Φορολογώντας τον αυθορμητισμό!!!

Φορολογώντας τον αυθορμητισμό

 

Καθηγητής:     Καλημέρα παιδιά, όπως βλέπετε, σήμερα ξεκινάμε με πείραμα.

Μανώλης:        Τι θα καρφώσουμε; 

Καθηγητής:     Θα χρησιμοποιήσουμε το καρφί ως προς το υλικό του, καθαρός μαλακός

σίδηρος, στο δοχείο τι βλέπετε;

Χριστίνα:         Κάτι πέτρες με ωραίο μπλε χρώμα.

Καθηγητής:     Σωστά, είναι η γνωστή γαλαζόπετρα που χρησιμοποιούν οι γεωργοί ως

ζιζανιοκτόνο, βακτηριοκτόνο, λίπασμα, φυτοφάρμακο και σε άλλες εφαρμογές.

Χημικά είναι ο ένυδρος θειικός χαλκός με τύπο CuSO₄ · 5 H₂ O.

Ελένη:             Τι θα πει ένυδρος, πέτρα βλέπω, πού είναι το νερό.

Καθηγητής:     Ένυδρος θα πει ότι συγκρυσταλλώνεται με πέντε μόρια νερού, δηλαδή τα

κατιόντα χαλκού και τα θειικά ανιόντα, ιοντική ένωση είναι, στον κρύσταλλό τους

εγκλωβίζουν πέντε μόρια νερού ανά ζευγάρι. Δεν είναι δύσκολο να σου δείξω το

νερό, αρκεί να το θερμάνω. Για έλα Αποστόλη να βάλεις ένα χεράκι.

Αποστόλης:     Ωραία, βλέπω ένα ποτήρι ζέσης, ένα υδροβολέα, ένα καρφί, ένα πλαστικό

κουταλάκι, ένα βάζο με ετικέτα «ένυδρος θειικός χαλκός» και ένα φύλλο οδηγιών,

που γράφουν:

1. Βάλε με τον υδροβολέα νερό στο ποτήρι ζέσης, μέχρι τη μέση.

2. Βάλε μια κουταλιά «ένυδρο θειικό χαλκό» στο νερό και ανακάτεψε μέχρι να

    διαλυθεί.

3. Βάλε το καρφί μέσα στο διάλυμα ώστε το μισό να είναι μέσα και το μισό έξω

    από αυτό.

Καθηγητής:     Άστο στην άκρη τώρα, όσο προχωράει η αντίδραση και πιάσε το δεύτερο

φύλλο.

Αποστόλης:     Βάλε ένα κόκκο «ένυδρο θειικό χαλκό» στο δοκιμαστικό σωλήνα.

Πιάσε το λαιμό του δοκιμαστικού σωλήνα με το μανταλάκι και πλησίασε τον πυθμένα του στη φλόγα του λύχνου Bunsen, κρατώντας τον πλαγιαστό.

Μαρία:             Αν και μακριά που είμαι, βλέπω τη γαλαζόπετρα να ασπρίζει από το κακό

της, αλλά νερό δε βλέπω που λέγατε.

Μιχάλης:         Σε τέτοια θερμοκρασία, σίγουρα θα εξατμίστηκε.

Σπύρος:           Αν δε με γελούν τα μάτια μου, σα να βλέπω πολύ μικρές σταγόνες στο

λαιμό του δοκιμαστικού σωλήνα, κάτω από το μανταλάκι.

Καθηγητής:     Λοιπόν έχει δίκιο ο Μιχάλης, λόγω υψηλής θερμοκρασίας, το νερό

εξατμίστηκε, έχει δίκιο και ο Σπύρος, φεύγοντας ο ατμός ήρθε σε επαφή με τα ψυχρά

τοιχώματα του λαιμού και υγροποιήθηκε. Αυτό που έμεινε στον πυθμένα είναι

άνυδρος θειικός χαλκός, ένα λευκό στερεό, ιδιότητα των ιοντικών ενώσεων, σαν το

αλάτι. Τώρα που κρύωσε, πάλι άσπρο είναι, τι έχεις να πεις γι’ αυτό Μαρία;

Μαρία:             Δεν άσπρισε από το κακό του, άσπρισε επειδή έχασε το νερό.

Καθηγητής:     Σωστά, βαλέ του τώρα λίγο νερό.

Μαρία:             Ουάου, ξανάγινε μπλε.

Καθηγητής:     Ας γυρίσουμε τώρα στο πρώτο πείραμα και πες τε μου τι παρατηρείτε;

Βασιλική:        Τι θα γίνει σήμερα, όλα αλλάζουν χρώμα, το διάλυμα από γαλάζιο έγινε

πράσινο και το βυθισμένο καρφί κόκκινο.

Καθηγητής:     Μπορείτε να κάνετε μια υπόθεση γι’ αυτό που βλέπετε;

Ανδρέας:         Μάθαμε πέρυσι στη Χημεία, στις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, ότι

ο σίδηρος είναι πριν το υδρογόνο και ο χαλκός μετά στη σειρά δραστικότητας των

μετάλλων. Άρα ο σίδηρος εγκατέλειψε το καρφί και μπήκε στο διάλυμα και ο χαλκός

πήρε τη θέση του πάνω στο καρφί.

Καθηγητής:     Και το διάλυμα γιατί άλλαξε χρώμα;

Αποστόλης:     Να υποθέσω ότι δεν είναι πλέον διάλυμα θειικού χαλκού, αλλά διάλυμα

θειικού σιδήρου;

Καθηγητής:     Μπράβο παιδιά, αυτό ακριβώς συνέβη. Μένει τώρα το ερώτημα πώς ο

σίδηρος έπεισε το ιόν του χαλκού να εγκαταλείψει το διάλυμα.

Ανδρέας:         Θυμάμαι τον Χημικό μας πέρυσι που μας έλεγε ότι στη διαμαρτυρία των

ιόντων χαλκού ότι δε μπορούν να εγκαταλείψουν το διάλυμα γιατί τα θειικά ανιόντα τους πήραν δυο ηλεκτρόνια από το καθένα, ο σίδηρος του έδωσε δύο από τα δικά του, ώστε να γίνει ουδέτερος χαλκός και μπήκε ο σίδηρος σαν ιόν στο διάλυμα.

Καθηγητής:     Πολύ παραστατικό κάπως έτσι έγιναν τα πράγματα. Μόλις ο επιστήμονας

αντιληφθεί τέτοια συμπεριφορά, σκέφτεται σαν τον υπουργό οικονομικών,

ανταλλάσσετε μεταξύ σας αυθόρμητα δύο ηλεκτρόνια, να μη δω κι εγώ λίγο φως;

Έτσι φτιάξαμε τα ηλεκτρικά στοιχεία, υποχρεώνοντας τα ηλεκτρόνια να περάσουν

μέσα από ένα καταναλωτή. Ας δούμε μια εφαρμογή με ψευδάργυρο και χαλκό. Ποιος

θα δώσει ηλεκτρόνια σε ποιόν ή ποιο είναι το οξειδωτικό και ποιο το αναγωγικό;

Ανδρέας:         Ο ψευδάργυρος στον χαλκό, τώρα, ο αριθμός οξείδωσης του

ψευδάργυρου δίνοντας δύο ηλεκτρόνια θα γίνει από 0→+2, θα οξειδωθεί άρα είναι το

αναγωγικό. Το αντίστροφο θα συμβεί με το χαλκό, άρα είναι το οξειδωτικό.

Ελένη:             Ναι, ναι, θυμάμαι «ότι είμαι προκαλώ και παθαίνω το αντίστροφο, είμαι

οξειδωτικό, προκαλώ οξείδωση και παθαίνω αναγωγή». Δηλαδή ο ψευδάργυρος θα

παίξει τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας και ο χαλκός το θετικό.

Μιχάλης:         Καλά όλα αυτά, κύκλωμα όμως δε βλέπω.

Καθηγητής:     Σωστά, μας λείπει ο ηλεκτρολύτης, γι’ αυτό βυθίζουμε τα μέταλλα σε ξίδι

ή λεμόνι κι έχουμε μια μπαταρία. Έλα Μιχάλη, άνοιξε δυο σχισμές στο λεμόνι με το

λεπίδι, πρόσεξε τα δάχτυλά σου, βύθισε τον ψευδάργυρο στη μια, το χαλκό στην

άλλη και σύνδεσε τα σύρματα που βγαίνουν από το υπολογιστάκι.

Μιχάλης:         Συνδέω το καλώδιο με το πλην στον ψευδάργυρο που δίνει τα ηλεκτρόνια

και το άλλο στον χαλκό, πατάω το ΟΝ και δε λειτουργεί. Τι έκανα λάθος;

Καθηγητής:     Σωστά τα έκανες, μόνο που η τάση, περίπου 1 V, είναι μικρή, θέλει κι άλλη μπαταρία, άνοιξε παραπάνω σχισμές και βάλε κι άλλα ζεύγη ηλεκτροδίων, ενωμένα σε σειρά.

Μιχάλης:         Κύριε με τρία ζευγάρια λειτουργεί, πολλαπλασίασα το 53x38 και μου έδωσε 2014, καταπληκτικό, θα κάνω κι άλλες δοκιμές.

Καθηγητής:     Μόλις κατασκευάσαμε μια ερασιτεχνική μπαταρία. Σας προβάλω από το

διαδίκτυο μια εργαστηριακή μπαταρία. Αντώνη η σειρά σου να μας περιγράψεις τι

βλέπεις.

Αντώνης:         Βλέπω δυο δοχεία, το αριστερό περιέχει διάλυμα νιτρικού ψευδάργυρου

και μια λάμα ψευδάργυρου, το δεξί περιέχει διάλυμα νιτρικού χαλκού και μια λάμα

χαλκού. Κλείνοντας το διακόπτη, άτομα ψευδάργυρου μπαίνουν στο διάλυμά

τους εν είδη ιόντων, διώχνοντας δύο ηλεκτρόνια που μέσω του βολτόμετρου

πηγαίνουν στο χαλκό εκφορτίζοντας ιόντα χαλκού του διαλύματος προς άτομα

χαλκού που επικάθονται στη λάμα χαλκού.

Ελένη:             Δηλαδή η λάμα ψευδάργυρου αδυνατίζει και η λάμα χαλκού παχαίνει.

Καθηγητής:     Ακριβώς αυτό συμβαίνει και σταματάει η διαδικασία όταν ο ψευδάργυρος

αδυνατίσει πάρα πολύ, οπότε η μπαταρία αδειάζει.

Χρήστος:         Όλα καλά, αλλά εκείνο το σωληνάκι τι κάνει;

Καθηγητής:     Σωστή παρατήρηση Χρήστο, αυτό το σωληνάκι λέγεται γέφυρα άλατος

και χρειάζεται ώστε να μεταφέρει τα πλεονάζοντα νιτρικά ανιόντα από το δοχείο

του χαλκού στο δοχείο του ψευδάργυρου όπου πλεονάζουν τα ιόντα του κι έτσι να

κλείσει το κύκλωμα και τα διαλύματα να παραμένουν ουδέτερα. Αυτά για σήμερα,

περιμένω στο επόμενο μάθημα μια εργασία με τίτλο:

«Φορολογώντας τον αυθορμητισμό»

όπου θα αναφέρετε και τον Βόλτα που πρώτος κατασκεύασε μπαταρία το 1800

αντιμετωπίζοντας τις παρατηρήσεις του Γκαλβάνι και με αυτή του την ανακάλυψη

άλλαξε τελείως τη ζωή πάνω στον πλανήτη Γη εξηλεκτρίζοντας τα πάντα.

 

 

Συνέχεια:

 

Καθηγητής:     Καλημέρα παιδιά, διαπιστώνω με μια ματιά στις εργασίες που φέρατε ότι

σας άρεσε το θέμα, διαβάζω σχεδόν σε όλες ονόματα όπως Γκαλβάνι, Βόλτα,

Φαραντέι, Αμπέρ, Λαπλάς, Μάξουελ και άλλα.

Ανδρέας:         Ναι κύριε, με τις ώρες διάβαζα χθες την ιστορία του εξηλεκτρισμού του

πλανήτη, το ένα κάστρο έπεφτε μετά το άλλο, επική εποχή 1800 με 1900.

Καθηγητής:     Χαίρομαι, αυτή είναι η σωστή χρήση του διαδικτύου. Σήμερα θα

μιλήσουμε για μια άλλη μορφή μπαταριών, τις επαναφορτιζόμενες, τις έχετε

ακουστά;

Μιχάλης:         Βέβαια, τα κινητά μας λειτουργούν με επαναφορτιζόμενες.

Καθηγητής:     Σωστά, μόνο που αυτές είναι πιο εξελιγμένες, μπαταρίες ιόντων λιθίου,

            εμείς θα ασχοληθούμε με τις μπαταρίες μολύβδου ή συσσωρευτές όπως λέγονται

και τις χρησιμοποιούμε στα αυτοκίνητα, τις μοτοσυκλέτες, τα UPS (uninterruptible

power source) για την αδιάκοπη λειτουργία των υπολογιστών μας όταν

διακόπτεται η ηλεκτροδότηση και πολλές άλλες χρήσεις. Αποτελείται από δυο

πλάκες μολύβδου, βαπτισμένες σε διάλυμα θειικού οξέος.

Χρήστος:         Θέλετε να πείτε ότι με δυο πλάκες μολύβδου και λίγο θειικό οξύ έχουμε

μπαταρία;

Καθηγητής:     Ακριβώς, έχουμε μια αφόρτιστη μπαταρία. Ας πάρουμε για παράδειγμα

αυτές τις δυο πλάκες μολύβδου που έχουμε στο εργαστήριο.

Γιώτα   :           Έχουμε μάθει, ότι όλα τα μέταλλα είναι αργυρόχρωα εκτός το χαλκό που

είναι κόκκινος και το χρυσό που είναι κίτρινος, ο μόλυβδος είναι μέταλλο και αυτό

που κρατάτε είναι γκρι, πώς είναι δυνατό;

Καθηγητής:     Σωστή παρατήρηση, ο μόλυβδος οξειδώνεται επιφανειακά όπως ο

χαλκός και άλλα μέταλλα. Δες τον τώρα που τον τρίβω με γυαλόχαρτο που

αποκτά το μεταλλικό χρώμα, προσέξτε επίσης πως είναι εύπλαστος και κόβεται

εύκολα ακόμη και με ένα ψαλίδι. Τι παρατηρείται τώρα που τον βυθίζω στο

διάλυμα θειικού οξέος;

Σπύρος:           Το βυθισμένο κομμάτι ξαναγίνεται γκρι, που σημαίνει ότι ο μόλυβδος είναι

δραστικότερος από τα ιόντα υδρογόνου, τα διώχνει δίνοντάς τους ηλεκτρόνια και

μετατρέπεται σε θειικό μόλυβδο, να υποθέσω μόνο επιφανειακά.

Καθηγητής:     Πολύ σωστή τόσο η περιγραφή όσο και η υπόθεση. Αυτό συμβαίνει και

στις δύο πλάκες, οπότε έχω μια αφόρτιστη μπαταρία. Για να τη φορτίσω συνδέω

τη μία πλάκα με τον θετικό πόλο μιας πηγής και την άλλη με τον αρνητικό πόλο.

Παρατηρείστε τις δυο πλάκες για λίγο.

Μαρία:             Η πλάκα που είναι συνδεδεμένη με τον αρνητικό πόλο απέκτησε πάλι το

μεταλλικό της χρώμα, έδιωξε προφανώς τα αρνητικά θειικά ιόντα και η άλλη

κοκκίνησε, τι έπαθε αυτή;

Καθηγητής:     Στο διάλυμα θειικού οξέος, εκτός από τα ιόντα του οξέος υπάρχουν και τα

ιόντα του νερού, κατιόντα υδρογόνου και ανιόντα υδροξυλίου. Περιληπτικά οι

αντιδράσεις φαίνονται στο σχήμα που γράφω στον πίνακα:

Άνοδος (+)				Κάθοδος (-)		Άνοδος (+)				Κάθοδος (-)
					Φόρτιση
					προσθήκη
					ενέργειας
					→
PbSO4	+	2H2O	+	PbSO4	↔	PbO2	+	2H2SO4	+	Pb
					←
					Εκφόρτιση
					προσφορά
					ενέργειας

Παρατηρούμε ότι κατά τη φόρτιση, ο αριθμός οξείδωσης του μολύβδου στην

άνοδο αυξάνει από Pb ²⁺ σε Pb ⁴⁺ (οξείδωση), ενώ στην κάθοδο μειώνεται από

Pb ²⁺ σε Pb ⁰ (αναγωγή), το αντίστροφο συμβαίνει κατά την εκφόρτιση.

Σπύρος:           Τώρα δηλαδή φορτίστηκε;

Καθηγητής:     Αποσύνδεσε την πηγή φόρτισης και σύνδεσε το λαμπάκι που είναι εκεί,

δίπλα.

Γιώτα:             Ανάβει, άρα εκφορτίζεται τώρα.

Καθηγητής:     Σωστά, για λίγο όμως, σύντομα θα σβήσει.

Σπύρος:           Ωραία, τόση ώρα φτιάξαμε μια μπαταρία του ενός λεπτού.

Καθηγητής:     Τι προτείνεις για μπαταρία των δύο λεπτών, μιας ώρας, ενός μήνα ….

Σπύρος:           Δεν ξέρω………….. αλλά… εφόσον οι αντιδράσεις είναι επιφανειακές, μήπως θα πρέπει να μεγαλώσουμε την επιφάνεια των πλακών;

Καθηγητής:     Σωστά, γι αυτό ανοίγουμε τρύπες στην επιφάνεια.

Μαρία:             Μα τότε μικραίνει η επιφάνεια.

Σπύρος:           Κι εμένα έτσι μου φαίνεται, αλλά μισό λεπτό κάτι σχεδιάζει εδώ η Γιώτα και μάλλον έχετε δίκιο.

Καθηγητής:     Σου είναι εύκολο Γιώτα να μας το σχεδιάσεις στον πίνακα;

Γιώτα:              Ευχαρίστως κύριε.

Γιώτα:              Είναι κατανοητό;

Καθηγητής:     Πολύ καλή απόδοση, για πες μας λοιπόν.

Γιώτα:              Ανοίξαμε μια τετράγωνη τρύπα με διαστάσεις όσο το πάχος της πλάκας, οπότε χάσαμε τα επιφανειακά εμβαδά 2 α ² αλλά κερδίσαμε τα γύρω γύρω 4 α ² , δηλαδή ανοίγοντας τη μία δίπλα στην άλλη, θα διπλασιάσουμε το εμβαδόν της πλάκας, άρα και το φορτίο που θα αποθηκεύσει.

Καθηγητής:     Μπράβο παιδιά, καλύτερη περιγραφή δε θα μπορούσα να κάνω. Κάθισε Γιώτα, ευχαριστώ. Πράγματι στα εργοστάσια μπαταριών κατασκευάζουν πολύ λεπτές πλάκες μολύβδου με όσο το δυνατό μεγαλύτερη επιφάνεια, ψεκάζουν τις μισές με οξείδιο μολύβδου (ΙV), τις τοποθετούν ανά ζευγάρι σε πλαστικό δοχείο και τις στέλνουν στο εμπόριο.

Μιχάλης:         Ξεχάσατε το θειικό οξύ.

Καθηγητής:     Σωστά, μόνο που το θειικό οξύ το προσθέτει ο καταναλωτής ή ο ηλεκτρολόγος που θα την τοποθετήσει. Κάθε τέτοιο ζευγάρι πλακών αναπτύσσει διαφορά δυναμικού της τάξεως των 2 V.

Σπύρος:           Πριν δέκα μέρες αντικατέστησα τη μπαταρία της BMW μηχανής μου κι έγραφε ότι ήταν 12 V.

Καθηγητής:     Τα αυτοκίνητα και οι μοτοσυκλέτες λειτουργούν με μπαταρίες των 12 V, γι αυτό οι κατασκευαστές μπαταριών τοποθετούν στο πλαστικό δοχείο έξι ζευγάρια πλακών μολύβδου σε σειρά. Σημαντικό πάντως είναι να φροντίζουμε ιδιαίτερα για την ανακύκλωση των μπαταριών, μιας και ο μόλυβδος ανήκει στα βαρέα μέταλλα τα μη βιοδιασπώμενα και προκαλούν το φαινόμενο της βιοσυσσώρευσης αν δεν ανακυκλωθούν σωστά.

Χριστίνα:         Με αυτά κι αυτά, εσείς των θετικών επιστημών, φτιάξατε την ατομική

βόμβα και θα καταστρέψετε τον πλανήτη.

Καθηγητής:     Ακόμα χειρότερα, κατασκευάσαμε και τη βόμβα υδρογόνου που είναι

καταστροφικότερη, όμως αυτή είναι μια άποψη, υπάρχει κι άλλη άποψη, η

γνωστή με το μαχαίρι για το αν κάνει καλό ή κακό.

Χριστίνα:         Γνωστή η απάντηση: αν το πιάσω χαμηλά για να κόψω το ψωμί κάνει

καλό, αν το σηκώσω ψηλά για να αφαιρέσω μια ζωή κάνει κακό.

Καθηγητής:     Μη περιμένετε λοιπόν από το εγχειρίδιο χρήσης να σας πει πως να το

πιάσετε. Αυτή είναι δουλειά των θεωρητικών. Αν οι θεωρητικοί κατορθώσουν με

ένα διήγημα ή ποίημα να κάνουν να κυλίσει ένα δάκρυ από τα μάτια μας, τότε

γνωρίζουμε πολύ καλά πώς να πιάσουμε το μαχαίρι, το κάθε μαχαίρι.

Υποχρέωση όλων μας είναι να ξεκλειδώσουμε την ψυχή μας και να τους

βοηθήσουμε να το πετύχουν.

Γιώτα:              Συμφωνώ απόλυτα, ο φόβος θα μας κρατούσε ακόμα στη ζούγκλα. Πάντως, όσα είπαμε σήμερα μου θυμίζουν περισσότερο τράπεζα παρά φορολογία. Καταθέτω όταν έχω, για να έχω όταν χρειάζομαι.

Καθηγητής:     Πολύ όμορφη προσομοίωση, αυτός λοιπόν θα είναι ο τίτλος της επόμενης εργασίας σας:

«Συσσωρευτές, οι τράπεζες φορτίων και ενέργειας»