Fulguryt

Poprawna odpowiedź

1) A

2) A. Fałsz, B. Prawda, C. Prawda

Wymaganie ogólne

Wymaganie szczegółowe

Komentarz

Prezentowane zadanie bada umiejętność korzystania z chemicznych tekstów źródłowych, a także analizy, oceny i krytycznego przetwarzania informacji. Tekst dotyczący fulgurytu jest dobrą okazją do twórczego wykorzystania nabytej na lekcjach chemii wiedzy dotyczącej właściwości i zastosowania tlenku krzemu(IV) (krzemionki) oraz procesu otrzymywania tworzyw sztucznych. Zderzenie tych dwóch, zdawałoby się osobnych zagadnień, zmusza do myślenia i krytycznego spojrzenia na przedstawione informacje. Czy fulguryt powstający podczas wyładowań atmosferycznych poprzez uderzenie pioruna w ziemię jest szkłem czy tworzywem sztucznym? Czy uczniowie wiedzą, czym jest tworzywo sztuczne i szkło? Czy wiedzą, jak się je otrzymuje? Czy istnieje jakaś wspólna cecha budowy dla tych materiałów? Z kursu podstawowego chemii w szkołach ponadgimnazjalnych uczniowie powinni wiedzieć przynajmniej tyle, że tworzywo sztuczne to materiał zawierający związek wielkocząsteczkowy zwany polimerem oraz dodatki mające wpływ na jego właściwości, np. plastyfikatory, napełniacze, pigmenty czy stabilizatory. Polimery syntetyczne powstają w procesie polimeryzacji w odpowiednio kontrolowanych warunkach temperatury i ciśnienia oraz z udziałem inicjatorów lub katalizatorów inicjujących pęknięcie wiązania wielokrotnego. Związki takie składają się z powtarzalnych ugrupowań atomów zwanych merami i mają duże masy cząsteczkowe. Z kolei szkło to materiał powstający w wyniku stopienia krzemionki SiO₂ z dodatkiem innych substancji, takich jak węglan wapnia CaCO₃ czy węglan sodu Na₂CO₃. Szkło ma budowę bezpostaciową (amorficzną), nie ma więc uporządkowanej struktury przestrzennej, tak jak polimery.

Zadanie miało sprawdzić, jak uczniowie rozumieją procesy produkcji szkła i tworzyw sztucznych. Piorun (bez dokładnego wnikania w procesy fizyczne) to potężny przeskok ładunku elektrycznego pomiędzy chmurami burzowymi a powierzchnią ziemi. Piorun niesie ze sobą ogromną energię, która, uderzając w powierzchnię ziemi, wydziela się na sposób ciepła. Temperatura wytwarzana przez piorun jest tak wysoka, że wystarcza do stopienia krzemionki zawartej w ziemi w miejscu uderzenia. Należy dodać, że powierzchnia ziemi nie zawiera jedynie piasku (krzemionki), ale również inne związki, np. węglany czy próchnicę (humus), dlatego krzemionki nie można uważać za jedyny substrat w procesie powstawania fulgurytu.

Prawidłowy schemat dojścia do rozwiązania zadania zakłada oczywiście, że powstawanie fulgurytu przypomina produkcję szkła. Tworzywa sztuczne należało odrzucić, ponieważ krzemionka jest stosowana w procesie produkcji tworzyw sztucznych przeważnie jako dodatek, a nie surowiec podstawowy (wyjątek stanowią polisiloksany i różnego rodzaju silikony), ponadto stopienie tworzywa jest możliwe tylko w przypadku termoplastów, a nie duroplastów.

Druga część zadania polega na ustosunkowaniu się do stwierdzeń uzasadniających wybór w  pierwszej części tego zadania. W myśl uzasadnienia A krzemionka nie jest jedynym surowcem w procesie powstawania fulgurytu i w produkcji szkła. Uczniowie powinni wiedzieć, że do wytwarzania szkła stosowane są również inne substancje (np. węglan wapnia) oraz że powierzchnia ziemi nie jest zbudowana wyłącznie z krzemionki. Uzasadnienie B wskazuje, że tworzenie strzałki piorunowej przypomina proces produkcji szkła, ponieważ w obu procesach zachodzi stopienie surowców. Uzasadnienie B odwołuje się do nabytej na lekcjach wiedzy uczniów o produkcji szkła, jak również do wstępu do zadania, z którego wynika, że fulguryt również powstaje ze stopienia surowca (krzemionki). Dojście do prawdziwego uzasadnienia C powinno uwzględniać zarówno wiedzę ucznia o tym, że podczas produkcji szkła krzemionka jest stapiana w bardzo wysokiej temperaturze w piecu hutniczym, jak i informacje pochodzące z tekstu na temat stapiania krzemionki w wyniku uderzenia pioruna.

Zadanie to zostało zbadane na grupie 213 uczniów z klas I szkół ponadgimnazjalnych. W przypadku 1 części zadania 63% udzieliło odpowiedzi poprawnej. Prawdopodobieństwo rozwiązania tej części zadania drogą losową wynosiło 50%, zatem wynik ten nie jest szczególnie dobry. Ponadto 9% uczniów nie udzieliło odpowiedzi na to pytanie w ogóle. Dalsza analiza odpowiedzi wykazała, że byli to uczniowie, którzy uzyskali słabe wyniki z całego testu. Pytanie wyraźnie zróżnicowało uczniów pod względem umiejętności – uczniowie, którzy uzyskali dobre wyniki w całym teście, częściej wskazywali odpowiedź poprawną. Jakie mogły być przyczyny udzielenia błędnej odpowiedzi na to pytanie? Dystraktor „tworzywo sztuczne” okazał się dla wielu uczniów mylący. Przypuszczalnie część uczniów nie wiedziała, z czego powstaje szkło lub co to jest krzemionka i pomyliła proces produkcji szkła z procesem produkcji tworzywa sztucznego. Niewykluczone też, że proces powstawania szkła skojarzył się niektórym uczniom z procesem produkcji tworzyw sztucznych, ponieważ istnieją tworzywa przypominające szkło. Przykładem takiego tworzywa jest szkło akrylowe (zwane pleksi lub szkłem organicznym), którego główny składnik stanowi poli(metakrylan metylu), PMMA. Warto jednak zaznaczyć, że uczniowie jeszcze w gimnazjum zapoznali się z procesem polimeryzacji polietylenu, więc powinni pamiętać, że surowcem do produkcji tego polimeru jest substancja gazowa – eten (etylen), a reakcję polimeryzacji prowadzi się w temperaturach nie przekraczających 350°C. Pod wpływem odpowiednich warunków (temperatury, inicjatorów) wiązania podwójne w cząsteczkach monomeru (etenu) ulegają zerwaniu, a poszczególne mery łączą się w jeden wielki polimer. Zatem proces polimeryzacji nie przypomina procesu powstawania fulgurytu.

W 2 części zadania prawdopodobieństwo udzielenia odpowiedzi poprawnej drogą losową w przypadku każdego uzasadnienia wynosiło 50%. Uzasadnienie A okazało się dla uczniów najtrudniejsze ze wszystkich zawartych w tej części zadania – poprawną odpowiedź wybrało zaledwie 35% badanych uczniów. Prawie 54% uczniów wybrało odpowiedź błędną, a reszta nie odpowiedziała w ogóle. Wyniki wskazują, że uczniowie świadomie wybierali odpowiedź uznającą prawdziwość stwierdzenia A. Mogło to wynikać z faktu, że we wstępie do zadania mówi się wyłącznie o krzemionce, więc uczniowie mogli przeoczyć fakt, że gleba nie zawiera czystej krzemionki. Mogli też nie zauważyć, że w uzasadnieniu zostało powiedziane, iż krzemionka jest „jedynym surowcem” w procesie powstawania piorunowca. Co więcej, jeśli nie pamiętali, że w procesie produkcji szkła używane są jeszcze węglany sodu i wapnia, to mogli uznać to stwierdzenie za prawdziwe. Paradoksalnie uczniowie, którzy w 1 części zadania skojarzyli proces tworzenia strzałki piorunowej z procesem produkcji tworzyw sztucznych (wytwarzanych z różnych substancji) i zauważyli, że fulguryt również nie powstaje z czystego tlenku krzemu(IV), mogli wybrać odpowiedź poprawną.

W przypadku uzasadnienia B poprawnej odpowiedzi udzieliło 64% uczniów. Blisko 1/4 uczniów wybrała błędną odpowiedź, a 11% badanych nie odpowiedziało w ogóle. Część uczniów trafnie oceniła, że zarówno substraty do produkcji szkła, jak i fulgurytu powinny zostać najpierw stopione. Dość znaczny procent odpowiedzi błędnych mógł wynikać z faktu, że uczniowie nie wiedzieli, iż jednym z etapów procesu otrzymywania i obróbki szkła jest stopienie krzemionki w wysokich temperaturach lub w 1 części zadania wybrali tworzywa sztuczne, które są otrzymywane najczęściej w reakcji polimeryzacji nienasyconych związków organicznych np. w stanie gazowym (etylen), a więc ich produkcja nie wymaga stapiania substratów reakcji.

W przypadku uzasadnienia C ponad 67% uczniów określiło poprawnie prawdziwość stwierdzenia dotyczącego zjawiska topnienia krzemionki pod wpływem wysokiej temperatury. Uczniowie, którzy wybrali błędną odpowiedź (22%), prawdopodobnie nie zauważyli we wstępie do zadania informacji o topnieniu krzemionki pod wpływem wyładowań atmosferycznych i/lub nie wiedzieli, że krzemionkę do produkcji szkła topi się w piecach hutniczych w bardzo wysokich temperaturach. Natomiast uczniowie, którzy w części 1 zadania wskazali tworzywa sztuczne, mogli uznać stwierdzenie za fałszywe, ponieważ proces produkcji tworzyw sztucznych zachodzi zwykle w temperaturze od kilkudziesięciu do kilkuset stopni, natomiast do stopienia krzemionki potrzeba dużo wyższych temperatur – rzędu 1500-1700^oC. Warto zauważyć, że uczniowie powinni kojarzyć polimeryzację z konkretnymi substratami polimeryzacji, np. etylenem, propylenem, chlorkiem winylu, a nie z krzemionką, która jest związkiem nieorganicznym i stanowi przeważnie dodatek do tworzyw sztucznych, a nie ich podstawowy składnik.

Poprawnie całe zadanie rozwiązało ponad 16% uczniów. Oznacza to, że zdecydowana większość badanych nie opanowała umiejętności sprawdzanej w tym zadaniu. Z jednej strony może to świadczyć o trudności zadania, a z drugiej o słabych kompetencjach uczniów, którzy mają wyraźny problem z łączeniem różnych zagadnień poznawanych na lekcjach chemii w pierwszej klasie liceum. Zestawienie zagadnień z dwóch działów wykazało wyraźnie, że uczniowie myślą raczej fragmentarycznie niż całościowo. Zadanie jest cennym źródłem informacji o całościowym opanowaniu podstaw chemii nauczanej w pierwszej klasie liceum. Na pewno warto je wykorzystać do bieżącej pracy na lekcji.

Słowa kluczowe