Modul 3-5 Modul 3-5: Fremstilling af mini-raketter En rumrakets hovedmotor forsynes ofte med en blanding af hydrogen og oxygen. ESA s store Ariane 5 raket forbrænder således ca. 270 liter oxygen og 40 liter hydrogen pr. sek. under opsendelsen. Her skal I eksperimentere med samme brændstof, men i et noget mindre format - princippet er dog stadig det samme. Teorien bag mini-raketten Det er måske lidt overraskende, men vand (H2O) er faktisk en meget energirig kemisk forbindelse. For det første hænger vandmolekyler vældig godt sammen. De binder sig kraftigt til hinanden, fordi de dele vandet består af (hydrogen og oxygen) har modsat elektrisk ladning: Oxygen er i hovedgruppe 6 og mangler således 2 elektroner i yderste skal for at ligne en ædelgas (hovedgruppe 8). Husk, det er kun ædelgasserne der har en fordeling af elektroner, der gør dem stabile, og alle andre atomer (=grundstoffer) vil forsøge at komme til at ligne dem ved at tiltrække eller afgive elektroner. Dette kaldes oktet-reglen, da octo betyder 8 på latin. Hydrogen og oktet-reglen Hydrogen har i alt kun 1 elektron (det er det mindste grundstof, som findes), og den er derfor umiddelbart langt fra at kunne opfylde oktet-reglen. Den kunne dog indfange en elektron og dermed komme til at ligne helium, som faktisk også er en ædelgas. Helium har 2 elektroner i yderste skal, og det er også i denne sammenhæng et stabilt antal. Det optimale for hydrogen er dog helt at skille sig af med sin ene elektron og dermed slet ikke have nogle elektroner tilbage at holde styr på. Energi-diagram over reaktionen mellem H2 og O2 til vand. H2 og O2 er ustabile gasser som ikke skal have tilført ret meget energi for at binde sig til hinanden og danne den meget mere stabile forbindelse H2O (vand).
Der er således en stor energimæssig fordel for oxygen og hydrogen ved at gå sammen, og de danner derfor villigt en kemisk binding: Oxygen låner en elektron fra hydrogen, og sammen danner de den ret stabile kemiske forbindelse vand. Bindingen kaldes for en elektronparbinding (evt. kovalent-binding). Bindingen mellem oxygen og hydrogen i vandmolekylet kaldes for en intramolekylær-binding og er meget stærk. Der er dog også bindinger mellem vandmolekylerne og de kaldes for intermolekyle-bindinger. Også disse er særligt stærke for vand og kaldes i øvrigt her for hydrogenbindinger. Kemisk forbindelse Intramolekylær-binding Intermolekylær-binding Vand (H 2 O) Elektronpar-binding Hydrogen-binding Fig.: Vandmolekylets opbygning. + og - betyder, at molekylet her er henholdsvis positivt og negativt ladet Forsøg og teoriopgaver Her følger nu nogle gode forsøg og teoriopgaver, hvor du/i arbejder med hydrogen og oxygen og nogle eksempler på de kemiske bindinger, de kan lave. Din lærer bestemmer om du/i må springe (nogle af) dem over og gå direkte til fremstillingen mini-raketter.
Intermolekylære-bindinger: Bestemmelse af kogepunkter Styrken af inter-molekylære bindinger måles ved at varme stoffet op til kogepunktet. Her er der ikke længere faste kemiske forbindelser mellem molekylerne, og kogepunktet er således et mål for, hvor meget energi der skal tilføres for at bryde de intermolekylære-bindinger. Husk udsugning, briller og kittel/ forklæde under hele forsøget. Skriv nogle argumenter for, at der er stærkere intermolekylærebindinger mellem vand-molekyler end mellem ethanol-molekyler: Materialeliste (pr. gruppe) 100 ml vand 250 ml bægerglas Termometer Bunsenbrænder Lidt ethanol OBS: Vær især opmærksom på, at ethanol er meget brandfarlig og brænder med en næsten usynlig flamme. Fremgangsmåde Du kan evt. påvise dit svar ovenfor ved at varme de to stoffer op til kogepunktet. Start i givet fald med at varme ca. 100 ml vand op i et 250 ml bægerglas og noter dig temperaturen, når det koger. OBS: Termometeret må ikke stå på bunden af glasset. Sluk derefter for bunsenbrænderen (vigtigt!), og sæt forsigtigt et 100 ml bægerglas med en smule ethanol i bunden, ned i bægerglasset med vand. Hvilken af de to væsker bliver ved med at boble i længst tid vand eller ethanol? Intermolekylære-bindinger er typisk kun 1/10 så kraftige som intra-molekylære-bindinger. Disse er derfor nok lidt mere spændende at arbejde med, og det gør vi i det følgende.
Elektrolyse (intramolekylære-bindinger) Bindingerne mellem hydrogen- og oxygen-atomerne i vandmolekylet kan brydes ved at lede elektrisk strøm (=energi) igennem vandet. Fremgangsmåde Få et elektrolysekar af din lærer og forbind det til en strømforsyning (max. 25 V jævnstrøm). Fyld vand m. en lille smule svovlsyre i (dette blot for at få processen til at gå hurtigere, da de ekstra ioner her fra øger ledningsevnen) i karret og i de to medfølgende reagensglas. Husk udsugning, briller og kittel/ forklæde under hele forsøget. Materialeliste (pr. gruppe) 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. Elektrolysekar Mini reagensglas Strømforsyning H 2 O Lidt H 2 (svovlsyre) 0,5 M Hvad dannes der ved elektroderne? - og hvorfor? Tips Du kan hente hjælp i nedenstående oversigt: Minus-pol: 4 H2O + 4 e - 2 H2 + 4 OH - Plus-pol: 4 OH - O2 + 4 e - + 2 H2O
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. Fremgangsmåde 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)
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.
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. Fremgangsmåde 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! 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 1 g sorbitol 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 ca. 1g sorbitol i en porcelænsskål uden brug af ekstra oxygen - og derefter med brug af ekstra oxygen. Pas på spidsen på urinposen bryder let i brand. Spaltning af brintoverilte Opskriv den kemiske reaktion for spaltningen af brintoverilte (H 2 ) i vand og oxygen bagegæret virker som et enzym og indgår derfor ikke i ligningen (anvend korrekt kemiske formelsprog): H 2 O2 + (brintoverilte vand + oxygen) Husk der skal være lige mange af de forskellige atomer på venstre og højre side af pilen. Atomer forsvinder aldrig ved kemiske reaktioner, men du/i kan ændre på mængden af stof, som indgår ved at skrive tal foran molekylerne.
Opskriv ligeledes reaktionsligningen for den fuldstændige forbrænding af sorbitol (C 6 H 14 O 6 ) til vand og CO2 (kuldioxid): C 6 H 14 O 6 + (sorbitol vand + kuldioxid) Husk igen at tælle op at der er lige mange af de forskellige atomer på venstre og højre side af pilen. Du får puslespillet til at gå op ved at skrive tal foran molekylerne. Gå frem efter følgende rækkefølge: C, H, O. Man kalder dette for at afstemme reaktionsligningen. Tallene foran molekylerne kaldes for koefficienter. Det er et forholdsvist stort tal, der skal stå foran O2-molekylet - helt i overensstemmelse med at sorbitol kun brænder, når der tilføres rigelige mængder ekstra oxygen. Så er vi klar til at bygge raketter De indledende øvelser er overstået og du/i er nu klar til at fremstille og teste små hydrogen/oxygen-raketter. Egentlig kan de også kaldes for vandraketter, da de nævnte stoffer altid danner vand, men mere om det senere.
Hydrogen/oxygen mini-raketter Følg instruktioner i følgende klip: https://www.youtube.com/watch?v=vz3mah3vvg8 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 Raketten får sin fremadrettede bevægelse, fordi motoren sender noget bagud med stor kraft. Hastigheden af udstødningen har her betydning, men også massen (jo tungere jo bedre, så længe det ikke går ud over farten). Dette forhold kan du/i ligeledes optimere på ved at lade en smule vand blive tilbage i pipetten. Undlad altså at fylde hele pipetten med oxygen og hydrogen, men behold en smule vand tilbage. Det er i princippet det samme du/i gør, når man laver de mere sædvanlige luft/vandraketter, hvor trykket skabes med en (cykel-)pumpe. Her er den optimale vandmængde ca. en 1/3 af flasken i vores miniraketter skal det være noget mindre.