NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KILAVUZU NANOKRİSTAL FABRİKASYON

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP İçindekiler 1. Öğretmenler için Önsöz 2. Giriş 3. Öğrenme Süreci 4. Sonuç 5. Değerlendirme ÖĞRETMEN KILAVUZU NANOKRİSTAL FABRİKASYON Bu ders planı web sitesinde ( ) yer alan bilgilerin kullanılması ve sınıf ortamında nanoteknoloji farkındalığının yaratılması ve öğrencilere nanoteknoloji genel bilgilendirmelerinin yapılmasını sağlamak amacıyla orta öğretim fen bilimleri öğretmenlerine yönelik hazırlanmıştır. Öğrenci Grubu Süre İlgili Dersler yaş arasındaki öğrenciler 90 dakika Fizik-Kimya Dersin Amacı Nanokristaller dersi nanoteknolojiyi inceleyerek Nanokristallerin oluşumu üzerine odaklanmaktadır. Ders öğrencilerin kristal yapıları anlamalarını sağlamaktadır. Öğrenciler kristallenme sürecini öğrenirler, günlük yaşamdan maddelerin çekirdeklenme ve tanecik büyümesi üzerine hazırlanan simulasyonların uygulamalarını yaparlar. Dersin Hedefleri Nanokristallerin özelliklerini öğrenmek Kristal yapılar hakkında bilgi edinmek Nanokristallerin elde edilmesi sürecini öğrenmek Günümüz teknolojisinin çalışma şeklini öğrenmek Fen dersleri ile Nanokristal oluşum sürecini ilişkilendirmek Nanokristaller ve nanoteknolojinin kullanım alanlarını öğrenmek Öğrencilerin Önceden Bilmesi Gerekenler Öğrenci kılavuzunda geçen aşağıdaki terimleri bilmeli; Atomlar ve kimyasal bağlar, İyonik bileşikler, Çözeltiler. 1

2 Beklenen Öğrenci Kazanımları Kristal Yapı yı öğrenmek. Nanokristalleri nanoteknoloji ile ilişkilendirmek. Çözünme ve çökelme olaylarını kavramak. Materyaller ve Kaynaklar Öğrenciler için okuma metni. Deney Videosu (öncül solüsyonun kontrollü çökelmesi ile nanokristal oluşturma). Deneysel Simulasyon -1 ve 2 (Nanokristal Çinko Zinc Acetate). Öğrenci Değerlendirmesi Öğrenci çalışma kağıdı Öğrenci kısa sınavı Daha kapsamlı ders için öneri Öğrencilerin kristallerin nanoboyutta ne gibi fiziksel özelliklere sahip olduklarını öğrenmeleri için başka nanokristal yapıları araştırmalarını sağlayın. ÖĞRETMENLER İÇİN ÖNSÖZ Etkinliğin Kısa Tanımı ve Kısa Kuramsal Bilgi Kristal yapılar düzenli yapılardır ve düzgün geometrik şekillere sahiptirler. Atomlar belirli geometric şekiller içinde düzenli sıralanırlar. Atomlar küresel yapıda olduklarından kübik ya da tetragonal hacimleri tam olarak dolduramazlar. En etkili dizilime % 74 ile yüzey merkezli kübik yapı(fcc) ile hegzagonal sıkı paket(hcp) yapılarında rastlanır. Daha fazla bilgi için: Şekil 1: Yüzey Merkezli Kübik Yapı (fcc). (1) Şekil 2: Hegzagonal Sıkı Paket Yapısı. (2) 2

3 Örneğin; Öğrenci Kılavuzunda bahsedilen altın nanoparçacıkların birim hücre yapısı yüzey merkezli kübik yapıdır (fcc). Bu nanoparçacıkların fiziksel özellikleri büyüklüklerine bağlı olarak değişir. Örneğin; 12nm boyutundaki altın nanoparçacıkların çözeltisi KIRMIZI renklidir! GİRİŞ Şekil 3: Altının fcc yapısı. (3) Madde ve enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Lavoisier Öğretmen aşağıdaki soruları sorarak beyin fırtınasını başlatır: Her gün çay içiyoruz ve içine şeker koyuyoruz. Şekeri koyduktan kısa bir süre sonra şeker kayboluyor. Sizce ne oluyor? Öğretmen öğrencilerden ne olduğu ile ilgili düşüncelerini ifade etmelerini ister, çözünürlük, çözeltiler, çözülme hakkındaki eski bilgilerini hatırlamalarına ve bunları gerçek yaşamdaki olgularla ilişkilendirmelerine yardımcı olur. Öğretmen öğrencilerin şekerin çaya koyulduğunda çözünmeye başladığını, varlığının devam ettiğini ancak gözle görülemez hale geldiğini fark etmesini teşvik eder. Öğretmen başka bir soru daha sorar: Çözünmüş şekeri neden göremiyoruz? Bazı öğrenciler şeker çözündükçe parçacıklarının çıplak gözün göremeyeceği kadar küçük hale geldiğini söyleyebilir. Çıplak gözün görebileceği en küçük şeyin boyutu 0,1mm dir. Öğretmen tartışmayı çözünmüş şeker moleküllerinin 0,1mm den küçük olduğu, boyutlarının nanoölçekte ya da daha küçük olduğunu açıklayarak bitirir. Öğretmen öğrencilerden nanoboyut hakkında öğrendiklerini hatırlamalarını ister. Peki çay soğuyunca ne olur? Öğrencilerin çoğu şekerin bardağın dibinde tekrar görünür hale geleceğini söyleyeceklerdir. Öğretmen çökelme sürecini açıklar ve hatırlatır ve nanoboyuttaki parçacık büyüklüğü ile ilişkilendirir. Öğretmen moleküllerin bir araya geldikçe boyutlarının büyüdüğünü ve gözle görünür hale geldiklerini açıklar. 3

4 ÖĞRENME SÜRECİ Dersten Önce Ödev: Providing the students the text on LED and asking them to read it. Ders Öncesi Hazırlık: Deney videosunu seyretmek için sınıfın hazırlanması. Aşağıda açıklanan etkinlikler için gerekli olan malzemelerin hazırlanması. Ders Sırasında Adım -1: Metin ile ilgili aşağıdaki soruların sorulması. Soru 1: Nanoteknoloji ilk ne zaman kullanılmıştır? Nanoparçacıklar, kiliselerde ve başka yapılarda camlarda vitray yapmak üzere Ortaçağ da (10. Ve 18. yüzyıllar arasında) kullanılmıştır. Bu nanoteknolojinin bilinçsiz kullanımının bir örneğidir. Soru 2: Nanoboyutta neden farklı özellikler gözlemliyoruz? Nanoparçacıkların şekilleri ve boyutları fiziksel özelliklerini etkiler. Nanoparçacıkların çapı soğurulan ışığın dalgaboyunu etkiler. Aynı zamanda nanoparçacıkların yüzey alanı kimyasal aktifliklerini etkiler. Yüzey alanı büyüdükçe kimyasal aktiflik artar. Soru 3: Nanoparçacık oluşturmada kullanımlan iki yaklaşım nedir? Nanoparçacık oluşturmada kullanılan iki yaklaşım vardır: büyükten küçüğe (topdown) ve küçükten büyüğe (bottom-up). Büyükten küçüğe (top-down) yaklaşımı temel olarak büyük boyutlardaki maddeleri nano boyuta kadar küçültür. Küçükten büyüğe (bottom-up) yaklaşım ise atomları tek tek dizerek madde elde etmeyi amaçlar. Nanolitografi büyükten küçüğe yaklaşımının bir örneğidir ve atomların Atom Gücü Mikroskopisi ile düzenlenmesi küçükten büyüğe nanoteknoloji yaklaşımına bir örnektir. Şekil 4a: Bottom-up approach (4) Şekil 4b: Top-down approach (5) 4

5 Soru 4: Çözünme nedir? Sizce şeker sıcak suda çözündüğünde neler olur? Öğretmen öğrencilerini çözünme olayında neler olduğunu gözlerinde canlandırmalarını sağlayacak şekilde yönlendirmeli ve Nanokristaller deney videosu izlenmeli dir. Çözünme, bir maddenin başka bir madde içinde gözle görülemeyecek kadar küçük parçacıklar halinde homojen olarak dağılması olayıdır. Katıların çözünmesi olayı kristal kafesin tek tek iyonlara, atomlara ya da moleküllere ayrılması ve çözücü içinde dağılmaları olarak açıklanabilir. Sıvı ve gazlarda çözelti oluşabilmesi için moleküllerin çözücü molekülleri ile uyumlu olması gerekir. Ödev -1: Öğrencilere çözünürlüğe etki eden faktörleri hatırlatın. Adım-2: Deney videosunu sınıfta izleyin. Öğrencilere çözünme, çökelme, nanoparçacık, kristaller, nanokristaller, görünen ışık, mikron, yığılma, mikrometre gibi bazı anahtar sözcükleri öğrenmelerini söyleyin. Adım-3: Metin ile ilgili aşağıdaki soruların sorulması. Soru 5: Çinko asetat kaynamakta olan etanolün içine atıldığında ne olur? Çinko asetat kaynayan etanolün içinde çözünerek iyonlarına ayrışır. Parçacıkların görünmemesine rağmen çinko asetatın Zn ve CH COO iyonları halinde hala çözeltide bulunduğunu belirtin. Soru 6: Sizce çözeltideki iyonlar neden çıplak gözle görülemezler? Çıplak gözle görülebilen en küçük şey 0.1mm (1/ m) boyutundadır. Çözünme sonrasında oluşan parçacıklar o kadar küçüktür ki, görünür alandaki ışığı yansıtmazlar. Laboratuarınızda deneyi yapın. Laboratuar Deney Süreci: Öğretmenlerin takip etmesi gereken adımlar ve gerekli yönlendirmeler aşağıda belirtilmiştir. 1- Öğretmen bir öğrenciden çinko asetatın kimyasal formülünü tahtaya yazmasını ister. Başka bir öğrenciden de çinko asetatın kristal yapısını çizmesini ister (Şekil 5). 2- Deneyde kullanılacak her malzemeyi tek tek öğrencilere göstererek adlarını ve ne işe yaradıklarını sorun. Çinko asetat dihidrat: Çözünen, Beher: Çözelti kabı, Dereceli Silindir: Çözücü hacmini ölçer, Dijital Sıvı Termometresi: Çözeltinin sıcaklığını ölçer, Tartı: Çözünen kütlesini ölçer, Spatula: Çözünen katısını behere aktarmada kullanılır. 5

6 Zn (CH COO) Zn(CH COO). (H O) (a) (b) (c) Şekil 5: (a) Çinko asetatın yapısı, (b) Çinko asetatın kimyasal formülü, (c) Çinko asetat dihidratın kimyasal formülü. (6) 3- ml etanol behere konur. Isıtıcı C ye ayarlanır. Beher ısıtıcının üzerine konur ve etanol kaynamaya başlayana kadar beklenir. Sıcaklık etanolün kaynama noktasına ulaşınca (, C ) kaba,g çinko asetat dihidrat elektronik terazide ölçülerek spatula yardımıyla eklenir. Çinko asetatın katılmasıyla birlikte sıvı bulanıklaşır. Fakat çok kısa sürede tekrar saydam hale gelir. Öğrencilerden dikkatlice gözlemlemelerini ve sürece odaklanmalarını isteyin. Öğrencilerden bu ana kadar olan süreçte neler olduğunu dikkatlice düşünmelerini ve fikir yürütmelerini isteyin. Çinko asetat Zn ve CH COO iyonlarına ayrışır ve H O ayrılır. Bu iyonlar çözeltinin içinde dağılır. 4- After leaving the solution to cooling in room temperature ( C ), ask the students what they expect to see at the end of this step. Çökelmeyi gözlemleyin ve öğrencilere beklenen sonuca ulaşabilmeleri için yönlendirici sorular sorun. örneğin: Soğuma sırasında neler gözlemlediniz? Berrak çözelti neden bulanık hale geldi? Adım-4: Simulasyon-1 ve 2 yi (Çözünme ve Moleküler Çözünme) öğrencilerle birlikte izleyin. İyonlaşmaya dikkati çekin ve aşağıdaki soruları sorun. Adım-5: Metin ile ilgili aşağıdaki soruların sorulması. Soru 7: Sizce bu deneyde neden kaynama noktasındaki sıcak etanol kullanılmıştır? Katıların çözünürlüğü çözücünün sıcaklığına bağlıdır. Genelde katıların çözünürlüğü sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir. Bu yüzden deneyde sıcak etanol kullanılır. Soru 8: Sizce çözelti soğumaya bırakıldığında ne olur? Öğretmen, öğrencilerin katıların çözünürlüğünün sıcaklıkla doğru orantılı olmasından dolayı çözelti sıcaklığı düştükçe çökelmenin başladığının ve Zn ile 6

7 CH COO iyonlarının biraraya gelerek çinko asetat kristallerini oluşturduklarının farkına varmalarını sağlamalıdır. Adım-6: Öğrenci klavuzunda açıklanan Etkinlik-1 e başlayın. Adım-7: Etkinlik ile ilgili ilgili aşağıdaki soruları sorun. Etkinlik ile ilgili tartışın ve deney videosunda olanlar ile ilişkilendirin. Soru 9: Sizce bu etkinlik neyi temsil ediyor? Moleküler çözünme Soru 10: Sizce bir bardak çay sınırsız şeker çözebilir mi? Hayır Soru 11: Sizce bir bardak çayın çözebileceğinden fazla şeker atıldığında ne olur? Fazla olan şeker çökelir. Soru 12: Sizce çay şeker çözündükten sonra soğumaya bırakıldığında ne olur? Sıcaklık azaldıkça, şekerin çözünürlüğü azalır. Böylece, şeker molekülleri çökelmeye başlar. Ödev-2: Öğrencilerden çözünmüş olan katıların neden ve nasıl çökeldiğini araştırmalarını isteyin. Adım -8: Simulasyon -3 ve 4 ü (Çökelme ve Moleküler Çökelme) öğrencilerle izleyin. Öğrencilerle çözelti soğumaya başladığında ne olduğunu tartışın. Öğrencilere çökelmenin nasıl gerçekleştiğini düşündüklerini sorun. Katıların kristal yapılarına dikkat çekin ve sınıfta etkinlik-2 ve 3 ü yapın. Adım -9: Etkinlik ile ilgili aşağıdaki soruları sorun. Soru 13: Soğuma hızı çökelen katının yapısını etkiler mi? Soğuma sürecinin hızı çökelen katının yapısını etkiler. Çözelti yavaş yavaş soğutulduğunda çökelen katı düzenli kristal yapıya sahip olacaktır. Bunu yanısıra, çözelti çok hızlı soğutulduğunda çökelen katı düzensiz yapılı amorf yapıya sahip olacaktır. Simulasyon Sürecinin Kısa Özeti: Zn(CH COO). (HO) nun etanole atılması ile çözeltinin önce bulanıklaşıp sonra şeffaflaşması ve soğumu ile tekrar bulanıklaşması arasında geçen periyotta neler olduğu ile ilgili sorular sorun. Başlangıçta partiküller Zn(CH COO). (HO), μm den daha büyüktür. Zn ve CH COO iyonlarına ayrışır. 7

8 Çözelti soğumaya bırakıldıktan sonra kristallenme başlar. İyonlar en düşük enerji seviyesinde bir araya gelirler. Çökelme devam ederse kristal boyutları artar. Bu nanokristaller çözelti içinde topaklanır ve görünebilirler. Adım-10: Öğrenci klavuzunda açıklanan Etkinlik-2 ye başlayın. Adım-11: Etkinlik ile ilgili ilgili aşağıdaki soruları sorun.,mm boyutuna ulaştığında Soru 14: Kübik yapı nasıl % 100 doldurulabilir? Öğrencilerinizle tartışın. Kübik yapı ancak dikdörtgen ya da kübik prizmalar kullanılarak %100 doldurulabilir. Soru 15: Kübik bir yapı küresel yapılarla en iyi nasıl doldurulur? Kübik yapılar, küresel yapıların arasında kalan boşluklardan dolayı tam olarak doldurulamaz. En yüksek doldurma oranı % 74 tür. Soru 16: Pinpon toplarının diziliminde bir model var mıdır? Kristal yapılarla ilişkilendirin. İki tür yapısal model gözlemlenebilir: Hegzagonal sıkı paket (hcp) ve yüzey merkezli kübik (fcc) yapı. Adım-12: Öğrenci klavuzunda açıklanan Etkinlik-3 ye başlayın. Adım-13: Etkinlik ile ilgili ilgili aşağıdaki soruları sorun. Question 17: Masada oluşan yapılar arasındaki farklar nelerdir? İlk yapı kristal denen uzun erimli düzende katı yapıdır. İkinci yapı, amorf denen kısa erimli düzende katı yapıdır. Soru 18: Cam vazo ile kristal vazoyu yapılarının düzenli ya da düzensiz oluşuna gore sınıflandırın. Cam vazo amorf katı, kristal vazo kristal katı örneğidir. SONUÇ Öğretmen aşağıdakileri tartışarak dersi özetler: Alanı fen olmayan kişilere bir aktivite düzenleyecek olsaydınız nanokristaller hakkında ne yapardınız/söylerdiniz/öğretirdiniz? Sizce gelecekte teknolojide nanokristallerin önemi ne olacaktır? 8

9 DEĞERLENDİRME Kısa Sınav Ölçek değerlendirme A. Boşlukları uygun ifadeler ile doldurun. (5 dakika) 1- Çinko asetat çözünürken. ve. iyonlarına ayrışır. 2- Çinko asetat tamamen çözündüğünde çözelti ve.....dır. 3- İyonik bileşiklerin çözünürlüğü çözücünün cinsine ve dayanır. B. Aşağıdaki cümleleri Doğru (D) ya da Yanlış (Y) olarak sınıflandırın. (5 dakika) ( ) 1- Çözelti soğumaya bırakıldığında çinko asetatın çözünürlüğü azalır. Atomlar yavaş yavaş bir araya gelerek nanokristal yapıları oluştururlar. ( ) 2- Çözelti soğumaya bırakıldığında çözünmüş olan tanecikler çökelmeye başlar. Çökelti 0, 1 mm boyutunda görünmeye başlar. ( ) 3- Çökeltiyi oluşturan parçacıklar görünür ışığın dalgaboyundan daha küçük boyutlu olduklarından parçacıklar ışığı kıramazlar. CEVAPLAR A. Boşlukları doldurunuz. 1- Zn - COO 2- Renksiz - saydam 3- sıcaklığa B. Doğru (D) ya da Yanlış (Y) yazınız. 1- Y 2- D 3-D KAYNAKLAR (1) (2) (3) (4) bemicroscopy.htm (5) (6) 9