Chemia fizyczna

Prowadzący

Czas Trwania Warsztatów

25 godzin lekcyjnych (5 dni po 5 godzin lekcyjnych)

Chemia fizyczna

Warsztaty z pogranicza chemii, fizyki i matematyki

Warsztat poświęcony chemii fizycznej, a więc nauce (z definicji) zajmującej się badaniem zjawisk makroskopowych, atomowych, subatomowych i międzycząsteczkowych w układach chemicznych uwzględniając prawa i pojęcia fizyki. Stosuje się zasady i pojęcia fizyki, takie jak ruch, energia, siła, czas, termodynamika… brzmi skomplikowanie? Być może, co nie znaczy, że nie możemy sobie z tym poradzić. Prościej mówiąc zajmiemy się spojrzeniem na te same eksperymenty od strony fizyka i chemika, postaramy się zrozumieć, jaki związek ma jedna dziedzina nauki z drugą i czy takie spojrzenie pozwala na pełniejszy opis eksperymentów laboratoryjnych.

Do kogo kierowany jest ten warsztat?

Warsztat kierowany do uczniów liceów i techników, zainteresowanych interdyscyplinarnym podejściem do badania układów chemicznych (ciał stałych, mieszanin, roztworów itp.) od strony fizyki, chemii, a także komputerowej analizy danych. Dla osób rozważających wybór kierunków studiów związanych z fizyką, chemią, technologią chemiczną, inżynierią chemiczną itp.

Czy są jakieś specjalne wymagania?

Bardzo dobre rozumienie następujących zagadnień z:

  •        fizyki: kinematyka, formy energii, podstawy termodynamiki;
  •        matematyki: przekształcanie wzorów, rozwiązywanie równań i nierówności, pojęcie funkcji;
  •        technologii informacyjnej: umiejętność korzystania z chmur danych.

Dlaczego warto wziąć udział w tym warsztacie?

Podczas warsztatu uczestnicy:

  •          rozszerzą wiedzę z zakresu reakcji chemicznych;
  •          wzbogacą wiedzę z zakresu budowy molekularnej substancji;
  •          poznają narzędzia badawcze, służące do analizy i modelowania budowy przestrzennej materiałów;
  •          poszerzą wiedzę z zakresu matematyki (matematyczne modele opisu materiałów);
  •          poznają podstawy komputerowej analizy danych i modelowania struktur przestrzennych materiałów;
  •          połączą elementy chemii, fizyki i matematyki z elementami komputerowej analizy danych w celu lepszego zrozumienia omawianych zagadnień.

Program warsztatu

Dzień pierwszy

Przypomnienie podstawowych pojęć z dziedziny fizyki i chemii, takich jak masa molowa i cząsteczkowa, wartościowość pierwiastków, formy energii tp.. Zajmiemy się także obliczaniem stechiometrii reakcji chemicznych i sprawdzaniem ich wyników w praktyce. Zajęcia wprowadzą też uczestników w sposoby poprawnego i konstruktywnego prowadzenia dziennika obserwacji laboratoryjnych (lub im to przypomną 😉).

Zadania:

  •          przyswojenie (lub odświeżenie) podstawowych pojęć dotyczących reakcji chemicznych;
  •          obliczanie stechiometrii reakcji na praktycznych przykładach;
  •          wykonanie wg obliczeń i pod opieką instruktora reakcji chemicznych (praca w zespołach);
  •          uzupełnianie dziennika laboratoryjnego.

Dzień drugi

Przemiany fazowe w reakcji chemicznej

Dzień zajęć poświęcony na utrwalenie wiadomości związanych z obliczaniem stechiometrii reakcji i odświeżeniu wiedzy o podstawowych (i nie tylko) stanach skupienia. Dowiemy się jak zmiany stanów skupienia opisze fizyk, a jak chemik (i czy da się to jakoś pogodzić 😉 ), jakie przemiany są możliwe i dlaczego. Wprowadzimy również pojęcia m. in. diagramu fazowego i składów eutektycznych. Zajmiemy się też przeprowadzaniem takich zmian w praktyce.

Zadania:

  •          przyswojenie (lub odświeżenie) pojęć dotyczących stanów skupienia ciał stałych;
  •          przeprowadzenie pod opieką instruktora konkretnych reakcji (praca w grupach);
  •          uzupełnienie dziennika laboratoryjnego o nowe wnioski z zajęć.

Dzień trzeci

Budowa (bardzo)mikroskopowa ciał stałych

Nie trzeba dodawać wiele więcej do tematu. Zajmiemy się tym, z jakich charakterystycznych cech budowy wewnętrznej ciał wynikają różne stany skupienia, a także właściwości substancji, jak opisać je od strony fizycznej i za pomocą matematyki (modeli teoretycznych), a jak chemii. Dlaczego szkło jest przezroczyste? Z jakiego powodu jedne ciała są kruche, a inne giętkie? Co to znaczy, że jedne ciała są uporządkowane, a inne chaotyczne? Część zajęć poświęcimy również na modelowanie struktur przy wykorzystaniu specjalistycznych programów do analizy.

Zadania:

  •          rozszerzenie wiedzy o szczególnych cechach budowy materiałów;
  •          poznanie różnic pomiędzy substancjami o strukturze uporządkowanej i nieuporządkowanej;
  •          wnioskowanie o konsekwencjach konkretnego typu budowy dla właściwości materiałów;
  •          wykorzystanie programów do analizy i obróbki danych;
  •          uzupełnienie dziennika laboratoryjnego.

Dzień czwarty

Warsztat poświęcony w całości na „kolorowe” reakcje chemiczne – zajmiemy się zmianami koloru materiałów w określonych warunkach i przyczynami takich efektów, a także interpretacją kolorów przez różnych eksperymentatorów (a te bywają nieraz bardzo rozbieżne 😉). Stworzymy też całkiem zabawną, kolorową (ale zupełnie bezpieczną!) rzecz, którą każdy będzie mógł zabrać ze sobą.

Zadania:

  •          rozszerzanie wiedzy o wpływie warunków i budowy substancji na przebieg reakcji chemicznej;
  •          wykonywanie reakcji pod okiem instruktora (praca w grupach);
  •          uzupełnianie dziennika laboratoryjnego.

Dzień piąty

Reakcje endo- i egzotermiczne – kontrolowane (mini)wybuchy

Zapewne najbardziej ekscytujący dzień zajęć. Zajmiemy się bowiem reakcjami endotermicznymi (wymagającymi dostarczenia ciepła) i egzotermicznymi (które to ciepło oddają, nieraz bardzo widowiskowo 😉) od strony ich wykonania oraz opisu termodynamicznego. Dzień wymagający skupienia, uważnego obliczania stechiometrii, ale efekt będzie piorunujący!

Zadania:

  •          rozszerzanie wiedzy o wpływie warunków i budowy substancji na przebieg reakcji chemicznej;
  •          wykorzystanie wiedzy z dziedziny termodynamiki do opisu reakcji chemicznej;
  •          przeprowadzenie pod opieką instruktora konkretnych reakcji (praca w grupach);
  •          uzupełnienie dziennika laboratoryjnego.

Nauki ścisłe zaczynają się od założenia, że w końcu będzie można zrozumieć naturę, w każdej, nawet całkiem nowej dziedzinie, ale nie możemy czynić żadnego założenia a priori, co do znaczenia słowa ‘zrozumieć’.

Weiner Heisenberg