Расследование 2. Врут ли этикетки
1. Крючок
На столе два стакана. В одном — вода из-под крана. В другом — вода, купленная в аптеке за деньги, на бутылке написано «дистиллированная».
Вопрос на спор: какая из них лучше проводит ток?
Большинство отвечает «аптечная, она же чище и дороже». Проверим — и результат окажется ровно наоборот. Чистая вода ток почти не проводит. А то, что проводит воду проводящей, на этикетке любой минералки перечислено по именам.
К концу урока у тебя будет прибор, который отличает одну жидкость от другой по тому, чего в ней растворено. И ты сможешь проверить им что угодно — энергетик, сок, чай, слёзы.
2. Сквозная метафора урока: толпа с тележками
Вспомни толпу на площади из первого расследования — там электроны бежали сами. В жидкости всё иначе, и это главное отличие урока.
- В металле ток несут свободные электроны — лёгкие, быстрые, их море.
- В жидкости электронов на свободе нет. Ток там несут ионы — это целые атомы или их группы, у которых не хватает электрона (тогда они «+») или, наоборот, есть лишний (тогда «−»).
Представь: по площади вместо налегке бегущих людей едут люди с тележками. Тяжёлые, медленные, но заряд перевозят. Нет тележек — нет перевозки.
- Дистиллированная вода — площадь пустая. Тележек нет. Ток почти не идёт.
- Солёная вода — площадь забита тележками. Ток идёт отлично.
- Сахарный сироп — площадь забита людьми, но без тележек: сахар растворился, а на ионы не распался. Ток не идёт.
Последний пункт — самый неожиданный, и на нём сегодня многие обожгутся.
3. Ядро: откуда в воде берутся ионы
Блок 1. Что такое ион
Обычный атом нейтрален: сколько в ядре протонов «+», столько вокруг электронов «−». Но связь внешних электронов с ядром слабая (это мы разбирали в первом расследовании). Если атом потерял электрон — стал ионом «+». Если захватил лишний — ионом «−».
Ион — это заряженная частица, которая может двигаться. А движение зарядов и есть электрический ток. Неважно, кто их несёт: электроны в проводе или ионы в стакане.
Блок 2. Почему соль в воде распадается, а сахар — нет
Кристалл поваренной соли NaCl устроен так: атом натрия уже отдал свой электрон атому хлора. То есть в самом кристалле сидят готовые ионы Na⁺ и Cl⁻, слипшиеся из-за притяжения «+» к «−».
Вода умеет их растащить. Молекула воды несимметрична: с одной стороны у неё перевес «+», с другой «−». Такие молекулы облепляют ион со всех сторон и отрывают его от кристалла. Соль диссоциирует — распадается на свободные ионы:
С сахаром иначе. В молекуле сахара атомы связаны так, что электроны поделены, а не отданы. Рвать нечего: молекула просто отцепляется от кристалла и плавает целиком, оставаясь нейтральной. Тележек не появилось.
Блок 3. Вещества, которые дают ионы, и которые не дают
| Дают ионы (электролиты) | Не дают (неэлектролиты) |
|---|---|
| Соли: поваренная, морская | Сахар, глюкоза |
| Кислоты: лимонная, уксусная | Спирт |
| Щёлочи: сода | Масло |
| Минеральные соли в воде | Дистиллированная вода |
Теперь понятно, почему в аптеке продают дистиллированную воду отдельно и почему её льют в утюги: в ней нет солей, значит, при испарении не остаётся накипь.
Блок 4. Что это значит для этикетки
Открой любую минералку. На этикетке — таблица «минеральный состав, мг/л»: гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, кальций, магний, натрий. Всё это — ионы. Их суммарное количество называют минерализацией, и она прямо связана с тем, что покажет твой прибор.
Вот тут и живёт вопрос сегодняшнего расследования. Производитель пишет цифры мелким шрифтом. Прибор в твоих руках даёт возможность проверить порядок этих цифр самому — не поверить на слово, а измерить.
4. Концептуальный чек-ап
- Почему в металле ток несут электроны, а в растворе — ионы? Куда делись свободные электроны в стакане?
- В стакан насыпали 5 ложек сахара — он весь растворился. Будет ли раствор проводить ток лучше чистой воды? Почему?
- Дистиллированная вода почти не проводит ток. Значит ли это, что она безопасна — можно смело брать провода мокрыми руками, если руки в дистиллированной воде?
- Почему морская вода проводит ток лучше речной?
- Предскажи: что будет проводить лучше — газировка без сахара («зеро») или обычная сладкая? Обоснуй до измерения.
5. Разбор: предсказываем показания прибора
Задача-рассуждение. Три образца: дистиллированная вода, раствор соли, сахарный сироп. Предскажем, что покажет прибор.
Шаг 1. Дистиллированная вода
Ионов почти нет — растворять было нечего. Тележек на площади нет. Вывод: светодиод не горит (или еле тлеет), сопротивление огромное.
Шаг 2. Раствор соли
NaCl распался на Na⁺ и Cl⁻. Тележек много, и чем больше соли, тем больше. Вывод: светодиод горит ярко, сопротивление малое.
Шаг 3. Сахарный сироп
Сахара много, но он не диссоциирует. Молекулы нейтральны. Вывод: светодиод почти не горит — как у дистиллированной воды. Это контринтуитивно: густой сироп «на вид концентрированнее» солёной воды, а ток не проводит.
Шаг 4. Проверка реальностью
Измеряем и сравниваем с предсказаниями. Совпало — модель работает. Не совпало — ищем причину: грязные электроды? соль попала в сироп? плохой контакт? Расхождение предсказания и факта — это не провал урока, а самое интересное место в нём.
6. Практика: собираем измеритель
Сборка A — «Светодиодный измеритель» (базовая)
Что собрать: батарейный отсек → резистор 330 Ом → светодиод → электрод. Второй электрод — сразу на минус батареи. Электроды — два жёстких оголённых провода, закреплённых так, чтобы они не касались друг друга и погружались в жидкость на одинаковую глубину.
Что увидеть: опускаем электроды в стакан и смотрим на яркость.
| Жидкость | Прогноз | Факт |
|---|---|---|
| Дистиллированная вода | ||
| Вода из-под крана | ||
| Солёная вода | ||
| Сахарный сироп | ||
| Сок | ||
| Кола / энергетик | ||
| Минералка |
Заполняй колонку «прогноз» до измерения — это половина смысла работы.
Довести до предела: в стакан с дистиллированной водой добавляй соль по крупинке, помешивая. Найди момент, когда светодиод только-только начал светиться. Сколько крупинок понадобилось? Это твой порог чувствительности.
Сборка B — «Мультиметр вместо глаза» (измеряем, а не любуемся)
Светодиод отвечает «ярко / тускло» — это грубо. Мультиметр в режиме измерения сопротивления (Ω) даёт число.
Что делать: те же электроды, но подключены к мультиметру. Записываем сопротивление каждой жидкости в таблицу.
Важная тонкость: число будет «плавать» и медленно меняться. Это нормально — на электродах идут электрохимические процессы. Договоритесь в классе снимать показание на третьей секунде после погружения, иначе результаты будет не с чем сравнивать. (Это, кстати, называется методикой измерения, и настоящие лаборатории тратят на неё больше сил, чем на сам прибор.)
Довести до предела: измерь одну и ту же жидкость, погрузив электроды на 1 см и на 3 см. Сопротивление изменилось? Почему? (Больше площадь контакта — больше «полос движения» для ионов.) Вывод: сравнивать жидкости можно только при одинаковой глубине погружения.
Сборка C — «Расследование этикетки» (главная)
Что делать: возьми 3–4 бутылки с разной минерализацией — от «столовой» (до 500 мг/л) до лечебно-столовой (1000+ мг/л). Найди на этикетке цифру общей минерализации. Измерь сопротивление каждой.
Главный вопрос: совпадает ли порядок? Та вода, у которой на этикетке минерализация выше, действительно даёт меньшее сопротивление?
Довести до предела: проверь энергетик и колу. У сладкой газировки проводимость даёт не сахар, а кислоты (ортофосфорная, лимонная) — они дают ионы. Сравни «обычную» и «зеро»: разница в сахаре огромная, а в проводимости — почти никакой. Это лучшее доказательство главной идеи урока.
7. Разноуровневые задания
Воспроизведение.
- Что такое ион? Чем он отличается от обычного атома?
- Разложи по двум колонкам «даёт ионы / не даёт»: поваренная соль, сахар, сода, спирт, лимонная кислота, масло.
8. Итог
Вернёмся к толпе с тележками. Ток в жидкости несут не электроны, а ионы — заряженные частицы, которые появляются, когда вещество распадается в воде. Соль распадается, сахар — нет. Поэтому проводимость измеряет не «сколько растворено», а сколько растворено ионов.
Твой прибор умеет то, чего не умеет ни один человек без прибора: отличить раствор соли от раствора сахара, не пробуя на вкус. Этикетка теперь для тебя не реклама, а набор проверяемых утверждений.
Домой (без обязаловки). Прибор твой — забирай. Проверь холодильник: молоко, чай, минералку, рассол из-под огурцов, слёзы (да, они солёные — и это измеримо). Найди дома жидкость, которая проводит лучше всех. Принеси результат на следующий урок.
Мостик. Мы научились отвечать «больше или меньше». Но на этикетке — конкретные числа: 850 мг/л. Как от «горит ярче» перейти к числу? Для этого нужен эталон и калибровка — этим займёмся в старших классах, а на следующем расследовании выясним, чем мы дышим в классе к шестому уроку.
🧑🏫 Карточка учителя
Банк вопросов и типичных ошибок, тайминг занятия, ТБ, что делать, если пошло не так, и метапредметные выходы — кому из коллег что сказать про это расследование.