Πείραμα μυστηρίου με ορυκτά

Υλικά

• Ζεστό νερό
• Αλάτι (επιτραπέζιο αλάτι (χλωριούχο νάτριο), άλας Epsom (θειικό μαγνήσιο),  μαγειρική σόδα (όξινο ανθρακικό νάτριο). Την σόδα τη βρίσκουμε στο σούπερ μάρκετ, το ίδιο και τα άλατα Τα άλατα αυτά ονομάζονται και άλατα μπάνιου. Αν δεν μπορείτε να τα βρείτε, ψάξτε στο διαδίκτυο. Κοστίζουν πολύ φθηνά, γύρω στα 5 ευρώ το μισό κιλό.
• Μεζούρες
• Μικρά δοχεία για την ανάμειξη αλατιού και νερού
• Κουτάλια, ξυλάκια  άλλο αντικείμενο για ανακάτεμα
• Πιάτα Petri, πλαστικά καπάκια  άλλο παρόμοιο αντικείμενο (3 ανά ομάδα ή άτομο)
• Πανί  χαρτοπετσέτες για καθαρισμό
• (Προαιρετικό) Φύλλο εργασίας παρατήρησης – Λήψη PDF
• (Προαιρετικό) οφθαλμικό σταγονόμετρο ή πιπέτα
• (Προαιρετικό) σκούρο ύφασμα  χαρτί
• (Προαιρετικό) φακός χειρός ή μεγεθυντικός φακός

Διαχείριση

• Οι μαθητές μπορούν να εργαστούν ατομικά ή ομαδικά. Μπορούν να αναλάβουν ατομικά ή ανά ομάδα να δώσουν λύσεις χρησιμοποιώντας διαφορετικά άλατα ή αναλογίες αλατιού προς νερό για σύγκριση.
• Φροντίστε να σημειώσετε τις διαφορετικές αναλογίες που αναφέρονται στο Βήμα 1. Το επιτραπέζιο αλάτι, το αλάτι Epsom και η μαγειρική σόδα έχουν διαφορετικά σημεία κορεσμού στο νερό. Ενώ το επιτραπέζιο αλάτι και το αλάτι Epsom είναι αρκετά παρόμοια ώστε να χρησιμοποιούν τις ίδιες αναλογίες αλατιού προς νερό, θα χρειαστεί λιγότερη μαγειρική σόδα να διαλυθεί στο νερό προτού κορεστεί.
• Ο χρόνος που απαιτείται για να στεγνώσουν τα διαλύματα ποικίλλει. Αυτή η δραστηριότητα μπορεί να χωριστεί σε δύο συνεδρίες ανάλογα με τις ανάγκες, ώστε να υπάρξει ο απαραίτητος χρόνος για να εξατμιστεί το νερό.
• Τα επικαθήμενα άλατα στο τρυβλίο Petri θα είναι ευκολότερο να διαπιστωθούν εάν το τοποθετήσετε πανω σε μια σκούρα επιφάνεια.

Υπόβαθρο

Κατά τη διάρκεια της 11χρονης αποστολής του, το διαστημόπλοιο Dawn (Αυγή) περιστράφηκε και μελέτησε τον γιγάντιο αστεροειδή Βέστα και τον νάνο πλανήτη Δήμητρα, δύο ουράνια σώματα που πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν νωρίς στην ιστορία του ηλιακού συστήματος.

Η Δήμητρα ή Ceres (Σίρις), είναι ο μικρότερος πλανήτης νάνος του Ηλιακού μας συστήματος και ο μόνος που βρίσκεται μέσα στην Κύρια Ζώνη Αστεροειδών. Επίσης είναι ο πρώτος αστεροειδής που ανακαλύφθηκε ποτέ. Ανακαλύφθηκε τυχαία την Πρωτοχρονιά του 1801 (την πρώτη νύχτα του 19ου αιώνα) από τον Σικελό αστρονόμο Τζουζέπε Πιάτσι, στο αστεροσκοπείο του Παλέρμο της Σικελίας. Στην αρχή νόμιζε ότι είχε ανακαλύψει ένα καινούργιο άστρο, μετά ένα κομήτη. Όταν διαπιστώθηκε ότι ήταν μικρός πλανήτης που περιφερόταν γύρω από τον Ήλιο, του έδωσε το όνομα της θεάς - αρχαίας προστάτιδας της Σικελίας, αφού και οι πλανήτες είχαν ονόματα αρχαίων Ελλήνων θεών. Η απόσταση του αντικειμένου υπολογίστηκε από τον Καρλ Φρίντριχ Γκάους κάπου ανάμεσα στον Άρη και το Δία. Σήμερα γνωρίζουμε ότι είναι ο μεγαλύτερος από τους αστεροειδείς της Κύριας Ζώνης Αστεροειδών. Η Δήμητρα είναι το μόνο αντικείμενο στη ζώνη των αστεροειδών που είναι γνωστό ότι στρογγυλοποιείται από τη δική του βαρύτητα, με μέγιστη διάμετρο 975 χιλιόμετρα και ελάχιστη 909 χιλιόμετρα.

Λόγω του μικρού της μεγέθους, η Δήμητρα δεν έχει φωτογραφηθεί σε μεγάλη ανάλυση από τη Γη. Οι φωτογραφίες από το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ δείχνουν μια επιφάνεια με μεγάλες αντιθέσεις στη φωτεινότητα, και ένα μυστηριώδες λευκό σημείο. Από φασματοσκοπικές παρατηρήσεις ξέρουμε ότι η Δήμητρα αποτελείται κατά ένα μεγάλο ποσοστό από πάγο νερού, που σε ποσότητα είναι ίσως περισσότερο απ' όσο το σύνολο του γλυκού νερού που υπάρχει στη Γη.

Η διαστημοσυσκευή Dawn της NASA μπήκε σε τροχιά γύρω από τη Δήμητρα στις 6 Μαρτίου 2015. Σε φωτογραφίες που τράβηξε η συσκευή στις 19 Φεβρουαρίου διακρίνονται δύο περιοχές με υψηλή λευκαύγεια μέσα σε ένα κρατήρα, των οποίων η ανακλαστικότητα θεωρούνταν ότι οφείλεται στην παρουσία πάγου ή αλάτων. Στις 11 Μαΐου 2015, η NASA δημοσίευσε μια εικόνα υψηλότερης ανάλυσης που δείχνει ότι, αντί για ένα ή δύο σημεία, υπάρχουν στην πραγματικότητα πολλά. Στις 9 Δεκεμβρίου 2015, επιστήμονες της NASA ανέφεραν ότι τα φωτεινά σημεία της Δήμητρας μπορεί να σχετίζονται με έναν τύπο άλατος, ιδιαίτερα μια μορφή αλατόνερου που περιέχει θειικό μαγνήσιο.

Αυτή η βελτιωμένη έγχρωμη εικόνα της Δήμητρας δημιουργήθηκε από δεδομένα που ελήφθησαν τον Απρίλιο του 2017, όταν το διαστημόπλοιο Dawn της NASA βρισκόταν ακριβώς ανάμεσα στον Ήλιο και τη Δήμητρα.

Ακόμη και πριν φτάσει η "Αυγή" στη Δήμητρα, οι επιστήμονες είχαν παρατηρήσει διάφορες φωτεινές περιοχές στον νάνο πλανήτη μέσω των τηλεσκοπίων, αλλά η προέλευσή τους παρέμενε μυστήριο. Η κοντινή λήψη εικόνων από το διαστημικό σκάφος Dawn επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς δημιουργήθηκαν οι εκατοντάδες φωτεινές περιοχές, που ονομάζονται και "φάκουλες".

Το διαστημικό σκάφος Dawn της NASA κατέγραψε εικόνες σε ορατά και υπέρυθρα μήκη κύματος, τα οποία συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν αυτήν την ψευδοχρωμική άποψη μιας περιοχής του κρατήρα Οκάτορ στον νάνο πλανήτη Δήμητρα.

Οι πιο αντανακλαστικές από αυτές τις ακίδες βρίσκονται στα δάπεδα των κρατήρων, με τον κρατήρα Οκάτορ να φιλοξενεί δύο από τα πιο ευδιάκριτα παραδείγματα, που ονομάζονται Cerealia Facula και Vinalia Faculae. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που έστειλε στη Γη το Dawn, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ανακλαστικές ενώσεις αλάτων (χλωριούχο νάτριο χημικά συνδεδεμένο με νερό και χλωριούχο αμμώνιο) συγκεντρώνονται στην Cerealia Facula, δημιουργώντας τη φωτεινή περιοχή πλάτους έξι μιλίων. Αυτές οι ενώσεις έφτασαν στην επιφάνεια όταν πλημμήρυσαν από αλμυρό νερό από υπόγειες δεξαμενές. Καθώς η άλμη εξατμιζόταν για εκατοντάδες χρόνια, τα άλατα κατακάθισαν ως ιζήματα, δημιουργώντας τις φωτεινές περιοχές που παρατηρούμε στη Δήμητρα. Το διαστημικό σκάφος Dawn της NASA κατέγραψε φωτογραφίες, οι οποίες συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν αυτήν την ψευδοχρωματική εικόνα μιας περιοχής στον κρατήρα Occator στον νάνο πλανήτη  Δήμητρα (Ceres). Οι διεργασίες που βλέπουμε στη Δήμητρα είναι μια κοινή διαδικασία που γίνεται παντού στο ηλιακό σύστημα. Εδώ στη Γη, έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό εξατμιστικών ορυκτών, όπως ο αλίτης (χλωριούχο νάτριο ή επιτραπέζιο αλάτι) και ο γύψος (θειικό ασβέστιο, που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία). Στον Άρη, η ανακάλυψη εξατμισμένων αλάτων σε κοιλώματα που κάποτε ήταν ρηχές λίμνες δείχνει την παρουσία νερού μόλις πριν από δύο δισεκατομμύρια χρόνια - περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια πιο πρόσφατα από ό,τι πιστεύαμε ως τώρα. Το Mars Reconnaissance Orbiter της NASA χρησιμοποίησε την Κάμερα Περιβάλλοντος για να τραβήξει αυτή την εικόνα του Κοιλάδας Βόσπορος, μια τοποθεσία στον Άρη. Οι λευκές κηλίδες είναι εναποθέσεις αλατιού που βρίσκονται σε ένα αποξηραμένο  κανάλι.

Διαδικασίες

1. Καθοδηγήστε τους μαθητές να διαλύσουν το αλάτι σε ζεστό νερό για να δημιουργήσουν αλατούχα διαλύματα χρησιμοποιώντας μία από τις ακόλουθες μεθόδους: 1) Χρησιμοποιήστε διαφορετικές αναλογίες του ίδιου τύπου αλατιού. 2) Χρησιμοποιήστε την ίδια αναλογία διαφορετικών τύπων αλατιού.

   Αναλογίες επιτραπέζιου αλατιού και αλατιού Epsom:
   1:4 (1,0 κουταλιά της σούπας αλάτι σε 0,25 φλιτζάνι νερό)
   1:8 (1,5 κουταλάκι του γλυκού αλάτι σε 0,25 φλιτζάνι νερό)
   1:16 (0,75 κουταλάκι του γλυκού αλάτι προς 0,25 φλιτζάνι νερό)
   
   Αναλογίες μαγειρικής σόδας:
   1:12 (1,0 κουταλάκι του γλυκού μαγειρική σόδα σε 0,25 φλιτζάνι νερό)
   1:16 (0,75 κουταλάκι του γλυκού μαγειρική σόδα σε 0,25 φλιτζάνι νερό)
   1:24 (0,5 κουταλάκι του γλυκού μαγειρική σόδα σε 0,25 φλιτζάνι νερό)
   
    

   

   Βήμα 1

2. Πείτε στους μαθητές να απλώσουν μια μικρή ποσότητα από κάθε διάλυμα σε ένα ξεχωριστό τρυβλίο Petri και να αφήσουν το διάλυμα να στεγνώσει. Ζητήστε τους να προβλέψουν τι θα συμβεί όταν στεγνώσουν τα διαλύματα. Μπορούν να εξηγήσουν προφορικά τις προβλέψεις τους, αλλά πρέπει και να σχεδιάσουν ή να γράψουν αυτό που περιμένουν να παρατηρήσουν σε ένα κομμάτι χαρτί ή στο φύλλο εργασίας. Κατά περίπτωση, με βάση τις ικανότητες των μαθητών, βεβαιωθείτε ότι  λαμβάνουν υπόψη τις διαφορετικές αναλογίες στο διάλυμμα ή τους τύπους αλατιού στις προβλέψεις τους.
3. Καθοδηγήστε τους μαθητές να χρησιμοποιήσουν μια πιπέτα, ένα σταγονόμετρο ή ένα δοσομετρικό κουτάλι για να τοποθετήσουν 5 ml (περίπου 1 κουταλάκι του γλυκού) από κάθε διάλυμα στα τρυβλία Petri. Αφήστε χρόνο για στέγνωμα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να επιταχυνθεί τοποθετώντας τα πιάτα Petri σε άμεσο ηλιακό φως ή κοντά σε άλλη πηγή θερμότητας. Φροντίστε να μην τοποθετήσετε τα πιάτα Petri τόσο κοντά σε πηγή θερμότητας που θα τα κάνει να λιώσουν.

   

   Βήμα 3.

4. Όταν τα διαλύματα στενγώσουν, οι μαθητές πρέπει να ζωγραφίσουν ή να γράψουν μια περιγραφή αυτού που παρατηρούν. Εάν είναι διαθέσιμος, μπορούν να χρησιμοποιήσουν έναν φακό χειρός για να κάνουν λεπτομερείς παρατηρήσεις από κοντά.

   

   Αποξηραμένα διαλύματα (από αριστερά) επιτραπέζιου αλατιού, αλατιού Epsom και μαγειρικής σόδας.

5. Ζητήστε από τους μαθητές να εξηγήσουν ο ένας στον άλλον ή στην τάξη τι πιστεύουν ότι συνέβη. Θα πρέπει να το καταγράψουν και στα φύλλα εργασίας τους. Εάν οι μαθητές δεν κάνουν τη σύνδεση, εξηγήστε ότι καθώς το νερό στο διάλυμα εξατμιζόταν, τα άλατα που διαλύθηκαν έμειναν πίσω στο τρυβλίο Petri και σχημάτισαν αυτά που είναι γνωστά ως ορυκτά εξάτμισης ή εβαπορίτες.

Συζήτηση

• Πού πιστεύετε ότι θα μπορούσε να συμβεί η διαδικασία των διάλυσης στερεών  στη Γη ή η εξάτμιση του νερού που αφήνει πίσω του άλατα; Τι στοιχεία θα μπορούσαμε να αναζητήσουμε αν αναζητούσαμε αυτά τα κοιτάσματα εβαποριτών;
  
  Παραδείγματα μπορεί να περιλαμβάνουν αποξηραμένες αλμυρές λίμνες (π.χ. Salton Sea, Bonneville Salt Flats) αρδευόμενες γεωργικές εκτάσεις και αποθέσεις σκληρού νερού σε υδραυλικά είδη. Τα στοιχεία μπορεί να περιλαμβάνουν φωτεινές/λευκές κρούστες ή βραχώδη υλικά.

  ---

  Πιστεύετε ότι είναι πιθανό αυτές οι διεργασίες να συμβαίνουν και αλλού στο ηλιακό σύστημα;
  
  Συζητήστε για τις φωτεινές περιοχές στη Δήμητρα, τη διήθηση του αλμυρού υποεπιφανειακού νερού στην επιφάνεια και τα φωτεινά άλατα που μένουν πίσω καθώς το νερό εξατμίζεται. Δείξτε στους μαθητές εικόνες από τη Δήμητρα και τα φωτεινά σημεία της. Πείτε τους ότι οι επιστήμονες ανακάλυψαν πρόσφατα εξατμισμένα άλατα στον Άρη, υποδεικνύοντας την παρουσία υγρού νερού στο παρελθόν. Δείτξε τους εικόνες του Άρη που υποδηλώνουν την ύπαρξη αλάτων στην επιφάνεια.

  ---

• Οι μαθητές μπορεί να παρατηρήσουν ότι οι κρυσταλλικές δομές των αλάτων τους τους φαίνονται διαφορετικές από αυτές που βλέπουν στις εικόνες της Δήμητρας. Ζητήστε τους να εξηγήσουν γιατί υπάρχουν διαφορές.
  
  Οι απαντήσεις μπορεί να περιλαμβάνουν: Οι μαθητές έχουν μια κοντινή άποψη των εβαποριτών τους σε σύγκριση με την άποψη του Dawn από τροχιά. Υπάρχει πολύ περισσότερο υλικό στη Δήμητρα από ό,τι στο πιάτο, και είναι πολύ πυκνό στο Cerealia Facula. Ακόμα κι αν υπάρχουν κενά σε ένα στρώμα, το υλικό από πάνω ή πό κάτω είναι ακόμα πολύ φωτεινό.

  ---

• Τι πιστεύετε ότι θα συνέβαινε αν προσθέσουμε νερό στους κρυστάλλους αλατιού που σχηματίστηκαν στο πιάτο Petri;
  
  Οι μαθητές θα πρέπει να προβλέψουν ότι τα άλατα θα διαλυθούν εκ νέου στο νερό.
  (Εάν οι μαθητές διέλυσαν περισσότερα από ένα είδη αλατιού) υπάρχουν διαφορές στα εβαποριτικά ορυκτά που έχουν μείνει πίσω που παρατηρήθηκαν;
  Τα εβαποριτικά ορυκτά από διαφορετικά άλατα θα έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές και έτσι θα αποκτήσουν διαφορετική εμφάνιση.

  ---

• Εκτός από τα άλατα, πιστεύετε ότι μπορεί να υπάρχουν και άλλα διαλυμένα στερεά στο νερό; Πώς θα μπορούσατε να μάθετε;
  
  Οι μαθητές μπορεί να καθοδηγηθούν να αναζητήσουν από την τοπική υπηρεσία ύδρευσης μια κατάσταση ιζημάτων στο πόσιμο νερό της περιοχής τους ή να μάθουν για τη σκληρότητα του νερού και την αιτία της.

  ---

• Εάν είναι δυνατόν να υπάρχουν διαλυμένα στερεά στο νερό, πώς θα μπορούσατε να καθαρίσετε το νερό;
  
  Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μια συζήτηση σχετικά με τις διαφορές μεταξύ φιλτραρισμένου νερού, καθαρού νερού και απεσταγμένου νερού. Για το θέμα αυτό μεταβείτε στο πρότζεκτ Δραστηριότητα φιλτραρίσματος νερού.

  ---

Αξιολόγηση

• Οι μαθητές θα πρέπει να κάνουν λογικές προβλέψεις για το τι θα συμβεί καθώς τα διαλύμματα στεγνώνουν με βάση τις γνώσεις και την εμπειρία τους. Οι ζωγραφιές ή οι γραπτές προβλέψεις των μαθητών θα πρέπει να αντικατοπτρίζουν με ακρίβεια τη σκέψη τους.
• Τα σχέδια ή οι γραπτές περιγραφές των μαθητών των παρατηρήσεών τους θα πρέπει να αντικατοπτρίζουν με ακρίβεια το φαινόμενο που παρατήρησαν.
• Οι εξηγήσεις των μαθητών για το παρατηρούμενο φαινόμενο θα πρέπει να χρησιμοποιούν κατάλληλο λεξιλόγιο με βάση τις γνώσεις και την εμπειρία τους (π.χ. ξήρανση, εξάτμιση, ιζήματα κ.λπ.)

Προεκτάσεις

• Οι μαθητές μπορούν να διαβάσουν περισσότερα για τις επιστημονικές ανακαλύψεις της αποστολής Dawn, επισκεπτόμενοι την επιστημονική σελίδα της αποστολής Dawn στη Δήμητρα.
• Οι μαθητές μπορεί να είναι περίεργοι για το πώς θα ήταν τα αποτελέσματα αν πρόσθεταν περισσότερο αλάτι στο διάλυμά τους. Αυτό θα μας δώσει την ευκαιρία να συζητήσουμε τη διαλυτότητα και τον κορεσμό με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και να επιτρέψουμε στους μαθητές να δοκιμάσουν να διαλύσουν υψηλότερες συγκεντρώσεις αλατιού στα διαλύματά τους, εάν το επιτρέπει ο χρόνος.
• Οι μαθητές μπορούν να διαλύσουν διαφορετικούς τύπους αλάτων σε ένα ενιαίο διάλυμα, να κάνουν προβλέψεις για το τι θα συμβεί όταν εξατμιστεί το νερό και να συγκρίνουν τις προβλέψεις τους με τις παρατηρήσεις που θα κάνουν μόλις εξατμιστεί το διάλυμα.