Zamknięci w domach będziemy mieć więcej czasu na czytanie książek, majsterkowanie i eksperymentowanie. Co jest dobrym i zdrowym towarzyszem książki? To oczywiście herbata, a najlepiej herbata z cytryną i cukrem.
Pić czy nie pić? Oto jest pytanie!
Ja odpowiadam pić i to dużo. Oczywiście pić dużo herbaty z cytryną…
Przedstawię Wam dzisiaj kilka fizycznych i chemicznych eksperymentów z cukrem i herbatą. Postaram się odpowiedzieć na pytanie, czy najpierw dodawać cukru, a potem cytrynę? A może odwrotnie?
Jak wyprodukować sztuczny miód i jaki ma on związek z osłodzoną herbatą?
Jak pomierzyć lepkość miodu?
Jak odróżnić sztuczny miód od prawdziwego?
I wreszcie, czy herbata z cytryną jest bezpieczna i nie zawiera aluminium?
Kilkanaście lat temu tym problemem zajęła się moja pociecha w 8 klasie niemieckiego gimnazjum w ramach zadania konkursowego. Oto, jaki układ pomiarowy zbudowała.
Na tym zdjęciu widzicie dwie zlewki wypełnione sacharozą zmieszaną z wodą w identycznych proporcjach. Do jednej zlewki (nr. 1) dodano naturalny sok z cytryny. Obie zlewki poddano ogrzewaniu u utrzymano temperaturę 80°C przez parę godzin do zagęszczenia substancji. Następnie obie substancje poddano obserwacji pod kątem parametrów fizycznych i chemicznych.
Już na pierwszy rzut oka substancje różnią się konsystencją i kolorem. Tam gdzie nie dodano cytryny, substancja ma kolor biały i w dużej części krystaliczną strukturę. Tu zdjęcie pod mikroskopem.
W drugiej zlewce substancja ma kolor miodowy i zachowała stan ciekły. Obserwacja obu próbek pod mikroskopem w świetle czerwonego lasera pokazuje pewne różnice w układzie prążków dyfrakcyjnych. Czyli własności optyczne takie jak ugięcie światła tych substancji są różne. Dyfrakcja światła laserowego zachodzi między innymi, kiedy przechodzi ono przez ośrodek o zmiennej impedancji.
Powyżej zdjęcie substancji w świetle laserowym ze zlewki, do której była dodana cytryna.
Powyżej zdjęcie w świetle laserowym resztek nieskrystalizowanej substancji gdzie do wody dodano jedynie czystą sacharozę.
Jak widać po podgrzewaniu otrzymaliśmy substancje różniące się właściwościami fizycznymi. Próba smakowa pokazuje, że obie substancje zachowały smak słodki, różniący się delikatnie intensywnością. delikatniejszy smak wykazuje substancja która powstała w zlewce z dodatkiem cytryny.
Niestety Salon 24 nie oferuje możliwości wstawienia wzorów chemicznych, więc napisałem na tablicy i sfotografowałem wzór chemiczny sacharozy. Dalej pokazuję Wam, co stało się po dodaniu katalizatora, w postaci kwasku cytrynowego.
Zauważcie, że kwasek pozwolił na pocięcie łańcucha sacharozy dokładnie na pół, oraz przyłączenie jednej cząsteczki wody.
Ta nowa substancja to glukoza, chemicznie identyczna z fruktozą. Otrzymane dwie cząsteczki mają właściwości chiralne, czyli wprawdzie ich skład chemiczny - atomowy - niczym się nie różni, ale wykazują symetryczność podobną do naszych dłoni. Różnią się rozmieszczeniem tych atomów w przestrzeni. Czyli możemy też powiedzieć, że fruktoza jest izomerem glukozy.
Zatem kwas pozwala na wyprodukowanie z dwucukru jakim jest sacharoza cukrów prostych, jakimi są glukoza i fruktoza poprzez hydrolizę. W tym przypadku następuje przyłączenie z wody do reakcji jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Dawniej nazywano to sztucznym miodem, dziś rozpowszechniona w cukiernictwie substancja nazywana jest cukrem inwertowanym. Inwertowanym ze względu na to, że substancja ta zmienia własności załamania światła czyli inwersję skręcalności optycznej, która widoczna jest też na zdjęciach powyżej.
W drugiej zlewce pozostała niezmieniona chemicznie sacharoza, która jak widać na załączonym już wyżej zdjęciu, o wiele szybciej buduje kryształy.
Skoro wyprodukowano sztuczny miód to, co zrobić z taką substancją?
Można ją zjeść oczywiście, ale to nie jest takie oczywiste dla rasowego badacza. Przykładowo, można zmierzyć jej lepkość i prześledzić jak zmienia się ona wraz z temperaturą.
Czyli raj dla fizyka.
Wydawałoby się, że nic nudniejszego nie można wymyślić. Ale to fajne ćwiczenie na pomysłowość waszych pociech i naukę metod pomiarowych. Ograniczona ilość substancji celowo komplikuje zadanie. Wasza pociecha musi otrzymać do tego celu jedynie kulkę szklaną i niech sama kombinuje jak dokonać pomiaru. Oczywiście kulka szklana ma określone własności hydrodynamiczne i dzieciakowi należy pomóc odpowiednim wzorem na opór hydrodynamiczny, bo jego wyprowadzenie przekracza materiał matematyki na poziomie szkoły podstawowej. Ale reszta już nie. Obserwacja jak dziecko radzi sobie z rozwiązywaniem zagadnienia, przynosi wiele ciekawych spostrzeżeń, a układów pomiarowych powstaje bardzo wiele niektóre są niezwykle pomysłowe, ale jedynie kilka prowadzi do właściwych pomiarów.
Moja pociecha rozwiązała problem następująco.
Kazała mi kupić menzurkę o średnicy trzy- cztery razy większej od szklanej kulki. Poprosiła o wężyk, strzykawkę i puste opakowanie po kleju. Z tego zbudowała układ zrzutowy kulki działający na zasadzie podciśnieniowej.
Poprosiła o dwa źródła światła laserowego. Dostała laserową poziomicę i mój zwykły wskaźnik laserowy, który używam podczas wykładów. Do menzurki wlała sztuczny miód, ustaliła drogę rozbiegową dla opadającej kulki tak, aby mogła ona opadać ruchem jednostajnym, ustalonym przez opór cieczy i zaznaczyła promieniem lasera start pomiaru czasu. Drugim laserem oznaczyła koniec pomiaru czasu w dostatecznej odległości od dna menzurki, aby wyeliminować efekt poduszki hydrostatycznej.
Na zdjęciu widzicie układ do pomiaru lepkości miodu. Łaźnię wodną (1), menzurkę wypełnioną miodem sztucznym (2), podciśnieniowy układ zrzutu kulki pomiarowej (3), statywy pomocnicze (6), układ laserów diodowych (4), statyw kamery filmującej zrzut (5) i oczywiście piec kuchenny.
Aby pomierzyć czas opadania i wyliczyć z niego prędkość kulki, co po uwzględnieniu oporów hydrodynamicznych pozwoliło obliczyć lepkość miodu, zastosowano kamerę i program „Adobe” do montażu filmów. Pozwala on pomierzyć dokładnie czas i spowolnić projekcję w momencie przechodzenia kulki przez punkty startowy i końcowy, dając doskonałe wyniki pomiarowe. Lasery pozwalały na bardzo dokładne uchwycenie momentu przebiegu kulki przez linie pomiarowe.
Na zdjęciu poniżej widzicie opadającą ruchem jednostajnym kulkę szklaną.
Lasery znalazły też zastosowanie do pokazania turbulencji konwekcyjnej w podgrzewanym sztucznym i naturalnym miodzie. Co widzicie na zdjęciu poniżej.
Na koniec postanowiono pokazać jak zachowuje się jodyna dodana do sztucznego i naturalnego miodu. Wyniki tego eksperymentu widzicie poniżej. Zdecydowanie sztuczny miód zmienia kolor na ciemno fioletowy (próbka nr 1), co pozwala łatwo odróżnić go od miodu naturalnego (próbka nr 2).
Jak widzicie lepkość miodu sama w sobie nie jest zbyt ciekawa i pomijam wyniki, ale samo ustalenie jak tego dokonać jest już znacznie ciekawsze.
No dobra, teraz pora na herbatkę.
W Internecie i plotkach można usłyszeć, że picie herbaty z cytryną jest niebezpieczne, bo dodanie cytryny uwalnia aluminium. To jest godne uwagi, bo aluminium ma paskudne działanie na układ nerwowy.
Odpowiedź jest taka.
Jeśli zaparzycie herbatę i wlejecie do kubka jedynie jej klarowny napar, a potem dodacie soku z cytryny nic się nie stanie. Próbnik - zastosowano bardzo czułe testy - nie wykrywa aluminium.
Ale jeśli macie zwyczaj sypania herbaty do kubka i jej zaparzania, tak, że na dnie znajdą się liście to wtedy mamy problem i przy herbatach z pewnych rejonów świata po dodaniu cytryny pojawią się sole aluminium, a nawet arsenu. Podobnie stanie się, jeśli pozostawicie w kubku celulozowy woreczek do parzenia herbaty. Zatem należy tego unikać i zawsze nalewając naparu starannie przecedzać napar przez sitko, albo wyciągać woreczek po parzeniu naparu. Potem możecie bez obaw dodać cytrynę!
No dobrze a cukier?
Ja polecam do gorącego naparu dodajemy najpierw cukier, a potem cytrynę. Należy chwilkę poczekać, a potem możemy rozkoszować się cudownym smakiem herbaty posłodzonej już nie sacharozą, a glukozą, bo w waszym kubku zajdzie opisane wyżej cięcie łańcucha wielocukru, zamieniając go w cukier prosty, albo cukry proste, bo będzie tam i glukoza i fruktoza. Zatem niech żyje hydroliza sacharozy! Niech żyją cytryny umożliwiające nam korzystanie z tej cudownej fabryki chemicznej!
Opisane eksperymenty pozwolą Wam na fantastyczną zabawę z dziećmi w ten czas, kiedy nawet na spacer wyjście jest ograniczone. Kto wie, kto z nich wyrośnie, kiedy złapią bakcyla eksperymentowania? O przepraszam bakcyl obecnie nie brzmi dobrze. Więc niech trwa zabawa nauką!
A kiedy zabraknie miodu naturalnego wiecie już jak sobie poradzić z produkcją sztucznego.
ps. Tu bardzo ciekawa notka blogera "Kancermeister" na temat wstawiania wzorów w tekście. Polecam!
https://www.salon24.pl/u/kancermeister/1033152,wzory-chemiczne-i-inne
Inne tematy w dziale Technologie
