu žáků), destilovaná voda, hydroxid sodný, zinkový prášek; příp. ocet a chlorid sodný na odmaštění mincí před pokusem plynový kahan (nebo varná plotýnka), keramická odpařovací miska, lžička, kleště, kádinka s vodou, trojnožka, síťka s keramickou vložkou, laboratorní brýle (každý žák), laboratorní plášť (každý žák)
Příprava před výukou: Výluh z červeného zelí: V lahvičce je třeba mít nachystáno cca 100 ml výluhu z červeného zelí. Ten je nejlépe připravit den před výukou následujícím způsobem: 2 3 listy červeného zelí nadrobno nakrájíme, zalijeme vodou, chvíli povaříme, a pak necháme pár (desítek) minut luhovat (čím déle se luhuje, tím je výsledný výluh lepší barevně intenzivnější). Výluh poté slijeme do připravené lahvičky a necháme vychladnout. - Poznámky: Vzhledem k tomu, že se výluh rychle kazí, doporučujeme skladovat ho v ledničce, příp. lze k výluhu přidat lžičku kyseliny benzoové pro zvýšení trvanlivosti. Tollensovo činidlo (amoniakální roztok dusičnanu stříbrného): Půlku malé lžičky dusičnanu stříbrného rozpustíme v 5 ml destilované vody. Poté přikapáváme zředěný roztok (asi 10%) amoniaku. V první fázi bude vznikat šedohnědá sraženina, která se přikapáním dalšího amoniaku rozpustí za vzniku bezbarvého roztoku Tollensova činidla. - Poznámky: Tollensovo činidlo připravujte vždy čerstvé (stáním roztoku může vznikat třaskavé stříbro, které může samovolně explodovat). Činidlo lze připravit max. několik hodin před experimentem. Amoniak přikapávejte opatrně jakmile se sraženina rozpustí, přestaňte amoniak přikapávat, nadbytek amoniaku totiž snižuje citlivost činidla. Pozor: Dusičnan stříbrný při potřísnění zanechává na oblečení a kůže špatně odstranitelné skvrny! Hřebíky: Hřebíky doporučujeme předem odmastit ve větší kádince v roztoku vytvořeném z octa (100 ml) a kuchyňské soli (2 větší lžičky) promíchat, kleštěmi vyjmout, opláchnout vodou a usušit. Chlorečnan draselný: V třecí misce tloučkem opatrně najemno rozetřít asi 10 lžic KClO 3. Horká voda: Do termosky nalít alespoň 500 ml horké vody (např. z rychlovarné konvice). Zkontrolovat výše uvedený seznam chemikálií a pomůcek potřebných v terénu i v laboratoři.
Průběh výuky: Žáci se rozdělí do skupin po 2 4. Každá skupina dostane alespoň dva tablety (se staženou aplikací Ztracený Chemulín) a plastovou zkumavku se zátkou. Všichni žáci začínají společně na úvodní lokaci v Chemulínově laboratoři, kde najdou dopis od Chemulína. V dopise se dozví, co se kouzelníkovi stalo. Nejprve musí splnit úvodní úkol. V okamžiku, kdy správně zodpoví všechny otázky, najdou magický kompas a vydají se na cestu. Postupně prochází 9 stanovišť (6 teoretických a 3 praktická), na kterých plní úkoly. Praktické úkoly (experimenty) plní v terénní laboratoři (lokace Chemulínova laboratoř), kde na práci dohlíží učitel. Mezi jednotlivými stanovišti jsou naváděni pomocí kouzelného kompasu, který ukazuje směr a vzdálenost dalšího stanoviště. Úkoly se objeví až po vstupu do lokace (audiovizuální upozornění). Pokud není úkol splněn, není možné ve hře pokračovat. Na závěr (nejpozději v předem určeném čase) se všichni sejdou v lokaci Chemundurakovo temné sídlo a společným kouzlem černokněžníka přemůžou. Poté následuje přesun do školy, přestávka a zopakování získaných poznatků. Dle možností školy si žáci následně vyrobí v laboratoři zlatou minci podle návodu, který za odměnu získali, příp. pokus předvede pouze učitel. Instrukce pro žáky s poznámkami pro učitele: Co nás čeká? Nacházíme se v laboratoři kouzelníka Chemulína. Jak jste si jistě všimli, Chemulín tu není. Vaším úkolem je zjistit, co se s ním stalo a najít ho. Úvodní informace je dobré žákům sdělit na první lokaci (Chemulínova laboratoř), kde se provádějí i první tři experimenty (hřebík, zrcátko, acidobazické reakce). Učitel stručně představí aplikaci jedná se o geolokační hru s tablety, která bude probíhat v terénu, v závěru pak část v laboratoři ve škole. Jak budeme pracovat? Chemulína budete hledat ve skupinách 2 4 žáků. K pátrání budete potřebovat tablety (min. dva do skupiny) se zapnutou navigací GPS a plastovou zkumavku se zátkou. Tablety s GPS: - Nejprve je třeba na všech tabletech zkontrolovat, že je zapnutá navigace GPS a zvuk. - Učitel žákům vysvětlí, že pro to, aby mohli být správně navigováni k jednotlivým lokacím pomocí signálu GPS, tak se musí začít POHYBOVAT. - Ukázalo se, že snáze se orientuje podle ukázaného počtu metrů (narůstá hodnota = vzdaluji se, ubývá hodnota = jdu správně, přibližuji se), než podle šipek. Signál GPS se špatně chytá např. pod mostem. - Poté, co žáci dojdou do dané lokace, tablet PÍPNE. Poté mohou žáci poodejít a řešit úkol na vhodném místě (např. si mohou sednout na lavičku, poodejít do stínu apod.). - Za slunečného počasí je horší čitelnost na tabletu s přímým osvícením, je tedy vhodné, aby žáci úkoly řešili ve stínu, stínili si apod. - V rámci Sítenského údolí se všechny lokace nachází přímo v parku a jsou rozvrženy tak, že se k nim žáci mohou dostat chozením po cestičkách. Skupinová práce: - Žáci v rámci skupinky by měli spolupracovat to mimo jiné znamená chodit mezi lokacemi SPOLEČNĚ. - K řešení úkolů žáci mohou používat encyklopedii. - Při průchodu aplikací nejde o čas, žáci se tedy nemusí honit. Na druhou stranu by se ale neměli ani zbytečně loudat. - V případě jakýchkoli problémů a nejasností se žáci vrátí do lokace Chemulínova laboratoř k vyučujícímu.
- Je ideální, když se výuky mohou účastnit dva vyučující jeden zůstane na lokaci Chemulínova laboratoř a pomáhá žákům s experimenty, druhý se pohybuje v terénu (obvykle za poslední skupinou) a pomáhá řešit příp. problémy (např. padání aplikace, nepochopení zadání, potíže s řešením úkolů apod.). Pohyb v aplikaci: - Žáci se v aplikaci pohybují pomocí šipek. Mezi lokacemi jsou navigováni prostřednictvím kompasu. - Po splnění příslušného experimentálního úkolu (Metalum transmutum Cuprum a Speculum argentum) učitel žákům odemkne další část aplikace poklepáním 10x na příslušný obrázek uprostřed snímku. - Poté, co se všichni žáci sejdou v závěrečné lokaci Chemundurakovo temné sídlo, učitel jim odemkne pokyny ke kouzlu Infernum morti poklepáním 10x na svitek s názvem lokace. - Po přečtení kouzla Infernum morti a zapálení složí žáci prstem přesunou na tabletu louči do nakresleného hexagonu. Tím dojde k zapálení složí na obrázku (hoří příslušnými barvami), překonání Chemundurakovy magické síly a záchraně kouzelníka Chemulína. - Pokud žákům aplikace spadne a restartuje se, učitel je posune na potřebné místo v aplikaci pomocí funkce FREEWALK aktivuje se poklepáním 10x na svitek s názvem lokace. Pak se klikne na kompas a poté 10x na číslo verze aplikace (v pravém horním rohu). Na rozcestníku se zvolí příslušná lokace, znovu se 10x klikne na číslo verze aplikace a vybere se možnost našel jsem!. (Tento postup lze použít i při průchodu aplikací při přípravě na výuku.) - V rámci rozcestníku lze též smazat data a editovat lokace. Popis experimentů: Hřebík: kouzlo Metalum transmutum Cuprum = pomědění ocelového hřebíku Postup: Každá skupina vloží jeden odmaštěný hřebík do připraveného roztoku modré skalice 1 lžička CuSO 4. 5 H 2 O rozpuštěná v 200 ml horké vody v široké kádince (500 ml). Po několika minutách se hřebíky pomědí, tj. pokryjí se hnědočervenou vrstvičkou mědi, a původně tyrkysový roztok modré skalice zezelená. Každá skupina kleštěmi vyjme poměděný hřebík z roztoku, osuší ho a zabalí do filtračního papíru. Princip: Dochází k vytěsňovací reakci: Fe + CuSO 4 Cu + FeSO 4. Zrcátko: kouzlo Speculum argentum = příprava stříbrného zrcátka Postup: Každá skupina dostane jednu zkumavku, do níž vsype půlku malé lžičky glukózy, tj. hroznového cukru (či jiného redukujícího sacharidu) a tu rozpustí asi ve 2 ml destilované vody (přidávané ze střičky). Vyučující do každé zkumavky přikápne cca 1 ml Tollensova činidla (pozor při potřísnění zanechává obtížně odstranitelné skvrny) a zkumavky se vloží do větší kádinky s horkou vodou. Během několika minut dojde k vyredukování stříbra na stěnách zkumavky (vznikne stříbrné zrcátko). Každá skupina si vypláchne a odnese jednu zkumavku se stříbrným zrcátkem. Princip: Dochází k oxidaci aldehydové skupiny v daném redukujícím sacharidu (např. glukóze) a zároveň k redukci Ag + v Tollensově činidle na Ag 0. Poznámky: Pro vznik spojitého stříbrného zrcátka používejte vymyté, odmaštěné zkumavky. Někdy se vytvoří pouze černá sraženina (zákal) uvnitř zkumavky. Stříbrné zrcátko lze v případě potřeby odstranit pomocí koncentrované HNO 3 (stříbro se rozpustí za vzniku dusičnanu stříbrného). Pokud by reakce neprobíhala za laboratorní teploty, zkumavku zahřejte.
Acidobazické reakce: kouzlo Coloratus sequentia brassica = obarvení výluhu z červeného zelí Postup: Pokus může učitel provést demonstračně nebo ho žáci realizují sami ve skupině. Připravte si tři zkumavky. Do první nalijte asi 2 ml octa, do třetí vsypte půlku malé lžičky hydroxidu sodného (příp. sody). Do všech tří zkumavek nalijte asi 5 ml vody z Pramene božského osvícení (pramínek na této lokaci v Sítenském údolí). Poté do každé zkumavky kapátkem přidejte asi 2 ml výluhu z červeného zelí a pozorujte změny zbarvení roztoků. Princip: Výluh z červeného zelí je acidobazický indikátor. V neutrálním prostředí (v čisté vodě) je zbarvený modrofialově (zkumavka uprostřed). V kyselém prostředí je malinově červený (první zkumavka s octem). V zásaditém prostředí je zelený (třetí zkumavka s roztokem hydroxidu sodného). Poznámky: Pozor: Roztok hydroxidu sodného (sodný louh) je žíravina! Při použití (jedlé) sody se výluh zbarví do modrozelené barvy. Zelená barva výluhu v případě NaOH časem žloutne. Bengálské ohně: kouzlo Infernum morti = barevně hořící slože Postup: Rozmístěte šest kovových misek či dva plechy se šesti křídou naznačenými kruhy tak, aby vytvářely šestiúhelník. Do každé misky/kruhu nasypte jednu lžíci najemno rozetřeného chlorečnanu draselného a jednu lžíci moučkového cukru. Do dvou protilehlých kupiček přidejte vždy jednu lžičku soli charakteristicky zbarvující plamen do žluta (např. NaCl), zelena (např. CuCl 2 ), resp. červena (např. Sr(NO 3 ) 2 ). Jednotlivé hromádky (slože) řádně promíchejte lžičkou a vytvořte z nich kupičky. Ty navzájem propojte posypáním směsí chlorečnanu draselného s moučkovým cukrem. Odstupte do bezpečné vzdálenosti a nasaďte si brýle. Za sborového čtení kouzla Infernum morti (text kouzla je přímo v aplikaci) učitel slože zapálí loučí, event. špejlí či přikapáním H 2 SO 4. Princip: Pyrotechnická slož je druh výbušiny. Slože tvoří tři reakční složky: silné oxidační činidlo (chlorečnan draselný), hořící látka (moučkový cukr) a látky barvící plamen (NaCl, CuCl 2, Sr(NO 3 ) 2 ). Po zapálení směsi dochází k rozkladu chlorečnanu draselného na chlorid draselný a kyslík. Vznikající kyslík je důležitý pro spalování cukru (při reakci je mj. cítit karamel). Slože mohou mít zajímavé světelné, dýmové či zvukové efekty. Světelné efekty mají slože, v nichž se používají soli s kationty kovů, které charakteristicky zbarvují plamen např. Na + žlutě, Cu 2+ zeleně, Sr 2+ karmínově červeně. Poznámky: Žáci musí mít na očích kvůli bezpečnosti ochranné brýle a stát v bezpečné vzdálenosti. Pozor na vznikající dým. Není třeba odvažovat chemikálie, jen je nutné dodržet poměry 1:1 KClO 3 :cukr. Chloridu/dusičnanu pro zbarvení plamene poté polovinu až čtvrtinu množství KClO 3. Pokud použijete nadbytek KClO 3, dojde spíše k jiskření, než k hoření. Pozor: při velkém nadbytku KClO 3 může směs i vybouchnout! Směs je možné zapálit přikapáním 1 až 2 kapek koncentrované H 2 SO 4. Vlastní efekt trvá asi půl minuty. Pokud není prováděn venku, je nutné ho realizovat v digestoři nebo v dobře větrané místnosti.
V laboratoři (příp. ve třídě): kouzlo Metalum transmutum = transmutace mědi ve stříbro a následně ve zlato Postup: - Příprava: Měděné mince (či plíšky) předem odmastíme v roztoku octa a kuchyňské soli. Kleštěmi je vyjmeme, opláchneme a osušíme. - Přeměna mědi ve stříbro: Do odpařovací misky, položené na trojnožce s keramickou síťkou, odvážíme zinek (0,5 g) a přidáme 3M roztok NaOH (25 ml). Směs zahříváme (ale nevaříme) tak dlouho, dokud není roztok horký a nezačínají z něj stoupat bublinky. Kleštěmi opatrně umístíme měděnou minci do horkého roztoku a nepřetržitě mírně zahříváme a občas zamícháme. Poté, co mince změní barvu na stříbrnou, ji kleštěmi vyjmeme, vložíme do kádinky s vodou, omyjeme od zbytků hydroxidu sodného a zinku a osušíme. - Přeměna stříbra ve zlato: Kleštěmi uchopíme stříbrnou mincí, zahříváme ji ve vnější zóně plamene kahanu (tj. v nesvítivém, oxidačním plameni s nejvyšší teplotou) a průběžně otáčíme. Pokud není kahan dostupný lze použít rozpálenou varnou plotýnku. Jakmile mince začne zlátnout, napočítáme do tří a poté minci ihned ochladíme v kádince s vodou a usušíme. Princip: - Přeměna mědi ve stříbro: Vysvětlení tohoto jevu není ještě úplně známo, nicméně se má za to, že podstata děje je následující: Zinek reaguje s koncentrovaným roztokem hydroxidu sodného za vzniku zinečnatanu sodného Na 2 ZnO 2, případně se vytvoří tetrahydroxozinečnatan sodný Na 2 [Zn(OH) 4 ]. Iontovou rovnicí lze tento děj zaznamenat takto: Zn + 2 OH - ZnO 2 2- + H 2. Jestliže umístíme do roztoku měděnou minci, začne se na jejím povrchu elektrochemicky vylučovat zinek (tím mince z mědi získá stříbrnou barvu), který se současně redukuje za vzniku volného vodíku. Chemická rovnováha reakce, kdy dochází k vylučování zinku na povrchu mince, je v tomto případě posunuta směrem doprava (k tvorbě zinku) tím, že je v odpařovací misce nadbytek zinku. Jakmile se určité množství zinku vyloučí na mědi, tak se automaticky doplní do roztoku tím, že zinek ležící na dně odpařovací misky se rozpustí v roztoku hydroxidu sodného za vzniku Zn 2+, přesněji [Zn(OH) 4 ] 2-. Proto tato reakce běží přesně opačně, než by se dalo očekávat, tedy že by zinek vytěsňoval Cu 2+ a vznikala by měď a zinečnaté kationty. - Přeměna stříbra ve zlato: Jestliže stříbrnou minci zahřejeme, zinek pronikne do vrstvy mědi a vytvoří se slitina mosaz, která se projeví navenek zlatavým zbarvením. Poznámky: - Přeměna mědi ve stříbro: Pozinkování je nanesení vrstvy zinku na povrch např. ocelových výrobků. Tato vrstva slouží jako ochrana proti korozi. Zinek chrání povrch nejen mechanicky, ale i chemicky. Se železem tvoří ve vlhku zinek elektrický článek. I při lokálním porušení vrstvy zinku probíhá koroze jen na zinkové vrstvě, zatímco ocel zůstane neporušena. - Přeměna stříbra ve zlato: Mosaz má široké pole využití v jemné mechanice, elektrotechnice, při výrobě kovového zboží a také v modelářství. K přednostem mosazi patří dobrá obrobitelnost, korozivzdornost (pěkný vzhled) a slušná vodivost. Pevnost není příliš vysoká, ale pro mnoho aplikací zcela dostačující.