Modul 3-4: Fremstilling af mini-raketter

Transkript

1 Modul 3-4 Modul 3-4: Fremstilling af mini-raketter Det er måske lidt overraskende, men vand (H2O) er faktisk en meget energirig kemisk forbindelse. Teorien bag mini-raketten Vandmolekylerne hænger indbyrdes utroligt godt sammen, og de to hydrogen-atomer inde i selve vandmolekylet sidder rigtig godt fast på oxygen-atomet. Der skal således meget energi til at for at spalte vand op i sine bestanddele af hydrogen og oxygen og en lige så stor energimængde frigøres, når hydrogen og oxygen går sammen og danner vand. Som det ses af tegningen består et vandmolekyle af 3 atomer - to hydrogen- og et oxygen-atom; deraf navnet H2O. Atomernes kerne er elektrisk positiv, og elektronerne udenom er negative. Hvis man blander oxygen og hydrogen med hinanden (de er begge luftarter) sker der ikke noget, men bare en gnist er nok til at få dem til at reagere med hinanden. Fig.: Vandmolekylets opbygning. + og betyder, at molekylet her er henholdsvis positivt og negativt ladet Hvis der er dobbelt så mange hydrogen som oxygen, sker det med et ordentligt brag, fordi alle atomer bruges og frigiver en maksimal mængde energi. En god og effektiv raketmotor Dannelse af vand ud fra hydrogen og oxygen kan derfor fungere som en god og effektiv raketmotor meget bedre end når vand slynges bagud pga. lufttryk i en sodavandsraket (forsøget findes i modul 5-6). Energien, der frigøres ved den kemiske reaktion, er i første tilfælde større, end den vi fysisk kan tilføre med cykelpumpen i forsøget i modul 5-6. I begge tilfælde får raketten dog sin fremadrettede bevægelse fordi motoren sender vand bagud med stor kraft. Se en uddybende forklaring af dette raketprincip i aktiviteten om fremstilling af en vand/luft raket.

2 Følg instruktioner i følgende klip: Din opgave er at få raketten til at flyve så langt som muligt. Prøv også skyde til måls efter en papkasse og se om du kan ramme ned i den. Hvad er det bedste blandingsforhold mellem hydrogen og oxygen? Materialeliste (pr. gruppe) 2 x ½ l sodavandsflasker m. låg (hul i låget til pipettespidsen laves med et 4 mm bor eller et søm, der opvarmes i flammen fra en bunsenbrænder) Engangspipetter Petriskåle (som underkop med lidt vand i til oxygen- og hydrogenflaskerne) Lang lighter (som skilles ad, så den kun slår knister. Se billede) Limpistol (til fastgørelse af pipettespidser i sodavandslåg) ½ l H 2 (svovlsyre) 0,5 M 4 5 zink stykker Én spatel Cu (kobbersulfat) (fungerer som katalysator for reaktionen mellem H 2 og Zn) ½ l H 2 (brintoverilte), 1 % Gær (opløs en klump på størrelse med en stor ært i et glas vand til oxygenfremstillingen skal hver gruppe bruge ca. 2-3 ml her fra - brug engangspipette) Tip Fyldes pipettespidserne ( raketterne ) for langsomt med enten hydrogen eller oxygen, kan du sætte gang i gasudviklingen ved at få din lærer til at hælde en smule mere koncentreret svovlsyre eller brintoverilte i hhv. hydrogen og oxygen flasken noget at den oprindelige væske må dog først hældes ud. Det er vigtigt at flaskerne fyldes helt op, da hydrogenet og/eller oxygenet der opsamles, eller vil indeholde for store mænger luft. Lighter til tænding af mini-raketterne (ingen flamme - kun gnist): Hætten tages af lighteren og et lille stykke 0,5 mm konstantan-tråd loddes på stel-ledningen. Lightere af metal er vanskeligere at bruge, da stel-ledningen her er selve kappen.

3 Supplerende aktiviteter (lidt krævende) Elektrolyse Bindingerne mellem hydrogen- og oxygen-atomerne i vandmolekylet kan brydes ved at lede elektrisk strøm (=energi) igennem vandet. Husk udsugning, briller og kittel/ forklæde under hele forsøget. Få et elektrolysekar af din lærer og forbind det til en strømforsyning (max. 25 V jævnstrøm). Fyld vand i karret og i de to medfølgende reagensglas. (evt. med en lille smule svovlsyre i - dette kan udelades, men det får processen til at gå hurtigere) Placer reagensglassene med vandet i oven på elektroderne ved at holde for mundingen med en finger (det er ikke helt let, men det kan lade sig gøre!). Tænd for strømforsyningen. Som du kan se, dannes der luftarter (gasser) ved både minus-og plus-polen. Vandet spaltes i sine bestanddele: Oxygen og hydrogen. Ud fra formlen H 2 O kan du umiddelbart se, hvor der dannes hydrogen det er nemlig, hvor der dannes mest gas. Tag dette glas og hold det med mundingen nedad. Sæt en brændende træpind til mundingen og se hvad der sker. (Bliv ikke bange!) Materialeliste (pr. gruppe) Elektrolysekar Mini reagensglas Strømforsyning H 2 O Lidt H 2 (svovlsyre) 0,5 M Træpind Beskriv hvad der sker:

4 Lærerforsøg - Fremstilling af hydrogen Hydrogen brænder eksplosivt, og da I her skal fremstille en masse hydrogenbobler i et vandfad med sæbevand, skal I være forsigtige, når I antænder. Start med at fylde et lille plastic vandfad halvt op med vand og tilsæt, hvad der svarer til en lille håndfuld sæbe. Gør det forsigtigt, så sæbevandet ikke kommer til at skumme. Spænd herefter et reagensglas op i et stativ, og put 6-8 stykker zink ned i. Fyld 2/3 op med 2 M svovlsyre (H 2 ) eller saltsyre (HCl) og drys lidt kobbersulfat (Cu ) i. Det fungerer som katalysator. Sæt plastikslangen på glasrøret, og sæt det samlet i proppen, som du sætter på reagensglasset. Smør med glycrol så glider det nemmere. Den fri ende af plastikslangen puttes i vandfadet lige under vandoverfladen, og den udstrømmende hydrogen blæser nu bobler i sæbevandet. Vent til der ikke længere dannes flere bobler i sæbevandet det kan tage 5-7 minutter og fjern slangen og stativet med reagensglasset. OBS: Hold god afstand til boblerne, når de antændes. Brug en lang lighter eller en podepind (en lille træpind, som findes i kemilokalet) sat fast på f.eks. et kosteskaft til at antænde boblerne. Husk udsugning, briller og kittel/ forklæde under hele forsøget. Materialeliste (lærerforsøg) 2 M svovlsyre (H 2 ) eller saltsyre (HCl) 6 8 zinkstykker Stativ m. stativklemme Kobbersulfat (lidt) Sulfo Glycerol (til at smøre glasrøret med) Plastic vandfad (lille) Reagensglas (stort) Prop m. 1 hul (der passer til reagensglasset) Kort glasrør (der passer til proppen) Kort plasticslange (der passer til glasrøret) Lang lighter (eller podepind sat fast på et kosteskaft + lighter/tændstikker)

5 Hvad skete der med sæbeboblerne? Reaktionen er ganske voldsom, men hvad sker der egentligt? Med ord kunne man f.eks. sige: zink blandes med saltsyre og giver hydrogen Med kemi-sprog kan det skrives som: zink + saltsyre hydrogen + zinkchlorid Men også stofferne som bruges, kan skrives på en særlig kemisk måde: Zink: Zn Saltsyre: HCl (Svovlsyre: H 2 ) Hydrogen: H Prøv nu om du/i selv kan sætte ovenstående sammen i en rigtig kemisk reaktionsligning: + + H er et af de mindste atomer som findes (det er nr. 1 i Det Periodiske System), og det søger altid sammen med mindst et andet atom. Her er det et andet H-atom, det går sammen med, og danner et hydrogen-molekyle. Da der skal være samme antal atomer på venstre og højre side af reaktionspilen atomerne forsvinder aldrig ved kemiske reaktioner! - er det nødvendigt at skrive et 2-tal foran HCl på venstre side og et 2-tal neden for Cl på højre side.

6 Fremstilling af oxygen 20 % af luften (atmosfæren) ved jordoverfladen er oxygen og oxygen indgår i alle forbrændinger. Raketbrændstof indeholder altid stoffer, som frigør store mængder ekstra oxygen. Det kan f.eks. være H 2 (brintoverilte = hydrogenperoxid), hvor oxygen i skolelaboratoriet kan fraspaltes ved at lade stoffet reagere med almindeligt bagegær. Her i findes nogle enzymer, som kan sætte gang i reaktionen; i raketter foregår det på en anden måde. Husk udsugning, briller og kittel/ forklæde under hele forsøget. OBS: H 2 (brintoverilte) er ætsende og giver ved kontakt hvide pletter på huden. Kommer det i øjnene skal I straks skylle grundigt med vand og tilkalde hjælp. Hæld 100 ml 10 % H 2 (brintoverilte) i en (konisk) kolbe. Tilsæt 1/5 pakke gær (10 gram) og sæt en prop med ét hul i på. Når reaktionen er i gang sættes slangen fra en urinpose på. Reaktionen kan godt være lidt ustyrlig og kolben bliver varm. Begynder væske at sprøjte væske med over i urinposen, kan du/i evt. bremse reaktionen ved at køle kolben under vandhanen eller du/i kan være nødt til forsigtigt at tage slangen af kolben. Husk rolige bevægelser og ingen panik, hvis det pludselig siger bang. Det er nok bare urinposen, der er sprunget, fordi den er blevet for fyldt! Når urinposen er fyldt med oxygen, lukkes den med en slangeklemme, og du/i er nu klar til at teste effekten af oxygen ved en forbrænding. Forsøg først om du/i kan antænde lidt sukker uden brug af ekstra oxygen - og derefter med brug af ekstra oxygen. Materialeliste (pr. gruppe) 100 ml 10 % H 2 (brintoverilte) Konisk kolbe 1/5 del pakke gær (10 g) Prop med hul i Urinpose med slange Metaltråd Træpind Brintoverilte Brintoverilte har formlen H 2. Du kan se, at det ligner formlen for vand meget. Den eneste forskel er, at det har et ekstra oxygen-atom. Men selv om det ligner vand er det meget forskelligt fra vand. Vand er et stabilt stof, og der skal meget energi til at spalte det. Sådan er det ikke med brintoverilte. Det reagerer meget villigt med mange andre stoffer. Derfor er det ætsende og bruges f.eks. også til sårrensning og afblegning. Gæren virker her som en katalysator. Den indgår ikke i processen, men fremskynder den. Brintoverilte spaltes til vand og oxygen. Med formelsprog kan det skrives: H 2 H 2 O + O På samme måde som med hydrogen-atomerne, der ikke findes alene, slutter oxygen-atomerne sig også sammen 2 og 2, og bliver til et oxygen-molekyle ( ). Den korrekte skrivemåde bliver således: 2H 2 2 H 2 O + Prøv at udtrykke denne reaktion med almindelige ord: