Doświadczenie o rdzewieniu

Poprawna odpowiedź

1 – I, III.,  2 – III. 

Wymaganie ogólne

4.1 Rozumowanie i argumentacja. Uczeń interpretuje informacje i wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe między faktami, formułuje wnioski.

Wymaganie szczegółowe

1.4. Związki chemiczne budujące organizmy oraz pozyskiwanie i wykorzystanie energii. Uczeń przedstawia fotosyntezę, oddychanie tlenowe oraz fermentację mlekową i alkoholową jako procesy dostarczające energii.

Komentarz

Zadanie sprawdza, czy uczeń wie, co jest źródłem tlenu w przedstawionym układzie oraz jakie warunki muszą być spełnione aby gwóźdź zardzewiał.

Analizując przedstawiony schemat, uczeń powinien zauważyć, że:

- wszystkie słoiki zawierają wodę pozbawioną tlenu, ale wzbogaconą CO₂ i są zamknięte, co uniemożliwia dostęp gazów, w tym tlenu, z powietrza;

- słoiki różnią się obecnością gwoździa, obecnością rośliny wodnej oraz dostępnością światła.

Ponieważ tlen z powietrza nie ma dostępu do słoików, uczeń musi poszukiwać jego źródła w reakcjach zachodzących wewnątrz słoików. Tlen obecny będzie w słoikach I oraz III, ponieważ zawierają one trzy czynniki warunkujące zachodzenie procesu fotosyntezy, którego produktem jest tlen. Czynniki warunkujące zachodzenie fotosyntezy to:

• obecność rośliny wodnej,
• rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla,
• wystawienie słoika na działanie światła.

Aby wskazać, w którym słoiku gwóźdź zardzewieje, uczeń musi wiedzieć, że podana we wstępie do zadania hipoteza jest prawdziwa. Warunki niezbędne do utlenienia żelaznego gwoździa to obecność wody oraz tlenu. A zatem gwóźdź zardzewieje tylko w  słoiku nr III, ponieważ tylko w nim znajduje się zarówno gwóźdź i woda, jak i tlen wydzielany przez roślinę pod wpływem światła i w obecności rozpuszczonego dwutlenku węgla.

Wiedza sprawdzana w tym zadaniu jest niezbędna do przeprowadzenia rozumowania służącego rozwiązaniu zadania 2. Dlatego zadanie to stanowi doskonały wstęp do zadania 2. Cała wiązka jest polecana do pracy na lekcji, ze względu na skomplikowany układ badawczy. A ze względu na powiązanie obu zadań, wiązka nie jest polecana na sprawdzian – uczniowie, którzy nie rozwiążą poprawnie zadania 1 najprawdopodobniej nie rozwiążą także zadania 2.

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

1 – II, IV., 2 –III.

Wymaganie ogólne

2.2 Znajomość metodyki badań biologicznych. Uczeń określa warunki doświadczenia, rozróżnia próbę kontrolną i badawczą, formułuje wnioski.

Wymaganie szczegółowe

1.4. Związki chemiczne budujące organizmy oraz pozyskiwanie i wykorzystanie energii. Uczeń przedstawia fotosyntezę, oddychanie tlenowe oraz fermentację mlekową i alkoholową jako procesy dostarczające energii.

Komentarz

Zadanie sprawdza umiejętności projektowania doświadczeń i analizy warunków doświadczenia niezbędnych do prawidłowej interpretacji wyników. Aby można było wyciągnąć logiczne wnioski z wyników tego doświadczenia, badacz przypisuje każdej z prób odpowiednie znaczenie. Uczeń, znając testowaną w doświadczeniu hipotezę „rdzewienie żelaza zachodzi w obecności wody i tlenu”, musi wśród przedstawionych prób zidentyfikować te, które dla badacza są naprawdę istotne – właściwe dla zbadania postawionej hipotezy. Doświadczenie dotyczy zjawiska chemicznego, zwanego potocznie rdzewieniem, które w istocie jest utlenianiem żelaza, ale w zaproponowanym układzie badawczym wykorzystano także zjawisko biologiczne – wydzielanie przez roślinę tlenu w procesie fotosyntezy.

Aby prawidłowo rozwiązać zadanie, uczeń powinien najpierw odnaleźć we wstępie postawioną w badaniu hipotezę. Następnie powinien zauważyć, że:

- wszystkie słoiki zawierają wodę pozbawioną tlenu, ale wzbogaconą CO₂ i są zamknięte, co uniemożliwia dostęp gazów, w tym tlenu, z powietrza;

- słoiki różnią się obecnością gwoździa, obecnością rośliny wodnej oraz dostępnością światła (trzy zmienne).

W następnym kroku należy zidentyfikować próbę badawczą, czyli ten słoik, w którym spodziewane jest zajście reakcji rdzewienia. Słoiki I oraz V nie zawierają w ogóle badanego obiektu – żelaznego gwoździa, a zatem możemy je odrzucić z dalszych rozważań. Tym samym eliminuje się niepotrzebną trzecią zmienną (obecność/brak gwoździa).

Skoro hipoteza doświadczenia zakłada, że „rdzewienie żelaza zachodzi w obecności wody i tlenu”, zatem w próbie badanej musi znaleźć się żelazo, woda oraz tlen. Słoiki II, III i IV zawierają badany obiekt (gwóźdź) zanurzony w wodnym roztworze i aby odnaleźć wśród nich próbę badawczą, należy się zastanowić, w którym może znajdować się tlen. Do rozwiązania tego problemu uczeń musi wykazać się wiedzą biologiczną: tlen, jako produkt procesu fotosyntezy, będzie wytwarzany w obecności światła przez roślinę wodną, znajdującą się w wodzie z rozpuszczonym dwutlenkiem węgla, (substratem fotosyntezy). Prawidłowym wskazaniem dla próby badawczej jest zatem słoik III.

W każdym doświadczeniu należy kontrolować, czy badany czynnik jest faktycznym źródłem obserwowanych zmian. Służą do tego próby kontrolne, których wyniki, porównane z wynikiem próby badanej, pozwolą logicznie wnioskować i potwierdzić lub obalić hipotezę. Dwa pozostałe spośród słoików zawierających żelazny obiekt,  czyli słoiki II i IV, stanowią prawidłowe próby kontrolne. W żadnym z nich nie powinien się znajdować tlen, a  gwóźdź w obecności wody, bez dostępu tlenu nie powinien rdzewieć:

– w słoiku II wystawionym na działanie światła nie ma moczarki, czyli potencjalnego źródła tlenu;

–  w słoiku IV moczarka jest obecna, ale bez dostępu do światła nie będzie prowadzić fotosyntezy i wydzielać tlenu.

Dlaczego w tym doświadczeniu potrzebne są aż dwie próby kontrolne? Porównując próbę badaną (słoik III) tylko ze słoikiem II, nie można byłoby wykluczyć wpływu jakichś związków uwalniających się z moczarki, a powodujących rdzewienie. Analogicznie – porównując próbę badaną tylko ze słoikiem IV, nie można byłoby wykluczyć, że to światło ma wpływ na rdzewienie. Dopiero porównując wyniki wszystkich trzech słoików mając możliwość kontrolowania obu zmiennych warunkujących wytwarzanie tlenu – obecności/braku rośliny oraz obecności/braku światła, możemy wnioskować o prawdziwości postawionej hipotezy..

Ze względu na dość skomplikowany układ badawczy, zawierający dwie próby kontrolne oraz międzyprzedmiotowy charakter, zadanie jest polecane do pracy na lekcji. Stanowi dobry przykład do omówienia roli prób kontrolnych w doświadczeniach. Zachęca do dyskusji, czy przedstawiony układ badawczy jest wystarczający do wyciągnięcia rzetelnych i logicznych wniosków, dotyczących procesu rdzewienia, oraz do dyskusji na temat liczby czynników zmiennych w doświadczeniu.

Nauczyciel może także zwrócić uwagę uczniów na fakt, że przeprowadzenie tego doświadczenia nie da bezpośredniego dowodu, że to właśnie tlen jest czynnikiem powodującym rdzewienie gwoździa. Bezpośrednim dowodem byłoby dopiero zaobserwowanie rdzewienia gwoździa w roztworze z tlenem doprowadzonym bezpośrednio (bez wykorzystania fotosyntetyzującej rośliny). Aby tego dokonać, należałoby więc przygotować dodatkową próbę, w której roztwór wodny w słoiku, przygotowanym tak jak słoik II, nasycony byłby tlenem.

Słowa kluczowe