שרה שני - מורה לכימיה, תיכון רביבים והגימנסיה הריאלית, ראשון לציון מכון דוידסון, מכון ויצמן למדע

במאמר זה מתוארת עבודה שביצעו תלמידיי במסגרת יחידת המעבדה בדגש תעשייתי - המיזם התעשייתי. בעבודה זו באה לידי ביטוי המיוחדות של יחידת מעבדה זו ביחס ליחידות מעבדה אחרות שכן היא כוללת ומשלבת בתוכה את המרכיבים הבאים:

• דגש תעשייתי - הדגשת היבטים רלוונטיים ויישומיים של הכימיה בתעשייה הכימית וההשלכות שלה על חיי היומיום.
• דגש על הקניית מיומנויות מידענות ותקשוב - חיפוש מידע ברשת והתמודדות עם מקורות מידע והערכתם.
• שילוב ניסויי מעבדה בסגנון של ניסויי חקר על-פי תכנית הלימודים החדשה בכימיה עם משימות תיכון שבהן אנו עושים שימוש בעקרונות כימיים ותעשייתיים לחקר ולתכנון של מוצרים המשמשים אותנו בחיי היומיום.

העבודה שנושאה "פחית הפלא" תוכננה בעקבות כתבה שפורסמה בעיתון "ידיעות אחרונות" ובה מסופר על פיתוח של פחית משקה שמתחממת בלחיצת כפתור, וכעבור 3 דקות ניתן לשתות ממנה קפה נמס חם. בכתבה יש גם תרשים סכמטי של הפחית, ללא פירוט החומרים המצויים במערכת.

מי מאתנו לא ישמח להשתמש בפחית כזו? איך לא חשבו על פטנט כזה קודם?

את הכתבה, את דפי העבודה לתלמידים, את דפי ההנחיה למורים ואת המחוון להערכת התלמידים ניתן למצוא באתר הלימודי "כימיה ותעשייה כימית בשירות האדם" שכתובתו היא:

http://stwww.weizmann.ac.il/g-chem/learnchem מיזם תעשייתי → אוסף ניסוים ברמות שונות של חקר

העבודה בכיתה בנויה מ-3 שלבים:
שלב א': קריאה ודיון בכתבה, תוך שימוש בידע הכימי שנלמד, וחיפוש אחר נתונים (החשובים לתכנון המערכת והניסוי) באתרי אינטרנט. התלמידים עונים על השאלות האלה:

מהו עיקרון הפעולה של פחית הפלא? פרטו. נסו לחשוב על "זוג חומרים כימיים" שמסוגלים לבצע את פעולת החימום המתוארת בכתבה. פרטו וענו: א. אילו תכונות אתם "מחפשים"? ב. העלו הצעות לזוג/זוגות של חומרים מתאימים. ג. רשמו נוסחאות, מצבי צבירה וניסוח תגובה לכל זוג חומרים שהצעתם. ניתן להשתמש בספר הלימוד, ספר נתונים, מאגרי מידע.... חשבו את כמות האנרגיה הדרושה לחימום כוס הקפה. פרטו את חישוביכם. נתונים: נפח הקפה - 150 מ"ל. טמפ' התחלתית של המים - 25°C צפיפות של מים - 1 גר'/מ"ל. הטמפ' הדרושה להכנת הקפה - 65°C (אפשר לבחור נתונים אחרים). חום סגולי של מים - 4.2 ג'ול/גר' מעלה. מהן הדרישות הבטיחותיות מ"החומרים הכימיים" המתאימים לשימוש בפחית הפלא? פרטו. מאיזה חומר או מאילו חומרי מבנה צריכה להיות בנויה הפחית? פרטו. חפשו מידע בטיחותי על החומרים שבחרתם, באתר שכתובתו היא: http://physchem.ox.ac.uk/MSDS או באתרי MSDS אחרים (אלו הם אתרים המכילים מידע בטיחותי על חומרים שונים) והעתיקו את הנתונים שנראים לכם חשובים. (הערה: עליכם לחפש את החומר על-פי סדר אותיות ה-ABC.)

בשלב זה התלמידים חוזרים על הנלמד בכיתה י"א: הם מחפשים תגובות אקזותרמיות (חמצון-חיזור, חומצות ובסיסים) ומחשבים את Q הדרוש לתהליך.

כמו-כן הם נחשפים להיבטים בטיחותיים וטכנולוגיים של מוצרים - שלב הכרחי בפיתוח של כל מוצר.

שלב ב': תכנון וביצוע ניסוי לחישוב HD של התגובה.

תכננו ובצעו ניסוי לחישוב HD של התגובה שבחרתם. היעזרו במורה לקביעת ריכוזים וכמויות.

בניסוי זה התלמידים בוחרים תגובה אקזותרמית כלשהי, קובעים כמויות ומתכננים את הניסוי.

אנחנו החלטנו בשלב זה "ליישר קו" ובחרנו ביחד תגובה אחת שכל תלמידי הכיתה יבצעו, כמובן עם כמויות שונות של חומרים. התגובה שנבחרה הייתה תגובת חמצון-חיזור בין תמיסת נחושת כלורית - CuCl2 - לבין רדיד אלומיניום - Al(s). התגובה אקזותרמית ומרשימה מאוד.

בסופו של ניסוי חישבנו את HD הממוצע על-פי התוצאות שקיבלו כל הקבוצות.

המטרה של שלב זה היא להזכיר לתלמידים כיצד לבצע ניסויים בנושא של אנרגיה ולהדגיש היבטים בטיחותיים וטכנולוגיים אשר באים לידי ביטוי ב"פחית הפלא".

שלב ג': תכנון וביצוע ניסוי חקר

בחלק זה של העבודה עליכם לתכנן ניסוי מעבדתי שבו תוכלו לחקור את התגובה שבחרתם. לשם כך עליכם לנסח תחילה "שאלת חקר". השאלה צריכה להיות מנוסחת בצורה הבאה: כיצד משפיע (המשתנה הבלתי תלוי) על (המשתנה התלוי)? עליכם לציין ולהדגיש: אילו גורמים נשארו קבועים? מה המשתנה התלוי? מה המשתנה הבלתי תלוי? רשמו בקצרה השערה מנומקת לגבי מה שצפוי, לדעתכם, להתרחש בניסוי. התבססו בהשערתכם על ידע קודם ועל מידע שאספתם במהלך החיפוש באתרי מידע. תכננו ניסוי שמטרתו לבדוק את ההשערה שניסחתם. הניסוי צריך לכלול: מהלך עבודה מדויק. רשימת ציוד וחומרים הדרושים לכם לביצוע הבדיקה, כולל כמויות וריכוזים. טבלה לרישום תוצאות המדידות והחישובים. הגישו את התכנית לאישור המורה. ביצוע הניסוי בצעו את הניסוי שתכננתם ובכל שלב רשמו את התצפיות ואת תוצאות המדידות בצורה ברורה ומסודרת. עיבוד התוצאות, מסקנות וסיכום סכמו, נתחו והסבירו את תוצאות הניסוי תוך התייחסות לשאלת החקר ולהשערה. במידת הצורך ערכו טבלאות ושרטטו גרפים. אילו גורמים עלולים לגרום לאי-דיוק בניסויים שביצעתם? הציעו דרכים לשיפור הניסוי. אילו שאלות ורעיונות נוספים מתעוררים בעקבות הניסוי? ציינו מה היה חלקו של כל אחד מחברי הקבוצה בעבודה. ציינו את הקשר בין נושא העבודה לבין: א. תכנית הלימודים. ב. התעשייה הכימית. ג. כימיה בחיי היומיום.

כיצד מנסחים שאלות חקר?
לצורך כך נוח מאוד לבנות תרשים המתאר את המערכת (המשתנה הבלתי תלוי) ואת התצפיות (המשתנה התלוי). שיטה זו מבוססת על גישה שהוצגה על-ידי רולי אינטרטור, תיכון אזורי "הרצוג", בית חשמונאי בכנס מורים והותאמה על-ידי רותי שטנגר, עירוני ג' חיפה.
http://www.mkm-haifa.co.il/schools/ironig/chemistry/inthelab.htm
בשלב ראשון אנו מתייחסים לכל מרכיב במערכת ומפרטים את כל המשתנים האפשריים לגביו.
בשלב השני ניתן "לחבר" כל מרכיב במערכת לכל מרכיב בתצפיות ולנסח לגביהם שאלת חקר.

בניסוח השאלות חשוב להקפיד על העקרונות האלה:

1. השאלה איננה טריוויאלית - התשובה איננה ברורה מראש.
2. השאלה מבטאת קשר בין המשתנים.
3. השאלה חד-משמעית.
4. ניתן לברר את השאלה על-ידי ניסוי שמתאים למעבדת בית הספר.

הערה: בניסוי שערכנו בכיתתי, הוגדר tD כגורם קבוע בכל הניסויים, בהנחה שיש טמפרטורה רצויה לשתיית הקפה. ולכן הזמן היה המשתנה התלוי היחיד. ניתן כמובן לתת לתלמידים לבחור ב- tD שונים, ובהתאם לזה יוגדר משתנה תלוי נוסף שהוא tD.

דוגמאות לשאלות חקר של תלמידים:

1. כיצד משפיע סוג החלב על זמן החימום?
2. כיצד משפיע סוג הממתיק על זמן החימום?
3. כיצד משפיע החומר שממנו עשוי הכלי הפנימי על זמן החימום?
4. כיצד משפיעה כמות החלב על זמן החימום?
5. כיצד משפיעה צורת הכלי הפנימי על זמן החימום?
6. כיצד משפיע מופע הנחושת כלורית (תמיסה, אבקה) על זמן החימום?

בכיתתי בחרו רוב הקבוצות לבדוק את השפעת מרכיבי הקפה על זמן החימום. אף קבוצה לא בחרה לחקור את מרכיבי התגובה הכימית. ולכן בדיון משותף הוחלט לבצע את החימום באמצעות פלטה חשמלית או מבער בונזן ולא באמצעות התגובה שנבחנה בשלב הקודם; שכן שיטת החימום היא גורם קבוע ולא חלק מהמשתנים בשאלת החקר.



תוצאות של ניסויי התלמידים

כיצד משפיע סוג הממתיק על זמן החימום?
בתכנון הניסוי התלבטו התלמידים לגבי הכמויות שצריך לקחת מכל ממתיק (גורם קבוע). בסופו של דבר הם החליטו לקחת מכל ממתיק כמות מתאימה כך שהקפה "יהיה טעים":
2 כפיות סוכר, 2 טבליות סוכרזית, כפית גדושה של דבש...
הגורמים הקבועים היו: נפח הקפה, סוג החלב וכמותו, הכלי שבו בוצע החימום, שיטת החימום (פלטה חשמלית).
המדידות הראו כי:

מתוצאות הניסוי עולה כי יש השפעה לסוג הממתיק וכנראה גם לכמות הממתיק על החום הסגולי של התמיסה. מובן שהתלמידים העירו כי בחישובים שתמיד עשינו, התעלמנו ממומסים הנמצאים בתמיסה והשתמשנו בחום הסגולי של מים. אך כאן ריכוז המומסים גבוה מאוד, ולכן השפעתם ניכרת.

בדיקת השפעת אחוז החלב על מהירות החימום.

כיצד משפיעה כמות החלב על זמן החימום?
הגורמים הקבועים בניסוי היו: נפח הקפה, סוג החלב, הכלי שבו בוצע החימום, צורת החימום (פלטה חשמלית). המדידות הראו כי: ככל שכמות החלב גדולה יותר - זמן החימום עולה. גם כאן הייתה למומס השפעה ניכרת על החום הסגולי של הקפה.

בדיקת השפעת סוג הממתיק על מהירות החימום.

כיצד משפיע החומר שממנו עשוי הכלי הפנימי על זמן החימום?
הגורמים הקבועים היו: הקפה על כל מרכיביו, גוף החימום (פלטה חשמלית).
התוצאות שהתקבלו התאימו לידע של התלמידים בנושא מבנה וקישור:

לסיכום

התלמידים נהנים מאוד.

המטרות הלימודיות מושגות (מיומנויות ותכנים).

הניסוי מעודד את לימודי הכימיה בבית הספר.

הניסוי משפר את הישגי התלמידים.

את שיעור המעבדה סיימנו בשתיית כוס קפה - לא במעבדה, כמובן.