1 Εκπαιδευτικό υλικό στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράµµατος “Chain Reaction: Α sustainable approach to inquiry based Science Education” ΤΡΟΦΗ ΣΤΟΝ ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΟ ΚΟΣΜΟ Μετάφραση-Επιµέλεια: Κάλλια Κατσαµποξάκη Ρουµπίνη Μοσχοχωρίτου Καίτη Σιακαβάρα Μαρία Φουσκάκη Εργαστήριο Αναλυτικής Χηµείας Τµήµα Χηµείας Παν/µιο Κρήτης Ηράκλειο 2013 2 Τροφή στον αναπτυσσόµενο κόσµο Σηµειώσεις για τον ∆ιδάσκοντα Γνώση και κατανόηση • Η περιεκτικότητα του αέρα σε άζωτο είναι περίπου 80% v/v. • Το άζωτο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να παρασκευασθούν σηµαντικές χηµικές ενώσεις, µεταξύ αυτών και τα αζωτούχα λιπάσµατα. • Τα αζωτούχα λιπάσµατα είναι σηµαντικά για τη γεωργία, καθώς αυξάνουν την παραγωγή. • Η αµµωνία παρασκευάζεται µε τη µέθοδο Haber. • Το λίπασµα νιτρικού αµµωνίου παρασκευάζεται µε την αντίδραση εξουδετέρωσης µεταξύ της αµµωνίας και του νιτρικού οξέος. • Τα οργανικά υλικά επιστρέφουν στο περιβάλλον είτε µε τη µορφή αποβλήτων είτε όταν οι ζωντανοί οργανισµοί πεθαίνουν και αποσυντίθενται. • Τα οργανικά υλικά αποσυντίθενται επειδή διασπώνται µέσω της διαδικασία της πέψης από µικρόβια. • Η συνεχής ανακύκλωση του αζώτου ονοµάζεται κύκλος του αζώτου. Σε αυτόν το κύκλο τα πράσινα φυτά απορροφούν το άζωτο µε τη µορφή νιτρικών ιόντων από το έδαφος. Στη συνέχεια, τα φυτά χρησιµοποιούν τα νιτρικά ιόντα για να συνθέσουν πρωτεΐνες. • Τα νιτροποιητικά βακτήρια µετατρέπουν τις ενώσεις της αµµωνίας σε νιτρικά ιόντα. Εισαγωγή Σε αυτή την εργασία οι µαθητές αναλαµβάνουν το ρόλο του ερευνητή µιας ερευνητικής οµάδας που εργάζεται για την ανάπτυξη λιπασµάτων σε ένα Πανεπιστηµιακό Τµήµα Χηµείας. Μετά από ένα δελτίο τύπου του Παγκόσµιου Συµβουλίου Τροφίµων (WFC) που ανακοινώνει τη δηµιουργία ενός νέου εκπαιδευτικού προγράµµατος που θα εφαρµοστεί σε αναπτυσσόµενες χώρες, ζητήθηκε από την ερευνητική οµάδα να σχεδιάσει δύο εκπαιδευτικά φυλλάδια. Τα φυλλάδια θα καλύπτουν το ίδιο θέµα αλλά θα απευθύνονται σε διαφορετικές οµάδες ανθρώπων- ένα φυλλάδιο για τους αγρότες και ένα για τους δασκάλους. Θα πρέπει να εξηγούν τι είναι τα λιπάσµατα, γιατί πρέπει να χρησιµοποιούνται και πώς δρουν. Οι µαθητές πρέπει να διαβάσουν µία σειρά προηγούµενων δηµοσιεύσεων και να πραγµατοποιήσουν πειράµατα και έρευνες σχετικές µε την παραγωγή νιτρικού αµµωνίου και την επίδρασή του στην ανάπτυξη των φυτών, έτσι ώστε το φυλλάδιο που θα σχεδιάσουν να αντανακλά τη δουλειά του τµήµατος και τις πρόσφατες ερευνητικές δραστηριότητες. Στη συνέχεια πρέπει να σχεδιάσουν και να φτιάξουν ένα φυλλάδιο µεγέθους A4 που θα περιλαµβάνει τα θέµατα που περιγράφονται σε αυτό το πακέτο σηµειώσεων. 3 Πορεία που ακολουθείται σε αυτή την εργασία Σχετικά µε τη ∆ιερευνητική Μάθηση • • • • • Χρησιµοποίηση επιστηµονικών ιδεών και µοντέλων για την ερµηνεία φαινοµένων, τη δηµιουργική αξιοποίηση και ανάπτυξή τους µε σκοπό την παραγωγή και την τεκµηρίωση της θεωρίας. Χρήση διαφόρων επιστηµονικών µεθόδων και τεχνικών για την ανάπτυξη και τεκµηρίωση ιδεών και επεξηγήσεων. Εκτίµηση κινδύνου ώστε να διασφαλίζεται η ασφαλής εργασία στο εργαστήριο. Σχεδιασµός και εκτέλεση πρακτικών και διερευνητικών δραστηριοτήτων τόσο ατοµικά όσο και σε οµάδες. Εύρεση, καταγραφή και ανάλυση δεδοµένων από ένα εύρος πρωτογενών και δευτερογενών πηγών και χρήση των αποτελεσµάτων τους ως επιστηµονικές αποδείξεις. 4 • Χρήση κατάλληλων µεθόδων συµπεριλαµβανοµένων των Τεχνολογιών Επικοινωνίας και Πληροφόρησης (ICT) για να µεταδώσουν την επιστηµονική γνώση και να συµβάλουν σε παρουσιάσεις και συζητήσεις σχετικές µε επιστηµονικά θέµατα. Αυτή η δραστηριότητα επίσης παρέχει ευκαιρίες στους µαθητές για: • να ερευνήσουν, να διεξάγουν πειράµατα, να συζητήσουν και να αναπτύξουν επιχειρήµατα. • να χρησιµοποιήσουν αληθινά παραδείγµατα ως βάση για να ανακαλύψουν περισσότερα για την επιστήµη. • να αναγνωρίσουν τη σπουδαιότητα της αειφορίας στην ανάπτυξη της επιστήµης και της τεχνολογίας. Απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο Πριν ξεκινήσουν να δουλεύουν σε αυτή την εργασία, οι µαθητές πρέπει να έχουν βασικές γνώσεις ώστε να κατανοούν τους κύκλους διαφόρων στοιχείων στη φύση, τα οξέα και τις βάσεις, τους χηµικούς δείκτες και να µπορούν να χρησιµοποιούν εξισώσεις που παριστάνουν χηµικές αντιδράσεις. Α. ∆ραστηριότητες. Οι µαθητές µπορούν να συνεργάζονται σε οµάδες κατά τη διάρκεια αυτής της εργασία. Προτείνονται τα εξής: Αρχική ενηµέρωση Ολόκληρη η τάξη: ο καθηγητής κάνει µία σύντοµη εισαγωγή και προετοιµάζει τους µαθητές για τη δραστηριότητα Ανάγνωση µηνυµάτων ταχυδροµείου και σχέδιο δράσης ηλεκτρονικού Σε ζεύγη ή µικρές οµάδες ή ατοµικά. Στις οµάδες ένας µαθητής µπορεί να ορισθεί ως ο/η αρχηγός της ερευνητικής οµάδας Ανάλυση σχετικών βασικών δηµοσιεύσεων Προτείνεται να δίνεται µία δηµοσίευση για ανάλυση ανά άτοµο ή ανά ζεύγος που θα κάνει περιληπτική αναφορά στη συνάντηση Εκτέλεση πειραµάτων και έρευνας Σε ζεύγη ή οµάδες τριών ή τεσσάρων (ανάλογα µε τη διαθεσιµότητα του εξοπλισµού) Ανάλυση αποτελεσµάτων Σε ζεύγη ή οµάδες τριών ή ατοµικά εάν η εργασία πρόκειται να βαθµολογηθεί ∆ηµιουργία Φυλλαδίων Ατοµικά ή οµαδικά, παρουσίασή τους σε όλο το τµήµα 5 B. Χρονική ∆ιάρκεια Αυτό το υλικό απαιτεί τουλάχιστον 4 µήνες διδασκαλίας. Ο χρόνος που θα διατεθεί για την πειραµατική διαδικασία µπορεί να ποικίλει (από ένα µέχρι τρεις µήνες). Μέρος του σχεδιασµού και της δηµιουργίας του φυλλαδίου µπορεί να δοθεί ως εργασία για το σπίτι. Ίσως να χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να γραφούν οι ατοµικές ερευνητικές αναφορές. Η προαιρετική έρευνα ίσως προσθέσει δύο ώρες ακόµα στο χρόνο προετοιµασίας, ειδικά αν χρησιµοποιηθεί για την ερευνητική εργασία (project). Θα ήταν ωφέλιµο αν οι µαθητές έχουν την ευκαιρία να παρουσιάσουν τη δουλειά τους στις υπόλοιπες οµάδες, στην τάξη. Γ. Εκτέλεση δραστηριότητας Ο/Η καθηγητής/-τρια παρέχει στους µαθητές το Φύλλο ∆ραστηριοτήτων Μαθητή που περιέχει µία περίληψη του τι πρέπει να κάνουν καθώς θα επεξεργάζονται το υλικό. Το φύλλο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως λίστα ελέγχου που θα επιτρέπει σε κάθε µαθητή να καθορίζει την πρόοδό του. Αξίζει να διαθέσετε περισσότερο χρόνο για την προετοιµασία των µαθητών σ’ αυτή της ενότητα\. Στη συνέχεια δώστε το µήνυµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου, το δελτίο τύπου και αυτό το υλικό µε τις σηµειώσεις για το Φυλλάδιο 1 µε τα Άρθρα 1, 2 και 5 στις οµάδες που θα φτιάξουν το φυλλάδιο για τους αγρότες. Επίσης, δώστε το µήνυµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου, το δελτίο τύπου και αυτό το υλικό µε τις σηµειώσεις για το Φυλλάδιο 2 µε τα Άρθρα 1,2,3,4 και 5 στις οµάδες που θα φτιάξουν το φυλλάδιο για τους δασκάλους στις αναπτυσσόµενες χώρες. Οι µαθητές ίσως ζητήσουν το άρθρο 6 εάν αντιµετωπίσουν προβλήµατα κατά την έναρξη της έρευνας (Σηµείωση-Η δεύτερη και τρίτη παράγραφος των χειρόγραφων σηµειώσεων στο τέλος της σελίδας θα πρέπει να αφαιρεθούν πριν δοθούν στην οµάδα που θα φτιάξει το φυλλάδιο 1 των αγροτών) Οι µαθητές θα πάρουν οδηγίες µέσω του µηνύµατος ηλεκτρονικού ταχυδροµείου και των σηµειώσεών τους για το φυλλάδιο, τα οποία είναι αρκετά κατατοπιστικά έτσι ώστε να µπορέσουν να δουλέψουν συστηµατικά και να προσέξουν τις λεπτοµέρειες. Το άρθρο 1 παρέχει πληροφορίες για τον κύκλο του αζώτου και το πώς η πρόσφατη έρευνα σχετικά µε αυτόν θα µπορούσε να επηρεάσει µελλοντικές βιοµηχανικές πρακτικές. Το άρθρο 2 περιγράφει την µέθοδο Haber για παρασκευή αµµωνίας και κάνει µία σύντοµη αναφορά στο σύστηµα αρδευτικών καναλιών το οποίο θα µπορούσε να αναπτυχθεί ως συνέπεια της τρέχουσας έρευνας. Το άρθρο 3 εισάγει τους µαθητές στην ιδέα της χηµικής ισορροπίας και πως η πίεση και η θερµοκρασία επιδρούν στην αντίδραση που λαµβάνει χώρα σύµφωνα µε τη µέθοδο Haber. 6 N2 + 3H2 → 2NH3 (∆H = −92.4 kJ·mol−1) Στην παρούσα έρευνα περιγράφεται επίσης η χρήση των ενζύµων ως πιθανός εναλλακτικός τρόπος παρασκευής αµµωνίας που απαιτεί λιγότερη ενέργεια. Τα άρθρα 4 και 5 παρέχουν στους µαθητές λεπτοµέρειες σχετικές µε το πείραµα και δύο τεχνικές σχετικά µε την παρασκευή νιτρικού αµµωνίου, τα οποία θα εκτελέσουν και θα αξιολογήσουν πριν τα συµπεριλάβουν στο Φυλλάδιο. Το άρθρο 6 παρέχει λεπτοµέρειες σχετικές µε το πείραµα µε σκοπό να συγκρίνουν οι µαθητές την επίδραση της χρήσης λιπασµάτων στην ανάπτυξη των φυτών. Το άρθρο 6 µπορεί να χρησιµοποιηθεί από όποιον-α µαθητή-τρια δυσκολεύεται στο σχεδιασµό της έρευνας. Οι λεπτοµέρειες στο άρθρο θα πρέπει να προσαρµοστούν ώστε οι µαθητές να µπορέσουν να ολοκληρώσουν την έρευνα σχετικά µε την επίδραση του αζώτου στην ανάπτυξη των φυτών. Μετά από όλα αυτά, οι µαθητές θα κατασκευάσουν το τελικό φυλλάδιο για το αντίστοιχο αναγνωστικό κοινό. Σηµείωση: Κατά την παρασκευή νιτρικού αµµωνίου, οι µαθητές θα µπορούν να χρησιµοποιήσουν ένα πεχάµετρο για τη µέτρηση του pH, αντί για πεχαµετρικό χαρτί. ∆. Λεπτοµέρειες σχετικές µε την έρευνα • Το Πρόγραµµα αυτό προτείνει στους µαθητές να αξιολογήσουν δύο µεθόδους παρασκευής νιτρικού αµµωνίου στα άρθρα 4 και 5. Η Μέθοδος 1 στο άρθρο 4 περιγράφει µε ακρίβεια την τεχνική της ογκοµέτρησης, ενώ το άρθρο 5 περιγράφει µία πιο απλή Μέθοδο 2. Οι µαθητές που θα φτιάξουν το φυλλάδιο για τους αγρότες ακολουθούν τη Μέθοδο 2 ενώ οι µαθητές που θα φτιάξουν το φυλλάδιο για τους δασκάλους ακολουθούν και τις δύο µεθόδους και στη συνέχεια τις αξιολογούν για να αποφασίσουν ποια από τις δύο θα συµπεριλάβουν στο φυλλάδιό τους. • Οι µαθητές που θα φτιάξουν το φυλλάδιο των αγροτών σε αναπτυσσόµενες χώρες πρέπει να ερευνήσουν τις επιδράσεις της χρήσης, η µη, των νιτρικών λιπασµάτων στην ανάπτυξη των φυτών. Αυτό το επιτυγχάνουν µετά από προσαρµογή των µεθόδων που περιγράφονται στο άρθρο 6 και τη διερεύνηση των επιδράσεων της χρήσης ή όχι γενικών λιπασµάτων, που περιέχουν ποικιλία ανόργανων στοιχείων καθώς και νιτρικού αµµωνίου. Το µόνο που πρέπει να αλλάξουν σχετικά µε τη µέθοδο είναι η χρήση νιτρικού αµµωνίου (ίδια σύσταση, π.χ. 4g σε 100cm³) αντί λιπάσµατος. Περαιτέρω πληροφορίες θα βρείτε στο άρθρο 6. Παρόλα αυτά µερικοί µαθητές ίσως προτείνουν την εξέταση της επίδρασης του αζώτου στα φυτά µέσω θρεπτικών διαλυµάτων (βλέπε Τεχνικές λεπτοµέρειες παρακάτω): ενός µε όλα τα απαραίτητα ανόργανα στοιχεία για την ανάπτυξη του φυτού και ενός δεύτερου µε όλα τα απαραίτητα ανόργανα στοιχεία εκτός του αζώτου. Αυτός είναι ένας πιο έγκυρος τρόπος για την εκτίµηση της έλλειψης πρόσληψης αζώτου από το φυτό, εφόσον µε το να παρέχουµε 7 µόνο νερό θα στερούµε το φυτό και από άλλα απαραίτητα στοιχεία, γεγονός που θα καθιστούσε απίθανο τον εντοπισµό της επίδρασης της απουσίας του αζώτου. • Οι µαθητές που θα φτιάξουν το φυλλάδιο για τους δασκάλους των αναπτυσσόµενων χωρών, πρέπει να εκτελέσουν την ίδια έρευνα που προαναφέρθηκε, µε µία προαιρετική προέκταση στη µελέτη των επιπτώσεων της διαφορετικής συγκέντρωσης νιτρικού αµµωνίου στην ανάπτυξη των φυτών. Αυτό µπορεί επίσης να επιτευχθεί µε την προσαρµογή της µεθόδου που δίνεται στο άρθρο 6, π.χ. µε το να χρησιµοποιήσουν δείγµατα µε διαφορετικές συγκεντρώσεις αζώτου (δηλ. διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρικού αµµωνίου), αντί για λίπασµα. Επίσης κάποιοι µαθητές θα µπορούσαν να προτείνουν εναλλακτικές λύσεις για την «όλα εκτός από ένα» προσέγγιση. Για να πραγµατοποιήσουν την πρόσθετη προαιρετική έρευνα που αφορά την επίδραση των διαφορετικών ανόργανων στοιχείων στην ανάπτυξη των φυτών, µπορούν να χρησιµοποιήσουν την τεχνική, όπου διαφορετικά στοιχεία αφαιρούνται κάθε φορά από το φυτό, φροντίζοντας όλα τα άλλα απαραίτητα στοιχεία να παραµένουν ίδια. E. Τεχνικές λεπτοµέρειες Οι περισσότερες πληροφορίες που απαιτούνται όπως η συσκευή, τα διαλύµατα, η πειραµατική µέθοδος κτλ δίνονται στα άρθρα 4, 5 και 6. Όταν χρησιµοποιούνται σπορόφυτα µε σκοπό την επίδειξη της επίδρασης της έλλειψης απαραιτήτων ιχνοστοιχείων, θα έχετε καλύτερα αποτελέσµατα αν αφαιρέσετε τα αποµεινάρια του καρπού πριν τοποθετήσετε το σπορόφυτο στο διάλυµα. Ο καρπός (κοτυληδόνες ή ενδοσπέρµιο) περιέχει µία σειρά στοιχείων που χρησιµοποιούνται από το φυτό κατά τα πρώτα στάδια της ανάπτυξης. Αν δεν τα αποµακρύνετε, θα έχετε ως αποτέλεσµα µία µικρή ορατή διαφορά, ανεξάρτητα µε το ποια καλλιέργεια χρησιµοποιήσατε. ΣΤ. Θέµατα Ασφάλειας Προσοχή. Είναι σηµαντικό να κάνετε τις δικές σας εκτιµήσεις επικινδυνότητας κατά την εκτέλεση των πειραµάτων αυτής της δραστηριότητας, κατά τη συνήθη πρακτική. Νιτρικό οξύ: από 0.1M µέχρι 0.5M – ερεθιστικό πάνω από 0.5M – διαβρωτικό Σε περίπτωση κατάποσης, να µην προκληθεί εµετός. Ξεπλύνετε το στόµα και δώστε να πιούν νερό. Ζητήστε ιατρική βοήθεια όσο το δυνατό πιο γρήγορα. Σε περίπτωση εισπνοής: µετακινηθείτε για να εισπνεύσετε καθαρό αέρα. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια εάν η αναπνοή έχει ελαφρώς επηρεαστεί. Σε επαφή µε τα µάτια: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης για τουλάχιστον 10 λεπτά. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια. 8 Σε επαφή µε το δέρµα: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης. Αφαιρέστε τη µολυσµένη ενδυµασία. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια εάν έχει επέλθει δερµατική βλάβη. Φορέστε προστατευτικά γυαλιά για τα µάτια ∆ιάλυµα αµµωνίας : από 3M µέχρι 6M – ερεθιστικό πάνω από 6M – διαβρωτικό Σε περίπτωση κατάποσης, να µην προκληθεί εµετός. Ξεπλύνετε το στόµα και δώστε να πιουν νερό. Ζητήστε ιατρική βοήθεια όσο το δυνατό πιο γρήγορα. Σε επαφή µε τα µάτια: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης για τουλάχιστον 10 λεπτά. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια. Σε επαφή µε το δέρµα: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης. Αφαιρέστε τη µολυσµένη ενδυµασία. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια εάν έχει επέλθει δερµατική βλάβη. Φορέστε προστατευτικά γυαλιά για τα µάτια Βεβαιωθείτε ότι υπάρχει επαρκής εξαερισµός. Νιτρικό αµµώνιο*: Οξειδωτικό αντιδραστήριο. Εκρήγνυται κατά τη θέρµανση αν περιέχει προσµίξεις ή ακαθαρσίες. (µην το αναµίξετε µε οργανικές ουσίες και µην το τρίψετε/αλέσετε). Σε περίπτωση κατάποσης, να ξεπλύνετε το στόµα και δώσετε να πιουν νερό. Ζητήστε ιατρική βοήθεια όσο το δυνατό πιο γρήγορα. Σε επαφή µε τα µάτια: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης για τουλάχιστον 10 λεπτά. Αναζητήστε ιατρική βοήθεια. Σε επαφή µε το δέρµα: ξεπλύνετε µε τρεχούµενο νερό βρύσης. Αφαιρέστε τη µολυσµένη ενδυµασία. Φορέστε προστατευτικά γυαλιά για τα µάτια * Το θειικό αµµώνιο µπορεί να αντικαταστήσει το νιτρικό αµµώνιο. Ζ. Περαιτέρω ευκαιρίες έρευνας Οι µαθητές θα µπορούσαν να αναζητήσουν περαιτέρω πληροφορίες για την επίδραση των λιπασµάτων και τον κίνδυνο ευτροφισµού µε το να κάνουν έρευνα σχετικά µε την επίδραση λιπασµάτων /νιτρικού αµµωνίου στην ανάπτυξη των φυτών γενικά, αλλά και φυτικών ειδών όπως η λέµνα (duckweed). Πέντε φυτά τύπου duckweed θα πρέπει να τοποθετηθούν σε ποτήρια ζέσης που θα περιέχουν 200cm³ διαλύµατος λιπάσµατος ποικίλης σύστασης και να εκτεθούν στον ήλιο. Οι µαθητές θα πρέπει να µετρήσουν τα φυτά duckweed, να παρατηρούν την κατάσταση του καθενός για αρκετές εβδοµάδες και να βγάλουν συµπεράσµατα µε βάση τις γνώσεις των σταδίων που οδηγούν σε ευτροφισµό. 9 Τροφή στον αναπτυσσόµενο κόσµο Φύλλο ∆ραστηριοτήτων Μαθητή Προετοιµασία Εσύ και οι συµµαθητές σου θα εργάζεστε ως µέλη Ερευνητικής οµάδας του Τµήµατος Χηµείας ενός Πανεπιστηµίου. Το Παγκόσµια Συµβούλιο Τροφίµων (WFC) ανακοίνωσε µε δελτίο τύπου τη δηµιουργία ενός νέου εκπαιδευτικού προγράµµατος που θα εφαρµοστεί σε αναπτυσσόµενες χώρες ζητώντας από την ερευνητική οµάδα να σχεδιάσει δύο εκπαιδευτικά φυλλάδια. Θα πρέπει να χρησιµοποιήσετε τα ευρήµατά σας για να σχεδιάσετε ένα φυλλάδιο που θα απευθύνεται σε αγρότες και ένα σε δασκάλους αυτών των χωρών. Οι επιστηµονικές πληροφορίες που θα µάθετε κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας • • • • • • • • • Η περιεκτικότητα του αέρα σε άζωτο είναι περίπου 80% v/v. Το άζωτο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να παρασκευασθούν σηµαντικές χηµικές ενώσεις, µεταξύ αυτών και τα αζωτούχα λιπάσµατα. Τα αζωτούχα λιπάσµατα είναι σηµαντικά για τη γεωργία, καθώς αυξάνουν την παραγωγή. Η αµµωνία παρασκευάζεται µε τη µέθοδο Haber. Το λίπασµα νιτρικού αµµωνίου παρασκευάζεται µε την αντίδραση εξουδετέρωσης µεταξύ της αµµωνίας και του νιτρικού οξέος. Τα οργανικά υλικά επιστρέφουν στο περιβάλλον είτε µε τη µορφή αποβλήτων είτε όταν οι ζωντανοί οργανισµοί πεθαίνουν και αποσυντίθενται. Τα οργανικά υλικά αποσυντίθενται επειδή διασπώνται µέσω της διαδικασία της πέψης από µικρόβια. Η συνεχής ανακύκλωση του αζώτου ονοµάζεται κύκλος του αζώτου. Σε αυτόν το κύκλο τα πράσινα φυτά απορροφούν το άζωτο µε τη µορφή νιτρικών ιόντων από το έδαφος. Στη συνέχεια, τα φυτά χρησιµοποιούν τα νιτρικά ιόντα για να συνθέσουν πρωτεΐνες. Τα νιτροποιητικά βακτήρια µετατρέπουν τις ενώσεις της αµµωνίας σε νιτρικά ιόντα. Κατάλογος µε προσδοκώµενα αποτελέσµατα Θα δηµιουργήσετε ένα φυλλάδιο για αγρότες ή δασκάλους σε µία αναπτυσσόµενη χώρα. Ένα µήνυµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου και µερικές σηµειώσεις θα σας κατευθύνουν ανάλογα. Βεβαιωθείτε ότι έχετε ολοκληρώσει αυτά που αναφέρονται παρακάτω κατά τη διάρκεια του Προγράµµατος: 10 • • • • • • • • Σηµειώσεις για το Φυλλάδιο 1 Ένα φυλλάδιο για τους αγρότες Άρθρα 1 και 2 Σηµειώσεις που θα σας βοηθήσουν να σχεδιάσετε το φυλλάδιο Αρθρο 5 Σηµειώσεις για το πείραµα Αρθρο 6 Μία ερευνητική αναφορά Σηµειώσεις για το Φυλλάδιο 2 Ένα φυλλάδιο για τους δασκάλους Άρθρα 1, 2 και 3 Σηµειώσεις που θα σας βοηθήσουν να σχεδιάσετε το φυλλάδιο Άρθρα 4 και 5 Σηµειώσεις για τα πειράµατα Άρθρο 6 Μία ερευνητική αναφορά 11 Πανεπιστήµιο Κρήτης _________________________________ e-mail Από: Καθηγήτρια Ίριδα Καπαρουνάκη Προς: Ερευνητικές Οµάδες Θέµα: Λιπάσµατα: εκπαιδευτικό πρόγραµµα για αναπτυσσόµενες χώρες ∆ελτίο Τύπου Παγκόσµιου Συµβουλίου Τροφίµων Επισυνάψεις: ∆ύο σετ σηµειώσεων µε οδηγίες για να προχωρήσετε µε κάθε φυλλάδιο Άρθρα 1, 2 και 5 για το φυλλάδιο 1 Άρθρα 1-5 για το φυλλάδιο 2 Άρθρο 6 αν το θεωρείτε απαραίτητο Παρακαλώ διαβάστε προσεκτικά το αντίγραφο του ∆ελτίου Τύπου του Παγκόσµιου Συµβουλίου Τροφίµων (World Food Commission, WFC), που έχω επισυνάψει σε αυτό το µήνυµα. Το Συµβούλιο ζητάει από τους επιστήµονες σε όλο τον κόσµο να συµβάλλουν στη δηµιουργία εκπαιδευτικού υλικού που θα χρησιµοποιηθεί σε κάποιες αναπτυσσόµενες χώρες στις οποίες εφαρµόζονται αυτή τη στιγµή σχετικά υποστηρικτικά προγράµµατα. Σύµφωνα µε το ∆ελτίο Τύπου, κάθε ερευνητικό τµήµα που ενδιαφέρεται να συµµετέχει θα πρέπει να επικοινωνήσει µε το Συµβούλιο. Έχω ήδη Επικοινωνήσει προσωπικά και µου έχουν υποδείξει τρόπους για να συµβάλλουµε στην όλη προσπάθεια. Μου ζήτησαν να σχεδιάσουµε δύο εκπαιδευτικά φυλλάδια που να καλύπτουν τα ίδια θέµατα και να απευθύνονται σε δύο διαφορετικά ακροατήρια. Στα φυλλάδια πρέπει να εξηγούµε τι είναι λιπάσµατα, πώς χρησιµοποιούνται και πώς δρουν. Το πρώτο φυλλάδιο απευθύνεται σε αγρότες, πολλοί από τους οποίους έχουν ελάχιστες επιστηµονικές γνώσεις. Το δεύτερο απευθύνεται σε δασκάλους που εργάζονται µε νέους ανθρώπους, αρκετοί από τους οποίους θα γίνουν κι αυτοί αγρότες. Οι ερευνητικές οµάδες από άλλα πανεπιστήµια θα σχεδιάσουν φυλλάδια καλύπτοντας ζητήµατα όπως τεχνικές πληροφορίες σχετικά µε διαφορετικού τύπου λιπάσµατα, πότε να τα χρησιµοποιούµε και πιθανά προβλήµατα που σχετίζονται µε τη χρήση τους. Θα ήθελα η ερευνητική σας οµάδα να παραδώσει αυτά τα δύο φυλλάδια. Θα πρέπει να χωριστείτε σε δυο υποοµάδες και να παραδώσετε ένα η καθεµία. Έχω συγκεντρώσει κάποιο σχετικό υλικό, µαζί µε δικές µου σηµειώσεις, τα οποία θα σας βοηθήσουν. Όταν αναφερόµαστε σε πρακτική εργασία (άρθρα 4 και 5) θα πρέπει να διεξάγετε έρευνες εσείς οι ίδιοι για να ελέγξετε πρώτον αν οι οδηγίες είναι κατανοητές και δεύτερον ποια χρήσιµα συµπεράσµατα µπορούµε να βγάλουµε. 12 Παγκόσµιο Συµβούλιο Τροφίµων Η ανάγκη για τροφή _________________________________ Κάθε µέρα σε πολλά µέρη του κόσµου, οι άνθρωποι πεθαίνουν εξαιτίας της έλλειψης τροφής. Σε µερικές χώρες οι άνθρωποι επιβιώνουν µε επαναλαµβανόµενες δίαιτες ρυζιού ή ψωµιού. Λίγοι άνθρωποι καταφέρνουν να καλλιεργήσουν αρκετά λαχανικά και να συντηρούν ζώα για να έχουν µία υγιεινή και ικανοποιητική διατροφή. Στις πιο πλούσιες χώρες οι άνθρωποι συχνά απαιτούν εξωτικές τροφές που είναι σχετικά φθηνές και εύκολες στην προετοιµασία. Πώς µπορούµε να εξισορροπήσουµε αυτές τις καταστάσεις; Είναι πιθανό να µεταφέρουµε τροφή από εκείνους που έχουν περισσότερο από αρκετή σε εκείνους µε ελλιπή αποθέµατα τροφής, αλλά πόσοι άνθρωποι είναι πρόθυµοι να µειώσουν το δικό τους επίπεδο διαβίωσης για άλλους ανθρώπους που ποτέ δεν θα γνωρίσουν; Η καλύτερη εναλλακτική λύση είναι να παρέχουµε σε οποιονδήποτε έχει ανάγκη τα µέσα µε τα οποία θα µπορέσει να καλλιεργεί τη γη και να παράγει τροφή για µία υγιεινή και ισορροπηµένη διατροφή. Στην προσπάθεια να αντιµετωπιστούν αυτά τα ζητήµατα, το Παγκόσµιο Συµβούλιο Τροφίµων WFC ζητάει από τους επιστήµονες όλου του κόσµου να συµβάλλουν στη δηµιουργία ενός εκπαιδευτικού προγράµµατος που θα χρησιµοποιηθεί σε διάφορες αναπτυσσόµενες χώρες. Θα θέλαµε ιδέες για εκπαιδευτικά προγράµµατα και υλικό που θα µπορούν να χρησιµοποιηθούν από τους δασκάλους της κάθε χώρας και να συνεισφέρουν στη µόρφωση των µαθητών σχολείων, σπουδαστών αγροτικών µαθηµάτων και αγροτών. Το κύριο θέµα για τα εκπαιδευτικά προγράµµατα θα είναι η αύξηση της παραγωγής, της σοδειάς. Θα θέλαµε κάθε Ερευνητικό Τµήµα να συµβάλλει σε αυτό το πρόγραµµα και να έρθει σε επαφή µε την επιτροπή. Θα συζητήσουµε τρόπους µε τους οποίους µπορείτε να βοηθήσετε και θα σας θέσουµε στόχους προς επίτευξη. 13 Πρόγραµµα WFC για λιπάσµατα Σηµειώσεις για Φυλλάδιο 1 _______________________ Σχετικοί αποδέκτες: Γεωργοί µε ελάχιστες επιστηµονικές γνώσεις Στόχος: Να αποσαφηνίσουµε πώς τα αζωτούχα λιπάσµατα µπορούν να αυξήσουν τη γεωργική παραγωγή ∆ιάταξη: Το φυλλάδιο θα πρέπει να χωράει σε δύο φύλλα χαρτιού Α4. Το φύλλο θα πρέπει να διπλώνει έτσι ώστε να δίνει την εντύπωση ενός µικρού βιβλιαρίου, µε τέσσερις πλευρές. Χρησιµοποιήσετε διαγράµµατα που βοηθούν στην καλύτερη µετάδοση και κατανόηση των πληροφοριών. Θα πρέπει να καλύψετε τα παρακάτω θέµατα: 1. Ο κύκλος του αζώτου (δείτε Άρθρο 1, ή οποιοδήποτε άλλο επιστηµονικό βιβλίο) Τα σηµαντικά σηµεία που θα πρέπει να µεταδώσετε είναι: • • • Πώς τα φυτά απορροφούν το άζωτο από το έδαφος Ποια φυτά χρησιµοποιούν άζωτο Φυσικούς τρόπους µε τους οποίους το άζωτο επιστρέφει στο έδαφος Θα πρέπει να αναφέρετε επίσης πώς οι αγρότες µπορούν να συµβάλλουν σε αυτό το φυσικό κύκλο χρησιµοποιώντας κοπριά ή κοµπόστ (αποσυντεθειµένη οργανική ύλη από τα φυτικά υπολείµµατα του κήπου και της κουζίνας ). 2. Πώς παρασκευάζονται αζωτούχα λιπάσµατα (δείτε άρθρο 2, ή οποιοδήποτε άλλο επιστηµονικό βιβλίο) Τα σηµαντικά σηµεία που θα πρέπει να µεταδώσετε είναι: • • • • Γιατί η αµµωνία χρησιµοποιείται στα λιπάσµατα; Πως παρασκευάζεται η αµµωνία; (σύντοµα -χωρίς χηµικούς τύπους-δεν είναι απαραίτητοι) Πώς χρησιµοποιούνται τα λιπάσµατα για να επιστρέψουν στα φυτά το άζωτο ώστε να είναι υγιώς ανεπτυγµένα και πώς όταν αυτά τα αποµακρύνουµε από το έδαφος (θα πρέπει να το ερευνήσετε αυτό) Πως µπορούν τα λιπάσµατα να παρασκευαστούν (∆είτε το άρθρο 5)-δοκιµάστε το και εσείς οι ίδιοι). 3. Τι συµβαίνει όταν τα φυτά αναπτύσσονται µε ή χωρίς αζωτούχα λιπάσµατα; Θα πρέπει να σχεδιάσετε την έρευνά σας γύρω από το τι συµβαίνει όταν τα φυτά αναπτύσσονται µε ή χωρίς αζωτούχα λιπάσµατα. Αν δυσκολευτείτε στην αρχή ίσως θα 14 πρέπει να συµβουλευτείτε και το άρθρο 6. Μπορεί να σας βοηθήσει. Τελειώστε µε µία σύντοµη περίληψη εξηγώντας πόσο σηµαντικό είναι να συµπληρώνεις το άζωτο του εδάφους (χρησιµοποιώντας φυσικά και χηµικά λιπάσµατα), και πώς αυτό θα µπορούσε να βελτιώσει την σοδειά. 15 Πρόγραµµα WFC για λιπάσµατα Σηµειώσεις για Φυλλάδιο 2 _______________________ Σχετικοί αποδέκτες: ∆άσκαλοι Στόχος: Να παρέχουµε στους δασκάλους µία περίληψη µε πληροφορίες που µπορούν να χρησιµοποιήσουν για να διδάξουν την αξία της χρήσης λιπασµάτων για την αύξηση της γεωργικής παραγωγής και να εξηγήσουν πώς τα αζωτούχα λιπάσµατα παρασκευάζονται. ∆ιάταξη: Το φυλλάδιο θα πρέπει να χωράει σε δύο φύλλα χαρτιού Α4. Το φύλλο θα πρέπει να διπλώνει έτσι ώστε να δίνει την εντύπωση ενός µικρού βιβλιαρίου, µε τέσσερις πλευρές. Χρησιµοποιήσετε διαγράµµατα που βοηθούν στην καλύτερη µετάδοση και κατανόηση των πληροφοριών Θα πρέπει να καλύψετε τα παρακάτω θέµατα: 1. Ο κύκλος του Αζώτου (∆είτε το Άρθρο 1 ή οποιοδήποτε άλλο επιστηµονικό βιβλίο). Αυτό θα πρέπει να καλύπτει • • Τη σηµασία του αζώτου στα έµβια όντα Μία περίληψη µε το φυσικό κύκλο του αζώτου (αυτό θα µπορούσε να δοθεί ως γλωσσάρι ή σε µορφή σηµειώσεων γραµµένων σε ένα µεγάλο διάγραµµα για τον κύκλο του αζώτου. 2. Παρασκευή αµµωνίας µε τη χρήση της µεθόδου Haber (Άρθρα 2 και 3) Αυτό θα πρέπει να καλύπτει • • Ένα διάγραµµα ροής που να απεικονίζει τη διαδικασία, µε επεξηγήσεις που να δείχνουν τις πηγές των αντιδρώντων (από πού τα παίρνουµε) και τις χηµικές αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα. Μία περιγραφή µε τις συνθήκες που απαιτούνται για τη βέλτιστη ποσότητα αµµωνίας. Ένα γλωσσάρι µε όρους θα είναι χρήσιµο εδώ. Αποφασίστε ποιες λέξεις θα χρειαστεί να επεξηγήσετε- µία καλή αρχή είναι οι πλάγιες λέξεις (italics) στο άρθρο 3. 3. Πρόσφατη έρευνα για τους τρόπους καθήλωσης (δέσµευσης) αζώτου και παραγωγής αµµωνίας (Άρθρα 1,2 και 3) • Χρησιµοποιήσετε τα άρθρα για να επεξηγήσετε πώς οι ερευνητές βρήκαν τρόπους για να καθηλώσουν το άζωτο και να παράγουν αµµωνία σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Προτάσεις για πρακτική εργασία Νοµίζω ότι θα ήταν καλό να προτείνετε ένα δύο πειράµατα που θα πρέπει να χρησιµοποιήσουν οι δάσκαλοι. Έχω συµπεριλάβει δύο διαφορετικές µεθόδους για την παρασκευή νιτρικού αµµωνίου (άρθρα 4 και 5). ∆οκιµάστε τις, και αποφασίστε ποια θα συµπεριλάβετε. Θα σας πρότεινα να • Σχεδιάσετε και να εκτελέσετε µία έρευνα για την επίδραση της παροχής ή έλλειψης αζώτου στην ανάπτυξη των φυτών • Ερευνήσετε την ανάπτυξη των φυτών µε διαφορετικά ποσά αζώτου Εάν αντιµετωπίσετε προβλήµατα σχετικά µε το πώς µπορείτε να ξεκινήσετε, έχω συµπεριλάβει το άρθρο 6 το οποίο µπορεί να σας βοηθήσει. Θα µπορούσατε επίσης να ερευνήσετε τι συµβαίνει όταν τα φυτά στερούνται άλλων ανόργανων στοιχείων. Χρησιµοποιήστε ένα επιστηµονικό βιβλίο για να σας κατευθύνει σε αυτό. 16 Η µάχη για το Άζωτο Άρθρο 1 __________________________________ Εκτός του νερού που περιέχεται σε ποσοστό 65%, το ανθρώπινο σώµα αποτελείται κυρίως από χηµικές ουσίες που ονοµάζονται πρωτεΐνες: 18% του σώµατός µας είναι πρωτεΐνες συµπεριλαµβανοµένων µέρους των µυών, των οστών και των οργάνων (όπως τα νεφρά και ο εγκέφαλος), του αίµατος και των τριχών καθώς και σηµαντικών χηµικών ουσιών όπως οι ορµόνες και τα ένζυµα. Οι πρωτεΐνες είναι µακροµόρια που περιέχουν χιλιάδες άτοµα, και αποτελούνται από µικρότερα µόρια, που ονοµάζονται αµινοξέα, συνδεόµενα µεταξύ τους από άκρο σε άκρο. Όλα τα αµινοξέα περιέχουν άζωτο. Το άζωτο αποτελεί το 78% της ατµόσφαιρας της γης, ενώ το ανθρώπινο σώµα δεν έχει τρόπο να το µετατρέψει σε αµινοξέα. Ο µόνος τρόπος για την παρασκευή αµινοξέων είναι µέσω της τροφής. Μόνο τα φυτά µπορούν να χρησιµοποιούν άζωτο για να παρασκευάσουν χηµικές ουσίες που στη συνέχεια µετατρέπονται σε αµινοξέα. Ο τρόπος µε τον οποίο το άζωτο ανακυκλώνεται µεταξύ της ατµόσφαιρας, των φυτών και των ζώων φαίνεται στο διάγραµµα µε τον κύκλο του αζώτου παρακάτω. 17 Το ελεύθερο άζωτο της ατµόσφαιρας ενώνεται το νερό και το οξυγόνο και µε την επίδραση του φωτός µετατρέπεται σε χρήσιµα διαλυτά νιτρικά ιόντα ή άλατα αµµωνίου, τα οποία µπορούν να απορροφηθούν από τις ρίζες των φυτών. Μερικά ψυχανθή φυτά όπως ο αρακάς, τα φασόλια και το τριφύλλι, περιέχουν ειδικά βακτήρια, τα λεγόµενα αζωτοδεσµευτικά βακτήρια, άµεσα διαθέσιµα στα οζίδια που βρίσκονται στις ρίζες των φυτών. Τα βακτήρια αυτά µπορούν να δεσµεύσουν το άζωτο και να το µετατρέψουν σε αµµωνία (καθήλωση του αζώτου). Η βιολογική καθήλωση του αζώτου από τα βακτήρια λαµβάνει χώρα µε τη χρήση ενός ένζυµου που ονοµάζεται νιτρογενάση. Στη συνέχεια, τα φυτά, και τα ζώα που τα τρώνε, µετατρέπουν τα άλατα αµµωνίου, τα νιτρικά και την αµµωνία σε αµινοξέα και πρωτεΐνες. Όταν οι ζωντανοί οργανισµοί πεθαίνουν ή αφοδεύουν, τα βακτήρια µετατρέπουν τα υπολείµµατα ξανά σε άλατα αµµωνίου ή νιτρικά άλατα, ενώ άλλα βακτήρια µετατρέπουν αυτές τις χηµικές ουσίες ξανά σε αέριο άζωτο. Ο φυσικός κύκλος του αζώτου έχει δύο προβλήµατα: • Τα νιτρικά και αµµωνιακά άλατα εκλούονται στα ποτάµια και δεν αντικαθίστανται • ∆εν παράγονται αρκετά φυτά για να ικανοποιήσουν τον αυξανόµενο ανθρώπινο πληθυσµό Οι επιστήµονες πρέπει να υπολογίσουν ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος επαναφοράς του αζώτου στο φυσικό του κύκλο. 18 Η σύνθεση της αµµωνίας Άρθρο 2 _____________________________________ Τα λιπάσµατα που περιέχουν άζωτο παρασκευάζονται από αµµωνία, NH3. Η αναζήτηση προς την παρασκευή της αµµωνίας από τα στοιχεία της, άζωτο και υδρογόνο, τελικά ολοκληρώθηκε το 1908, όταν οι Γερµανοί επιστήµονες Fritz και Habe βρήκαν τρόπο το αέριο άζωτο να αντιδρά άµεσα µε αέριο υδρογόνο. Η διαδικασία έχει εξελιχθεί τα τελευταία χρόνια µε αποτέλεσµα µε τη συµβολή των καταλυτών και των κατάλληλων συνθηκών θερµοκρασίας και πίεσης, η αµµωνία να παρασκευάζεται σε µεγάλη κλίµακα από τρία κοινά συστατικά: • • • άζωτο (από τον αέρα) µεθάνιο (φυσικό αέριο ) νερό (από τα ποτάµια) Μετά την αποµάκρυνση του θείου, το µεθάνιο αντιδρά µε υδρατµούς (αυτή η διαδικασία ονοµάζεται αναµόρφωση) για να δώσει µονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο: CH4 (g) Μεθάνιο + H2O (g) + νερό → CO (g) → µονοξείδιο του άνθρακα + + 3H2 (g) υδρογόνο Το µονοξείδιο του άνθρακα αντιδρά µε ακόµη περισσότερο υδρατµό και σχηµατίζει διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο: CO (g) µονοξείδιο του άνθρακα + + H2O (g) νερό → CO2 (g) → διοξείδιο + + H2 (g) υδρογόνο του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα αποµακρύνεται και µετά, το υδρογόνο αντιδρά µε το άζωτο για να µας δώσει αµµωνία: N2 (g) + 3H2 (g) Άζωτο + υδρογόνο → 2 NH3 (g) → αµµωνία Επειδή όλες αυτές οι αντιδράσεις είναι αµφίδροµες (µπορούν να συµβαίνουν ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις), είναι σηµαντικό οι συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης να είναι προσεκτικά επιλεγµένες, όπως επίσης και ο καταλύτης (ουσία που επιταχύνει την αντίδραση, χωρίς να µεταβάλλεται η σύστασή της). Σήµερα, η αµµωνία παρασκευάζεται σε τεράστιες ποσότητες σε όλο τον κόσµο, µε την Κίνα και την Ινδία πρωτοπόρες στην παραγωγή της. Οι Η.Π.Α. έχουν µειώσει την παραγωγή αµµωνίας την τελευταία δεκαετία εξαιτίας του υψηλού κόστους του φυσικού αερίου, και 19 τώρα εισάγουν περισσότερους από τους µισούς, 15-20 εκατοµµύρια τόνους αµµωνίας, που καταναλώνουν ετησίως. Εναλλακτική Προσέγγιση Παραγωγής Το υδρογόνο για την αµµωνία µπορεί να παρασκευαστεί µε ένα εναλλακτικό τρόπο, µε τη διάσπαση των µορίων νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτό γενικά επιτυγχάνεται µέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης, όπου εφαρµόζοντας µερικά volt τάσης ηλεκτρικού ρεύµατος έχει ως αποτέλεσµα τα ιόντα του υδρογόνου να ανάγονται στο ένα ηλεκτρόδιο και του οξυγόνου να οξειδώνονται στο άλλο. Το παραγόµενο οξυγόνο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για άλλες χηµικές διεργασίες ή να διατίθεται προς πώληση ως ένα σχετικά πολύτιµο υποπροϊόν. Σε αυτή την προσέγγιση παραγωγής της αµµωνίας, δεν παράγεται καθόλου διοξείδιο του άνθρακα, µε δεδοµένο ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται προέρχεται από πηγές που δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον (όπως η υδροηλεκτρική ενέργεια). Απαιτούνται 1910 λίτρα νερού για να παρασκευαστεί ένας τόνος άνυδρης αµµωνίας. Αυτό το ποσό ίσως να φαίνεται εντυπωσιακό, αλλά ακόµη και για την παραγωγή αµµωνίας από φυσικό αέριο απαιτούνται τα µισά (955) λίτρα, κατά τη διαδικασία της αναµόρφωσης. 20 Σε ποιο βαθµό και πόσο γρήγορα; Άρθρο 3 ___________________________________ Σε πολλές χηµικές αντιδράσεις, δεν αντιδρά όλη ποσότητα των αντιδρώντων (µε τα οποία ξεκινάς) για να παράγουν ένα ή περισσότερα προϊόντα (µε τα οποία θα καταλήξεις). Αυτές οι αντιδράσεις είναι αµφίδροµες, το οποίο σηµαίνει πως κινούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Για παράδειγµα, για τη σύνθεση της αµµωνίας, έχουµε: N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Άζωτο και υδρογόνο αντιδρούν για να δώσουν αµµωνία και την ίδια στιγµή η αµµωνία διασπάται για να δηµιουργήσει άζωτο και υδρογόνο. Τελικά, αυτές οι αντιδράσεις ισορροπούν όταν η πρώτη αντίδραση (από αριστερά στα δεξιά) µε τη δεύτερη αντίδραση (από τα δεξιά στα αριστερά) συµβαίνουν µε την ίδια ταχύτητα. Αυτό ονοµάζεται χηµική ισορροπία. Η θέση ισορροπίας µπορεί να µεταβάλλεται: αν κινηθεί προς τα δεξιά, παράγεται περισσότερη αµµωνία. Αν κινηθεί προς τα αριστερά, παράγεται λιγότερη αµµωνία. Μια κίνηση στα δεξιά είναι προφανώς αυτό που έχει ανάγκη η βιοµηχανία. Αυτές οι αλλαγές µπορούν να πραγµατοποιηθούν µε την αλλαγή των συνθηκών (θερµοκρασίας, πίεσης, ή συγκέντρωσης). Οι περισσότερες αντιδράσεις µπορεί να είναι εξώθερµες (η θερµότητα εκλύεται) ή ενδόθερµες (η θερµότητα απορροφάται). Αυτές οι αντιδράσεις προφανώς προκαλούν αλλαγή θερµοκρασίας. Η σύνθεση της αµµωνίας είναι εξώθερµη: Καθώς η αµµωνία παρασκευάζεται, η αντίδραση παράγει θερµότητα. Οι αντιδράσεις που αφορούν αέρια προκαλούν αλλαγές στην πίεση; Αν παραχθούν περισσότερα αέρια µόρια από τα αυτά που αντιδρούν, η πίεση αυξάνεται. Στην σύνθεση της αµµωνίας, η πίεση µειώνεται (1 µόριο N2 και 3µόρια H2 [4 µόρια] παράγουν 2 µόρια NH3 [2 µόρια]). Στην αντίδραση εξουδετέρωσης: εάν οι συνθήκες µεταβληθούν, η χηµική ισορροπία κινείται ώστε να ανατρέψει την αλλαγή. Η σύνθεση της αµµωνίας µπορεί περιληπτικά να δοθεί παρακάτω: N2 (g) + 3H2 (g) χαµηλή θερµοκρασία υψηλή πίεση 2NH3 (g) υψηλή θερµοκρασία χαµηλή πίεση Αν αυξηθεί η θερµοκρασία, η ισορροπία κινείται ώστε να µειώσει τη θερµοκρασία, και έτσι παράγεται λιγότερη αµµωνία. 21 Αν η πίεση αυξηθεί, η ισορροπία κινείται ώστε να µειώσει την πίεση, και έτσι παράγεται περισσότερη αµµωνία. Συνεπώς οι καλύτερες συνθήκες για αύξηση της παραγωγής αµµωνίας είναι χαµηλή θερµοκρασία και υψηλή πίεση. Πολλές χηµικές αντιδράσεις λαµβάνουν χώρα µε συγκριτικά αργούς ρυθµούς. Στην βιοµηχανία, δεν είναι τόσο σηµαντικό να έχουµε υψηλή απόδοση, όσο το να παράγονται τα προϊόντα όσο το δυνατόν πιο γρήγορα, δηλαδή η ταχύτητα της αντίδρασης να είναι µεγάλη. Ένας τρόπος για να αυξήσουµε την ταχύτητα σύνθεσης της αµµωνίας είναι να αυξήσουµε τη θερµοκρασία, αλλά δυστυχώς αυτό µειώνει τη απόδοση παραγωγής της αµµωνίας. Συνήθως επιλέγεται µέτρια θερµοκρασία. Ένας άλλος τρόπος για την αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης είναι η χρήση ενός καταλύτη. Αυτό δεν έχει καµία επίδραση στη θέση της ισορροπίας, και δεν έχει καµία επίδραση στην απόδοση της αντίδρασης. Οι συνθήκες στις οποίες πραγµατοποιείται η σύνθεση της αµµωνίας είναι: • Μέτρια θερµοκρασία (~ 450˚C) • Υψηλή πίεση (200 atm ή 20.265 kPa) • Καταλύτης (σίδηρος) Εποµένως η βιοµηχανική διαδικασία απαιτεί πολύ µεγάλα ποσά ενέργειας. Η δέσµευση του αζώτου στα βακτήρια πραγµατοποιείται από ένα ένζυµο που ονοµάζεται νιτρογενάση. Αυτό αποτελείται από δύο πρωτεΐνες, η µία περιέχει σίδηρο (Fe) και η άλλη περιέχει µολυβδαίνιο (Mo) και σίδηρο (Fe). Το πλεονέκτηµα της βιολογικής δέσµευσης αζώτου αντί της µεθόδου Haber είναι ότι λαµβάνει χώρα σε φυσιολογικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Αυτό σηµαίνει ότι η διαδικασία αυτή απαιτεί λιγότερη ενέργεια. 22 Παρασκευή νιτρικού αµµωνίου Άρθρο 4 ____________________________________ Μέθοδος 1 Φορέστε προστατευτικά γυαλιά! 1. Στερεώστε την προχοΐδα µε ένα στήριγµα, και τοποθετήστε ένα ποτήρι ζέσεως 100 cm³ (mL) κάτω από τη στρόφιγγα. Χρησιµοποιώντας ένα µικρό χωνί, γεµίστε προσεκτικά την προχοΐδα µέχρι το σηµείο 0 µε αραιωµένο νιτρικό οξύ. Ρίξτε λίγο οξύ µέσα στο ποτήρι µέχρι που ο σωλήνας κάτω από τη στρόφιγγα να µην έχει αέρα µέσα του. Ξαναγεµίστε την προχοΐδα µέχρι το σηµείο µηδέν. 2. Χρησιµοποιώντας µία αντλία ή ένα λαστιχένιο πουάρ αναρρόφησης, γεµίστε προσεκτικά το σιφώνιο έως τη χαραγή µε αραιωµένο διάλυµα αµµωνίας 3. α) Μεταφέρετε την αµµωνία στην κωνική φιάλη β) Προσθέσετε 5-10 σταγόνες διαλύµατος δείκτη 4. Προσθέστε προσεκτικά νιτρικό οξύ από την προχοΐδα στη φιάλη, ανακατεύοντας ελαφρώς το υγρό, µέχρι ο δείκτης να αρχίσει να αλλάζει χρώµα. Συνεχίστε να ανακατεύετε, προσθέτοντας µία σταγόνα οξέος κάθε φορά, µέχρι ο δείκτης να αλλάζει χρώµα µε µία µόνο σταγόνα. Κρατήστε σηµειώσεις της ποσότητας του οξέος που προστέθηκε. 23 5. Επαναλάβετε τα βήµατα 1 ως 3 α αλλά µην προσθέσετε το διάλυµα δείκτη. Προσθέστε την ίδια ποσότητα νιτρικού οξέος που χρησιµοποιήσατε πριν. Ρίξτε µέρος του διαλύµατος σε ένα πιάτο κρυστάλλωσης και αφήστε το να κρυσταλλώσει (να γίνει συµπαγές). NH3 (aq) Αµµωνία + + HNO3 (aq) νιτρικό οξύ → → NH4NO3 (aq) διάλυµα νιτρικού αµµωνίου 24 Παρασκευή νιτρικού αµµωνίου Άρθρο 5 _____________________________________ Μέθοδος 2 Φορέστε προστατευτικά γυαλιά! 1. Χρησιµοποιώντας ογκοµετρικό κύλινδρο τοποθετούµε 10cm³ (mL) διαλύµατος αµµωνίας σε µία κωνική φιάλη. 2. Χρησιµοποιώντας ένα δεύτερο ογκοµετρικό κύλινδρο, προσθέτουµε 10cm³ αραιωµένου νιτρικού οξέος στο διάλυµα της αµµωνίας στη φιάλη. Ανακατεύουµε τη φιάλη µε µία γυάλινη ράβδο και ελέγχουµε το διάλυµα ρίχνοντας σταγόνες που πήραµε µε τη ράβδο πάνω σε ένα πεχαµετρικό χαρτί. 3. Εάν η ουσία είναι όξινη, προσθέστε µία σταγόνα αµµωνίας χρησιµοποιώντας σταγονόµετρο. Εάν η ουσία είναι βασική (αλκαλική) προσθέστε µία σταγόνα νιτρικού οξέος µε το σταγονόµετρο. Ανακατέψτε και ελέγξτε το διάλυµα µε µία γυάλινη ράβδο και ένα πεχαµετρικό χαρτί. 4. Επαναλάβετε το βήµα 3 µέχρι το διάλυµα να γίνει ουδέτερο (πράσινο, ή να αλλάζει το χρώµα µε µία µόνο σταγόνα τη φορά). 5. Ρίξτε λίγο από το διάλυµα σε ένα πιάτο κρυστάλλωσης και αφήστε να εξατµιστεί το νερό. NH3 (aq) + HNO3 (aq) → Αµµωνία νιτρικό οξύ NH4NO3 (aq) διάλυµα νιτρικού αµµωνίου 25 Λιπάσµατα και Ανάπτυξη Άρθρο 6 __________________________ 1. Σε 100cm³ (mL) απεσταγµένου νερού διαλύουµε περίπου 4g λιπάσµατος και το ρίχνουµε σε κωνική φιάλη 100cm³. 2. Τοποθετούµε 100cm³ απεσταγµένου νερού σε µία δεύτερη κωνική φιάλη 100cm³. 3. Παίρνουµε δύο σπορόφυτα ίδιου µεγέθους (σιτάρι, κριθάρι, ή κουκιά ) και τοποθετούµε το καθένα σε µία τρύπα που διαπερνά ένα χαρτόνι ώστε τα φυτά να υποστηρίζονται. 4. Τοποθετούµε ένα σπορόφυτο µέσα στη µια κωνική φιάλη και το άλλο στο διάλυµα µε το λίπασµα, έτσι ώστε οι ρίζες τους να βρίσκονται µέσα στο υγρό. 5. Αφήνουµε τα σπορόφυτα για δυο-τρεις εβδοµάδες, συµπληρώνοντας µε απεσταγµένο νερό αν είναι απαραίτητο ώστε οι ρίζες να βρίσκονται πάντα στο υγρό. Ίσως είναι απαραίτητη η παροχή αέρα µε ένα καλαµάκι στο υγρό για να είναι βέβαιο ότι παρέχεται αρκετό οξυγόνο στις ρίζες. 6. Σηµειώνουµε τις διαφορές στην ανάπτυξη των φυτών σε αυτή τη χρονική περίοδο. Το παραπάνω πείραµα περιγράφει µία µέθοδο που ερευνά τι συµβαίνει όταν τα φυτά αναπτύσσονται µε ή χωρίς λιπάσµατα. Το λίπασµα που χρησιµοποιείται σε αυτό το πείραµα στην πραγµατικότητα θα µπορούσε να περιέχει όχι µόνο άζωτο (αλλά και κάλιο και φώσφορο καθώς και άλλα ανόργανα στοιχεία απαραίτητα για την υγιή ανάπτυξη του φυτού). Θα χρειαστεί να σχεδιάσετε την έρευνα διαφορετικά ώστε να µπορέσετε να εκτελέσετε την εργασία και να δείτε την επίδραση της χρήσης αζώτου ή όχι στην ανάπτυξη των φυτών. Θα µπορούσατε επίσης να χρησιµοποιήσετε διαφορετικές ποσότητες αζώτου στο διάλυµα. Στη 26 συνέχεια θα µπορέσετε να δώσετε µία σχετική περιγραφή στο φυλλάδιο της παρούσας έρευνας, για να δείξετε τι συµβαίνει όταν τα φυτά αναπτύσσονται χωρίς ή µε λίγο άζωτο.
© Copyright 2024 Paperzz
