Eksplozja metanu

Poprawna odpowiedź

B.
II.

Wymaganie ogólne

1.1 Pozyskiwanie, przetwarzanie i tworzenie informacji. Uczeń pozyskuje i przetwarza informacje z różnorodnych źródeł z wykorzystaniem technologii informacyjno – komunikacyjnych.
2.1 Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń opisuje właściwości substancji i wyjaśnia przebieg prostych procesów chemicznych;

Wymaganie szczegółowe

3.2 Reakcje chemiczne. Uczeń opisuje, na czym polega reakcja syntezy, analizy i wymiany/ podaje przykłady różnych typów reakcji i zapisuje odpowiednie równania/ wskazuje substraty i produkty/ dobiera współczynniki w równaniach reakcji chemicznych/ obserwuje doświadczenia ilustrujące typy reakcji i formułuje wnioski.
3.3 Reakcje chemiczne. Uczeń definiuje pojęcia: reakcje egzoenergetyczne (jako reakcje, którym towarzyszy wydzielanie się energii do otoczenia, np. procesy spalania) i reakcje Reakcje chemiczne. endoenergetyczne (do przebiegu których energia musi być dostarczona, np. procesy rozkładu - pieczenie ciasta).
8.4 Węgiel i jego związki z wodorem. Uczeń obserwuje i opisuje właściwości fizyczne i chemiczne (reakcje spalania) alkanów na przykładzie metanu i etanu.

Komentarz

Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, stanowiącym zawsze ponad 90% jego zawartości. Sam metan nie ma smaku ani zapachu, a jego mieszanina z powietrzem w stężeniu powyżej 5% ma właściwości wybuchowe. Dlatego do gazu płynącego w instalacjach domowych dodaje się związek organiczny zawierający siarkę, o silnym specyficznym zapachu, dzięki czemu można łatwo wykryć jego ulatnianie się. Zagrożenie wybuchem metanu w budynkach mieszkalnych jest zatem zdecydowanie mniejsze niż na przykład w kopalniach węgla. Wybuch metanu jest niezwykle groźny – nie dość, że wykorzystuje on większość tlenu dostępnego dla ludzi, to dodatkowo naraża ich na skutki fali uderzeniowej i temperaturę osiągającą czasem wartości wyższe niż 2000 °C.

Pomimo niebezpieczeństwa wiążącego się z eksplozją, uczniowie podczas lekcji chemii często proszą nauczyciela, aby wykonał reakcję wybuchową lub zakończoną jakąś formą eksplozji. W takim przypadku istotnym jest jednak, aby nauczyciel nie ograniczył się do przeprowadzenia efektownego „show”, ale dokładnie opisał i wytłumaczył reakcję, z której skorzystał w trakcie pokazu.

Przedstawione zadanie można odnieść do sytuacji z życia codziennego i wytłumaczyć, że prawie w każdym domu przeprowadza się reakcje spalania metanu – czy to w kuchence, czy w piecu gazowym - który jest podstawowym składnikiem gazu ziemnego. Jest to także okazja do przekazania informacji o zagrożeniach wynikających z właściwości tego gazu.

Aby poprawnie rozwiązać zadanie, uczeń powinien przede wszystkim odnieść potoczne, znane z życia codziennego pojęcie „eksplozja” do chemicznej reakcji spalania i przyporządkować do niej odpowiednie równanie reakcji (3.3, 8.4). Uczeń powinien wiedzieć, że eksplozja jest wynikiem reakcji spalania oraz wiedzieć lub wywnioskować z tekstu, że do spalania niezbędny jest tlen (8.4) i że metan oraz tlen muszą być w takiej reakcji substratami, a nie produktami (3.2).

Utrudnieniem dla ucznia może być to, że:
– w każdym z wypisanych równań występuje metan,
– do trzech prezentowanych równań istnieje poprawny opis w części pierwszej zadania.

W zadaniu występuje jednakże również ułatwienie dla uczniów polegające na tym, że tylko w jednym równaniu występuje tlen.

Zadanie opisane powyżej było wcześniej badane w następującej formie:

Dopasuj przedstawione poniżej równania reakcji do opisów reakcji przedstawionych w tabeli.

1. C + 2H₂ → CH₄
2. CH₄  +  2O₂ → CO₂ + 2H₂O
3. CH₄ → C  +  2H₂
4. 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

Rozwiązanie: 1. I, 2. II, 3. III.

Badania na grupie około 1200 uczniów po ukończonym III etapie kształcenia, którzy rozwiązywali to zadanie w powyższej formie wykazały, że
– pierwszy wiersz rozwiązało prawidłowo, czyli tak jak w kodzie 1, około 53% uczniów; a więc tylko połowa z nich była w stanie rozpoznać reakcję syntezy,
– drugi wiersz poprawnie oznaczyło około 54% badanych, czyli jedynie połowa z badanych uczniów potrafi prawidłowo przyporządkować reakcję spalania metanu do jej zapisu w postaci równania chemicznego,
– trzeci wiersz został prawidłowo zaznaczony przez 46% uczniów, co oznacza że mniej niż połowa uczniów rozumie pojęcie reakcji analizy.

Jedynie 27,9% uczniów rozwiązało całe zadanie prawidłowo, czyli zaznaczyło wszystkie odpowiedzi identycznie jak przedstawiono to w kodzie 1.

Zadanie przedstawione w formie pierwotnej skupiało się na nieco innej umiejętności niż zadanie poprawione – posługiwaniu się terminologią chemiczną i umiejętnością zapisu reakcji chemicznych. Zadanie przedstawiało cztery różne reakcje chemiczne, które w swoim założeniu miały być charakterystyczne, jeśli chodzi o zapis, i teoretycznie łatwo rozpoznawalne przez ucznia. Utrudnieniem było wymienienie czterech różnych reakcji, z których uczeń miał wybrać jedynie trzy udzielając odpowiedzi. W poprawionej wersji zapisu zrezygnowano z tego utrudnienia i jednocześnie zadbano o to, aby dotyczyło ono sytuacji, z jaką uczniowie mogą spotkać na co dzień. Tym razem uczeń ma za zadanie wybrać jedną z wymienionych reakcji, jakiej może ulegać metan, skojarzyć eksplozję ze spalaniem tego gazu, a następnie zaznaczyć dodatkowo odpowiedź uzasadniającą – wybrać jeden z czterech danych zapisów reakcji chemicznej, w której występuje metan. Taka forma zapisu, mimo, że zadanie ma nieco uproszczoną formę, pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo udzielenia odpowiedzi tylko na drodze przypadkowego wyboru, czyli tak zwanego „strzelania”.

Słowa kluczowe