STEM Ders Planı Tarih: Kasım 2017 Ders: KİMYA Konu: Asitler ve Bazları Tanıyalım Öğretmen: Yasemin KESKİN ÇİNKAYA Sınıf: 10 Süre: 160dk (4 ders saati) 1. Hedef Kazanımlar: 1.1 Bilişsel Süreç Kazanımları: Merkezdeki disipline ait kazanım: Asitler ve bazların bazı renkli maddelerin (çay, üzüm suyu, kırmızı lahana, vb.) rengini değiştirmesine dikkat çekilir; indikatör kavramı tanıtılır. Uygulamada merkeze alınan kazanımın 10.sınıf Kimya Öğretim programındaki yeri: Ünite Adı Konu Adı Kazanım Alt Kazanımlar 1.Ünite:Asitler, Bazlar ve Tuzlar 1. Asitler ve Bazları Tanıyalım 1.1. Asitleri ve bazları gündelik deneyimlerle ve bilinen özellikleri yardımıyla ayırt eder. 1.1.a. Limon suyu, sirke gibi maddelerin ekşilik ve aşındırma özellikleri, asitlikleriyle ilişkilendirilir. 1.1.b. Kirecin, sabunun ve diğer deterjanların ciltte oluşturduğu kayganlık hissi baziklikle ilişkilendirilir. 1.1.c. Asitler ve bazların bazı renkli maddelerin (çay, üzüm suyu, kırmızı lahana, vb.) rengini değiştirmesine dikkat çekilir; indikatör kavramı tanıtılır. Diğer STEM disiplinine ait kazanım: Uygulamada merkeze alınan kimya kazanım ile ilişkilendirilecek kazanımların 9.sınıf Biyoloji Öğretim programındaki yeri: Ünite Adı Konu Adı Kazanım Alt Kazanımlar 1. Ünite: Yaşam Bilimi Biyoloji 1.3. Canlıların Yapısında Bulunan Temel Bileşikler 1.3.1.Canlıların yapısını oluşturan organik ve inorganik bileşikleri açıklar. a. Su, mineraller, asitler, bazlar ve tuzların canlılar için önemi belirtilir. b. Kalsiyum, potasyum, demir, iyot, flor, magnezyum, sodyum, fosfor, klor, kükürt, çinko minerallerinin canlılar için önemi vurgulanır. c. Karbonhidratların, yağların, proteinlerin, nükleik asitlerin, enzimlerin yapısı, görevi ve canlılar için önemi üzerinde durulur. ç. DNA nın tüm canlı türlerinde bulunduğu ve aynı nükleotitleri içerdiği vurgulanır. d. ATP'nin ve hormonların kimyasal formüllerine yer verilmeden canlılar için önemi sorgulanır.
e. Vitaminlerin genel özellikleri verilir. A, D, E, K, B ve C vitaminlerinin görevleri ve canlılar için önemi üzerinde durulur. B grubu vitaminlerinin çeşitlerine girilmez. f. Öğrencilerin besinlerdeki karbonhidrat, yağ ve proteinin varlığını tespit edebilecekleri deneyler yapmaları sağlanır. 1.2. Sosyal Ürün Kazanımları: Öğrencilerde bu etkinlik sonunda beklenen sosyal ürün kazanımları; Başarıların büyük çoğunluğunun bireysel olarak değil, takım çalışmasıyla elde edilebileceğini kavrayabilmeleri, Takım çalışmasında sorumluluk almaları, görevlerini eksiksiz biçimde yerine getirmeleri ve özdenetimleri, fikirlerini açık ve anlaşılır biçimde ifade edebilmeleri, Çevresindeki problemlere karşı duyarsız kalmamaları, problemleri keşfetmeleri, bu problemlerin çözümü için başkalarından yardım beklemek yerine bizzat probleme çözüm bulmayı hedeflemeleri, Derslerde öğrenilen bilgilerin günlük hayatta karşılaştıkları bir problemin çözümünde de kullanılabileceklerini fark etmeleri ve bunun başka örneklerle desteklenerek teşvik edilmesi, Başka derslerde (matematik, fizik, biyoloji, coğrafya) elde ettikleri kazanımları kimya dersinde karşılaştıkları bir problemin çözümünde de kullanabileceklerini farketmeleri, Deneysel süreci tasarlama (kullanılacak deneysel yöntemin belirlenmesi, deneysel sürecin planlanması ve tüm aşamaların kaydedilerek raporlaştırılması, araç-gereç-malzeme temini ve tahmini bütçe hesaplama, elde edilen bulguların değerlendirilip paylaşılması) Bilim okur-yazarlığı kültürü kazanabilmeleri (Öğrenci bilimsel/akademik bilgiye hangi yolla, nasıl ulaşır? Bilimsel çalışma basamakları nelerdir? Çalışmalarını nasıl raporlaştırılıp yayımlayabilir?) Takım çalışması sonucu elde ettiklerinin ürüne dönüşme potansiyelini görmeleri, girişimcilik ruhu kazandırılması, ulusal ya da uluslar arası genç girişimcilerin başarılı örneklerinin paylaşılarak öğrencilerin cesaretlendirilmesi şeklinde sıralanabilir. 2. Kullanılan Materyaller: Yer: Lise kimya laboratuvarı Malzemeler: çay, üzüm suyu, lavanta, kırmızı lahana, vb., (asit-baza karşı renk değiştirerek duyarlılık gösteren doğal malzemelerdir, öğrenciler araştırma yaparak bu bitkilerin çeşidini arttırabilirler) Filtre kağıdı ( renkli çözeltilerde 1 gece bekletilir, turnusol kağıdı gibi şeritler halinde kesilerek kullanılır)
Etilalkol, Saf su (Bitkilerden asit-baza duyarlı renk veren etken maddenin ekstrasyonu için çözücü olarak önce su sonra da etil alkol kullanılır, etkinlikleri kıyaslanır) Etüv ya da Fırın (Ekstraksiyon sonucu çözücüyü ortamdan kısa sürede uzaklaştırmak için kullanılır) Cam malzemeler (petri kabı, deney tüpü, erlen mayer, beherglas..) Amonyak, Karbonik asit (Hazırlanan indikatör etiketlerin asit-baz duyarlılığını test etmek için kullanılır) Günlük süt, UHT süt 3. Kaynaklar: Tüm öğrenci gruplarının çalışmalarını yaparken yararlandıkları kaynakların toplu listesidir: 1- TOYNE, Brian, WALTERS, Peter G.B, (1993): Global Marketing Management, Second Edition, Allyn and Bacon, USA 2- T.C. Milli Eğitim Bakanlığı Gıda Teknolojisi, Gıda Üretiminde Hijyen-2 Ders Kitabı, 2010 (Sayfa:3-20) 3- KÜÇÜK, Orhan (2002): Tüketici Satın Alma Davranışında Ambalajın Rolü, Pazarlama Dünyası, 2, Mart-Nisan 4- http://www.pinar.com.tr/yasam_kaliteniz/detay.aspx?sectionid=5uluoazusl1ekycv%2fil%2fgg%3d%3d& ContentID=WFQGjJHTJDW44Pq3LRJZdA%3D%3D 5- KOTLER, Philip (2001): Marketing Management, The Millennium Edition, Prenticehall, India 6- T.C. Milli Eğitim Bakanlığı Gıda Teknolojisi, Gıda Üretiminde Hijyen-2 Ders Kitabı, 2010 (S:38-41) 7- Üçüncü, M., 2000, Gıdaların Ambalajlanması, Ege Üniversitesi Basımevi, Bornova, İzmir, (S:689) 8- Vet Hekim Dergisi,Gıdalarda Akıllı Ambalaj Kullanımı 81(2) : 67-72, 2010 9- Restuccia, D., Spizzirri, U. G., Parisi, O. I., Cirillo, G., Curcio, M., Iemma, F., Puoci, F., Vinci, G., Picci, N., 2010, New EU Regulation Aspects and Global Market of Active and Intelligent Packaging for Food Industry Applications, Food Control 21: 1425 1435. 10- http://www.gidacilar.net/gida-ambalajlama/gida-ambalajlamasinda-biyosensorlerin-kullanimi-2944.html 11- Gok V, Batu A, Telli R (2006): Akıllı Paketleme Teknolojisi. Türkiye 9. Gıda Kongresi; 24-26 Mayıs, Bolu. 12- Gıda Endüstrisinde Akıllı Ambalaj Kullanımı, Gıda Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 2, 2012 (31-43) 13. http://en.wikipedia.org/wiki/anthocyanin 14. http://mylespower.co.uk/2012/04/06/homemade-ph-indicator/ 4. Bilgi Temelli Hayat Problemi (BTHP): 4.1. Bilgi Temelli Hayat Problemi: İndikatörler sadece kimya laboratuvarlarında asitleri ve bazları tanımak için mi kullanılır? Tıp, sağlık gıda ve endüstri sanayisinde indikatörler hangi amaçla ve nasıl bir kimlikle rol oynar? Son kullanma tarihi bizlere ambalajlanmış gıdanın kalitesi ve güvenliği konusunda her zaman doğru bilgi vermeyebilir, son kullanma tarihi geçmemiş olsa bile ambalaj hava almış ya da gıda ısıya maruz kalmış olabilir.. Ambalajlanmış gıdaların tazeliğini doğrudan ölçen; gıdanın son kullanma tarihinden önce raf ömrü, güvenliği ve tazeliği hakkında tüketiciyi doğrudan bilgilendiren ve bu bilgilendirme işini renk değiştirerek yapan da indikatörler olabilir mi?
4.2. Sınırlamalar: Öğrenciler akıllı ambalajlama ya akıllı etiketleri örneklerini daha önce hiç duymamış olabilir. 4.3. Meslek, Görev ve Sorumluluklar: Öğrenciler grup çalışmasında görev paylaşımı yaparken aşağıda sıralanan meslek gruplarından birinin kimliği ile çalışmalarını yürütüp sorumluluk alırsa; hem meslek hakkında bilgi edinecek hem de verilen görevi içselleştirip daha özverili çalışacaktır. Ayrıca aşağıda sıralanan görevlerden biri eksik yapıldığında, aralarında iyi koordinasyon sağlanamadığında ya da zayıf kalındığında tüm çalışmanın nasıl sekteye uğradığını görüp; takım çalışmasının ne kadar zor aynı zamanda da ne kadar değerli olduğunu görecektir. Kimyager Kimliği: Doğal indikatörlerin seçimi ve en uygun çözücü kullanılarak bitkilerde renk değişimi sağlayan etken kısmının izolasyonu (ekstraksiyonu) ve en iyi renk değişimi sağlayan doğal indikatör içeren etiketlerin hazırlanması. Gıda Mühendisi Kimliği: Hazırlanan etiketlerde örnek uygulama (et ve süt ürünlerinde, sebze ve meyvelerde, bisküvi ve çikolatada uygulamalar), hazırlanan prototiplerde elde edilen nitel verilerin nicel verilere dönüştürülmesi, ürünün işe yararlılığının ve kullanışlığınım test edilmesi. Endüstri Mühendisi Kimliği: Ambalaj etiketinin tasarımı, hazırlanan etiketlerin ürüne yerleştirilmesi. Ürünün reklamı ve piyasaya sunumunda tasarım harikası yaratmak. Girişimci-İnnovasyon Kimliği: Üretici firmalarla görüşüp neden akıllı etiketleri tercih etmeleri gerektiğine ikna etmek. Akıllı ambalaj etiketleri Amerika ve Japonya da kullanılıyor, ülkemizde ise hiç kullanılmamaktadır, ülkemizde kullanılmama sebebi olarak üretim maliyetinin artması ve ayıplı ürünlerin üreticinin elinde kalacak olması gösterilebilir. Bu etiketleri Türkiye de ilk kez kullanacak marka çok büyük farklılık yaratacaktır. Akıllı etiketlenmiş ürünlerin fiyatı diğer markalara kıyasla daha yüksek olsa bile; tüketiciler sağlık söz konusu olduğunda hiç düşünmeden bu markayı tercih edeceklerdir. Ayrıca Avrupa da kullanılanlardan farklı olarak içeriğinin doğal ve insan sağlığına hiçbir zararının olmaması ürünün en büyük üstünlüklerinden. 5. Ders İçeriği: 5.1. BTHP ve Sınırlamalar: Ambalajlanmış gıdaların tazeliğini doğrudan ölçen; gıdanın son kullanma tarihinden önce raf ömrü, güvenliği ve tazeliği hakkında tüketiciyi doğrudan bilgilendiren Akıllı Ambalaj Etiketleri Amerika ve Japonya da kullanılıyor, ülkemizde ise hiç kullanılmamaktadır ve çok az kişi tarafından bilinmektedir. Öğrencilere Akıllı Ambalaj Etiketlerini daha önce duyup duymadıkları sorulur, duymamışlar ise ön araştırma yaparak veri toplamaları ya da doğrudan aşağıda ki görselleri sunup bu etiketler acaba nedir? bu etiketlerin işlevi ne olabilir? soruları yöneltilerek fikirleri alınabilir, etiketlerin çalışma mekanizması ve sağlık açısından önemi /gerekliliği sınıfta tartışılır.
Resim 1. Amonyağa duyarlı tazelik indikatörü (To-Genkyo tarafından tasarlanan kum saati şeklindeki amonyağa duyarlı tazelik indikatörü görülmektedir. Bu etiketin alt kısmında özel bir indikatör boya yer almaktadır. Tazeliğini kaybetmeye başlayan etin yaydığı amonyak ile reaksiyona giren etiketin rengi siyahlaşır ve barkodun okunmasını engeller, böylece satışı engellenmiş olur) Resim 2: Sızıntı indikatörü (Beyaz olan üçgen, ambalaj içerisine oksijen gazı sızıntısı durumunda mavi renge dönmektedir) Sıcaklık indikatörü (Dış etikettir, ürünü saklama koşulu yani ortam sıcaklığı idealden sapınca renk değiştirmektedir) Akıllı Etiketler ya da Akıllı Gıda Temas Madde ve Materyalleri paketlenmiş gıdanın ve etrafındaki çevrenin şartlarını inceleyen madde veya materyaller olarak tanımlanmıştır. Tüketiciye gıdanın şartları ve durumu hakkında doğrudan bilgi vermek amacıyla tasarlanmıştır. Akıllı etiketler, olumsuz saklama koşullarında gıdadaki mikroorganizma gelişimi ile meydana çıkan spesifik kimyasalları tayin eder yani indikatördürler. Gıda olumsuz saklama koşullarında bozulmaya başladığında genellikle karbondioksit, amin, amonyak, etanol veya hidrojen sülfür gibi asidik/bazik kimyasallar açığa çıkarır, bu asit ve bazların çeşitli indikatörler yardımı ile varlıkları tayin edilebilir mi? Öğrenciler besinlerde ki yağ, karbonhidrat ve proteinin yapısında C,N,H,O olduğunu ve bu yapılar bozulduğunda karbondioksit, amin, amonyak, etanol veya hidrojen sülfür bileşiklerin açığa çıktığını biyoloji dersinden; bu bileşiklerin asidik ya da bazik
özellikte olduğunu ve indikatörler aracılığı ile bu özelliklerinin tayin edilebileceğini de kimya dersinden biliyor, öğrencilerin bu ilişkiyi kurmasına yardımcı olunur. Akıllı etiketlerde renk değişimi için nanoteknoloji ya da kimyasal içerikli malzemeler kullanılmaktadır. Bunlar floresan veya fosforan boyalar, bromotimol mavisi, ksilenol mavisi, bromokresol yeşili, bromokresol moru, kresol kırmızısı, fenol kırmızısı, metil kırmızısı ve alizarin gibi çeşitli kimyasallardır. Etiketlerde renk değişimi için kimyasal boyalar yerine vücudumuza hiçbir zararı olmayan bitkilerden izole ettiğimiz; antosiyonin içerikli PH duyarlılığı olan doğal boyalar kullanılamaz mı? Böylece hem maliyet düşmüş hem de sağlık açısından güvenlik artmış olacaktır. 5.2. Bilgi Edinme: Öğrencilere aşağıdaki sorular yöneltilir, kendi başlarına araştırma yapmaları için süre verilir ve birkaç gün sonra ki derste çalışmalara devam edilir: -İndikatörler kimya laboratuvarlarında asit-baz tayini dışında hangi amaçlarla kullanılır? Sağlık, gıda ya da endüstride kullanılır mı? -Hastalık tayinlerinde kullanılan testler de indikatör sınıfına girer mi? -Yaygın kullanılan kimyasal indikatörler nelerdir? Teması ya da tüketimi insan sağlığını tehdit eder mi? -Kimyasal indikatörlere alternatif bitkisel boyar maddeler var mıdır? Varsa asit-baz duyarlılıkları ya da renk değişimlerini görebilir miyiz? -Bitkilerin içinde bulunan, asit-baz ile etkileştiğinde renk değiştiren etken maddeler nedir, renk değişim mekanizması nasıl gerçekleşir? Bu etken maddeyi okul laboratuvarı imkanlarıyla bitkiden nasıl izole edebiliriz? 5.3. Fikir Geliştirme: -Bitkilerden (çay, kırmızı lahana, çilek, lavanta..) asit-baz ile etkileştiğinde renk değiştiren etken maddeleri izole ettik, artık hepimizin doğal indikatörleri var, peki bu doğal indikatörler ne işimize yarayacak? Sadece basit birer turnusol kağıdı mı yapacağız? -Hepimizin bildiği gibi besinler bozulduğunda karbondioksit, diasetil, amin, amonyak, etanol ve hidrojen sülfür bileşikleri açığa çıkar. Yağlar ve karbonhidratların yapısında C,H,O elementleri, proteinlerde ise bunlara ilaveten N elementi vardır. Yağ, karbonhidrat ve proteinin yapısı bozulduğunda belirgin miktarda CO 2 ve su buharı açığa çıkar. CO 2 gazının sulu çözeltisi asidiktir. Proteinin yapısı bozulduğunda ayrıca NH 3 açığa çıkar ve amonyak suda bazik özellik gösterir. Sütün yapısında ise protein, yağ ve karbonhidrat bulunur. Zaten tek içerikli ambalajlı gıda bulmak neredeyse imkansızdır, eser miktarda da olsa üçü de içeriğinde mevcuttur. Yani olumsuz koşullara maruz kalan sütün bozulması sonucu amonyak gazının ve karbondioksit gazının açığa çıkacağı ve bunların indikatörlere duyarlı asit-bazlar olduğu kesindir. Peki bu bozulma sürecini bitkilerden elde ettiğimiz doğal indikatörler yardımı ile renk değişimi sağlayarak somut olarak görebilir miyiz? Renk değişimi ne kadar belirgin ise açığa çıkan gaz miktarı o kadar fazla ve dolayısıyla bozulma miktarı o kadar çok ve sağlık için tehdit seviyesi yüksektir diyebilir miyiz?
-Tasarımlarda elde ettiğimiz sonuçların doğruluğunu nasıl test edeceğiz ve değerlendireceğiz? Öğretmenin bu çalışma ile öğrencilerin ulaşmasını istediği ve beklediği en üst seviye: Süt ve süt ürünleri sıvı gıdayı koruma görevini yerine getirebilmek için tasarlanmış 6 katmanlı bir malzeme olan Aseptik karton ambalaj ile havasız ortamda kaplanır. Saklama koşullarına uyulduğu takdirde raf ömrü boyunca ürünler tazeliğini korunur. Ancak süt ve süt ürünlerinin saklama koşulu uygun olmadığında, ısıya maruz kaldığında ya da ambalajı hasar gördüğünde yapılarının kolayca bozulacağı ve sağlığı tehdit edeceği bilinmektedir. Bu çalışmada süt ürünleri için doğal indikatör etiketler tasarlanmıştır. Doğal indikatör etiketler içerisinde antosiyaninlerin bulunduğu bitkilerden izole ettiğimiz doğal boyalar ile boyanmış filtre kağıtlarıdır. Bu etiketler kullanılarak sütlerin ağzı kapatılmıştır ve sütler farklı olumsuz koşullara maruz bırakılmıştır. Sütlerin son kullanma tarihi geçmemiş ancak hava ile teması sağlanmış, süt kutuları delinmiş ve sütler ısıya maruz bırakılmıştır. Sütün saklama koşulları uygun olmadığından, sütün yapısı kısa sürede bozulmuş ve bu bozulma sonucunda etiketlerde koyu renkli ve oldukça belirgin benekler oluşmuştur. İdeal koşullarda saklanan sütlerin kapak renginde ise herhangi bir değişim olmamıştır. Sütün yapısındaki olumsuz değişim, hazırladığımız doğal indikatör etiketin rengindeki değişim ile takip edilerek gözlemlenmiştir. Kısaca, son kullanma tarihi henüz geçmemiş ancak olumsuz saklama koşullarına maruz bırakılmış süt örneklerindeki bozulma, hazırladığımız doğal indikatör etiketin renk değişimi ile takip edilmiş ve gözlemlenmiştir. Bunlara ilave olarak açığa çıkan gaz miktarı insan sağlığını tehdit edecek değerin üzerine çıkarsa etiket rengi iyice koyulaşacaktır. Ambalaj tasarımı yapılırken bu etiketler barkodun alt kısmına denk gelecek şekilde yerleştirilse rengin koyulaşması barkodun okunmasını engelleyecek ve ayıplı ürünün satışı da durdurulmuş olacaktır. Ya da bozulma miktarı sağlığı tehdit edecek boyutta değilse fiyat indirimi geçerli olacaktır (bayat ekmeğin fırınlarda daha ucuza satılması gibi). Ürünü henüz satın almamış ve ambalajını açmamışken son kullanma tarihi yerine raf ömrünü görerek, ürünün tazeliği ve güvenliği hakkında doğrudan bilgi sahibi olabilir miyiz? fikrinden yola çıkarak son kullanma tarihi geçmemiş olsa bile paketlenmiş gıdanın saklama koşulları iyi olmadığında, gıda ısıya maruz kaldığında, ambalaj hava aldığında, gıdanın ph değeri değiştiğinde renk değiştirerek bizi uyaracak, gıdanın son kullanma tarihinden önce raf ömrünü görmemize yardımcı olabilecek, hatta kullanılması sakıncalı hale geldiğinde barkodunu okunmaz hale getirerek satışını bile engelleyebilecek doğal içerikli akıllı ambalaj etiketleri tasarlayabiliriz. 5.4. Ürün Geliştirme: Gruplar sırasıyla aşağıdaki yöntem aşamalarını tamamlayarak birer ürün tasarımı geliştirmelidir, ayrıca yöntem sürecininin her aşamasını raporlaştırmalı ve hazırladıkları prototipi diğer arkadaşlarına sunmalıdırlar. i. Bitkilerden Doğal İndikatör Eldesi (Ekstraksiyon-İzolasyon) ii. Bitkilerden Elde Edilen Doğal İndikatörlerin Ph Duyarlığının Gözlenmesi iii. Ph Değişimine Duyarlı Ambalaj Etiketlerinin Tasarlanması (Öğrencilerin hazırladığı örnek çalışmalar ekte yer almaktadır)
5.4. Test Etme: Öğrencilerin kendi araştırmaları sonucu bitkilerden etken maddeyi izole etmek için en uygun ekstraksiyon(izolasyon) yöntemini belirlemişlerdir, buna uygun olarak deney düzeneklerini hazırlayarak seçtikleri bitkilerden renk değiştiren doğal indikatörü izole etmişlerdir. Aşağıda öğrencilerin elde ettikleri bazı indikatörlerin asit ve baz çözeltilerinde gösterdikleri renk değişimi test sonuçları sıralanmıştır. İZOLASYONU YAPILAN BİTKİ ÖZÜTÜNÜN TEST SONUÇLARI BİTKİ ÖZÜTLERİ ASİT RENGİ BAZ RENGİ Kırmızı Lahana Pembe-Kırmızı Sarı-Yeşil Gül Yaprağı Açık Pembe Sarı-Yeşil Maydonoz Yeşil Yeşil Lavanta Renksiz Kahverengi Kırmızı Soğan Kabuğu Açık Kırmızı Açık Kahve Kuşburnu Kırmızı Koyu Yeşil Çilek Açık Turuncu Sarı-Yeşil Kiraz Açık Pembe Açık Sarı 5.5. Paylaşma ve Yansıtma: Gruplar hazırladıkları çalışmayı sözlü ve yazılı biçimde sınıfa sunacaklardır. Sunumda görev dağılımı, organizasyon şeması, prototip geliştirme süreci, ürünün yararlılığı ve gerekliliği ile ürünü piyasaya sunma fikirleri yer almalıdır.