Sztuczne drzewa

Poprawna odpowiedź

1. Nie,

2. Tak,

3. Tak.

Wymaganie ogólne

1.1 Pozyskiwanie, przetwarzanie i tworzenie informacji. Uczeń pozyskuje i przetwarza informacje z różnorodnych źródeł z wykorzystaniem technologii informacyjno – komunikacyjnych.
2.2 Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń zna związek właściwości różnorodnych substancji z ich zastosowaniami i ich wpływ na środowisko naturalne;

Wymaganie szczegółowe

4.1 Powietrze i inne gazy. Uczeń wykonuje lub obserwuje doświadczenie potwierdzające, że powietrze jest mieszaniną/ opisuje skład i właściwości powietrza.
4.10 Powietrze i inne gazy. Uczeń wymienia źródła, rodzaje i skutki zanieczyszczeń powietrza/ planuje sposób postępowania pozwalający chronić powietrze przed zanieczyszczeniami.
8.9 Węgiel i jego związki z wodorem. Uczeń zapisuje równanie reakcji polimeryzacji etenu/ opisuje właściwości i zastosowania polietylenu.

Komentarz

Zadanie „Sztuczne drzewa” porusza w interesujący dla uczniów sposób dwa niezwykle ważne problemy z zakresu ochrony środowiska: oczyszczanie powietrza z nadmiaru gazu cieplarnianego oraz recykling odpadów będących tworzywami sztucznymi. Dwutlenek węgla jest najistotniejszym gazem cieplarnianym pochodzenia antropogenicznego.

Rocznie do atmosfery uwalnianych jest ok. 35 Gt dwutlenku węgla (dane z 2012 r.) wytwarzanego podczas spalania paliw kopalnych, co stanowi ok. 70% światowej emisji tego gazu. Konsekwencje w postaci wzrostu średnich temperatur powietrza i globalnego ocieplania klimatu zmuszają do poszukiwania efektywnych metod redukcji stężenia CO₂ w atmosferze.

W zadaniu opisano zastosowanie jednej z nowatorskich metod oczyszczania powietrza w zanieczyszczonych aglomeracjach miejskich, gdzie stężenie CO₂, pochodzącego ze spalania węgla w elektrowniach, elektrociepłowniach i zakładach przemysłowych oraz ze spalin samochodowych jest szczególnie wysokie. W metodzie opracowanej przez Klausa Lacknera „liście” sztucznego drzewa miałyby wychwytywać CO₂ przy wykorzystaniu reakcji chemicznej z wodorotlenkiem sodu lub wapnia. Roztwór wodorotlenku wraz z powstającym węglanem miałby być przepompowywany przy użyciu pompy napędzanej energią wytwarzaną w ogniwach słonecznych. Powietrze oczyszczone z dwutlenku węgla jest uwalniane z powrotem do atmosfery.

Z założenia „sztuczne drzewa” mają być przyjazne środowisku, dlatego do ich wytwarzania zaproponowano pochodzący z recyklingu poli(tereftalan etylenu), tzw. PET. Odkąd w połowie lat siedemdziesiątych XX wieku tworzywa tego zaczęto używać do wytwarzania opakowań, głównie butelek do napojów, folii i opakowań do chemii gospodarczej, PET stał się jednym z najbardziej kłopotliwych odpadów naszych czasów. PET jest tanim i łatwym w wytwarzaniu materiałem, którego masowa produkcja przewyższa możliwości selektywnej zbiórki i przetwarzania odpadów. Tony plastikowych opakowań zalegają na wysypiskach śmieci bez szans na ponowne wykorzystanie, dlatego każda inicjatywa zagospodarowania PET pochodzącego z recyklingu jest godna uwagi. Warto poruszyć tę kwestię, jeśli zadanie będzie analizowane na lekcji bardziej szczegółowo. 

W zadaniu badana jest umiejętność złożona – analiza właściwości substancji pod kątem zastosowań, opisana w wymaganiach ogólnych podstawy programowej następującym podpunktem: II.2. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń zna związek właściwości różnorodnych substancji z ich zastosowaniami i ich wpływ na środowisko naturalne.

Należy podkreślić, że wiadomości dotyczące właściwości fizykochemicznych PET wykraczają poza wymagania nowej podstawy programowej dla chemii na poziomie gimnazjalnym, ale uczniowie w ogóle nie muszą znać właściwości tego tworzywa, aby prawidłowo rozwiązać zadanie. Wystarczy, że przeczytają uważnie wstęp do zadania i zauważą, że sztuczne drzewo – jak każde drzewo – będzie narażone na wpływ czynników atmosferycznych, a zatem powinno być odporne na deszcz i wiatr.

Uczeń powinien wydedukować, że tworzywo, z którego można wykonać sztuczne drzewo, powinno być odpowiednio sztywne i twarde, aby jego konstrukcja nie ulegała odkształceniom pod wpływem porywistych wiatrów czy gromadzącego się śniegu (pytanie 3). Odpowiedź na pytanie 2. wymaga zauważenia, że aby sztuczne drzewo nie ulegało degradacji pod wpływem deszczu czy topniejącego śniegu, nie może być zrobione z rozpuszczalnego w wodzie materiału. Najwięcej trudności może sprawić uczniom odpowiedź na pytanie 1., ponieważ odporność na rozpuszczalniki organiczne jest niewątpliwą zaletą i uczniowie mogą się zasugerować tym faktem przy wyborze odpowiedzi.

Uczeń, który wie, czym są rozpuszczalniki organiczne, po przeanalizowaniu warunków środowiskowych, w jakich będą stały sztuczne drzewa, powinien dojść do wniosku, że nie jest to właściwość niezbędna, ponieważ w otoczeniu drzew będą występować głównie związki nieorganiczne. Jeśli nauczyciel zdecyduje się omówić to zadanie z podaniem dodatkowych informacji o reakcji chemicznej wykorzystywanej w metodzie Lacknera, to uczniowie powinni również zauważyć, że zarówno wodorotlenki sodu i wapnia, jak i węglany tych metali są substancjami nieorganicznymi, a więc PET powinien być odporny przede wszystkim na tę grupę substancji.

Nauczyciele mogą także przedyskutować z uczniami inne aspekty konstrukcji „sztucznych drzew”, np. wykorzystanie w nich baterii słonecznych jako źródła energii odnawialnej, nakładające konieczność użycia przezroczystego tworzywa, albo budowę „konarów” zainspirowaną strukturą korony drzewa z gatunku Dracaena cinnabari. Korona „sztucznego drzewa” w kształcie parasola stanowi doskonałą platformę do przetwarzania energii słonecznej w ogniwach fotowoltaicznych, a zarazem pozwala na swobodny przepływ oczyszczanego powietrza. Umożliwia także montaż oświetlenia LED na gałęziach przypominających pęcherzyki. Otrzymanie takich kształtów konstrukcji możliwe jest dzięki dużej plastyczności PET, a zarazem odpowiedniej sztywności materiału po przetworzeniu. Tworzywo użyte do wytworzenia drzew musi być twarde i sztywne również dlatego, że dodatkowym źródłem energii elektrycznej w „sztucznych drzewach” są urządzenia przetwarzające energię kinetyczną z zamontowanych w dolnej część drzewa huśtawek.

W jednej z wcześniejszych wersji tego zadania tworzywem użytym do produkcji „sztucznych drzew” mógł być polietylen (PE). Chociaż znajomość właściwości i zastosowania PE jest ujęta w punkcie 8.9 podstawy programowej, to z wywiadów przeprowadzonych z uczniami wynikało, że nie wiedzą oni, co to jest polietylen, nie kojarzą tej nazwy z produktami używanymi na co dzień, bądź nie mieli tego tematu na lekcji. Z tego względu zadanie przekształcono tak, by uczniowie nie musieli znać właściwości tworzywa sztucznego. Oczywiście w treści zadania można użyć polietylenu zamiast PET, choć wtedy zadanie straci „na prawdziwości” podanych informacji.  

Słowa kluczowe