Menyiasat keadaan untuk pengaratan

Menyiasat keadaan untuk pengaratan ialah eksperimen ujian adil yang paling dikenali dalam bab Keseimbangan Redoks Tingkatan 5, dan ia contoh Kertas 3 yang kuat kerana reka bentuknya sendiri yang berhujah untuk anda. Dengan menyingkirkan air dari satu tabung dan oksigen dari tabung lain, ia membuktikan kedua-duanya diperlukan, dan ia membingkaikan pengaratan sebagai tindak balas redoks, pengoksidaan ferum. Ikut kaedah, kemudian gunakan bahagian Kertas 3 untuk menyatakan pemboleh ubah dan penaakulan kawalan pengaratan.

Tujuan

Untuk menyiasat keadaan yang diperlukan untuk pengaratan ferum, dan menunjukkan bahawa air dan oksigen kedua-duanya mesti hadir untuk karat terbentuk.

Radas dan bahan

• Empat tabung uji berpenyumbat dan rak tabung uji
• Empat paku ferum bersih yang sama saiz
• Air suling yang dididihkan (untuk menyingkirkan udara terlarut) dan minyak masak
• Kalsium klorida kontang (agen pengering)
• Kertas pasir
• Untuk sambungan kawalan pengaratan: larutan agar panas mengandungi kalium heksasianoferat(III) dan fenolftalein, serta paku yang dililit dengan magnesium, zink, kuprum dan timah
• Gogal keselamatan

Prosedur

1. Bersihkan paku ferum dengan kertas pasir untuk membuang gris dan sebarang karat sedia ada.
2. Tabung A: letakkan sebatang paku dalam tabung uji dengan air paip supaya ia separa terendam, dan biarkan tabung terbuka kepada udara (air dan oksigen hadir).
3. Tabung B: letakkan sebatang paku dalam tabung uji yang diisi air suling yang dididihkan, tambah lapisan minyak masak di atas untuk menghalang udara, dan sumbatnya (air hadir, oksigen disingkirkan).
4. Tabung C: letakkan sebatang paku dalam tabung uji kering dengan kalsium klorida kontang dan sumbatnya (oksigen hadir, air disingkirkan).
5. Biarkan semua tabung tidak diganggu di dalam rak selama beberapa hari.
6. Perhatikan setiap paku dan rekod yang mana menunjukkan karat.
7. Untuk sambungan, letakkan paku yang dililit dengan logam berbeza dalam larutan agar panas, biarkan ia membeku, dan perhatikan warna yang terbentuk selepas beberapa waktu.

Pemerhatian yang dijangka

• Tabung A (air dan oksigen): paku berkarat dan enapan perang terbentuk pada permukaannya.
• Tabung B (air, tiada oksigen): paku tidak berkarat.
• Tabung C (udara kering, tiada air): paku tidak berkarat.
• Dalam sambungan agar, warna biru muncul di sekeliling ferum di tempat ia berkarat dan warna merah jambu muncul di tempat oksigen terturun; ferum yang dililit magnesium atau zink menunjukkan sedikit atau tiada biru, manakala ferum dengan kuprum atau timah menunjukkan lebih banyak.

Terangkan paku mana berkarat dan warna yang muncul; jangan mereka jisim karat atau kadar.

Inferens dan kesimpulan

Ferum berkarat hanya dalam tabung yang mempunyai kedua-dua air dan oksigen, jadi kedua-dua keadaan diperlukan. Menyingkirkan salah satu, oksigen dalam tabung yang dididihkan dan bertutup minyak, atau air dalam tabung dengan agen pengering, menghalang pengaratan. Pengaratan ialah pengoksidaan ferum: atom ferum kehilangan elektron membentuk ion ferum(II), yang kemudian teroksida lagi, dengan kehadiran air dan oksigen, menjadi ferum(III) oksida terhidrat, iaitu karat perang. Oksigen terturun. Dalam sambungan agar, warna biru menunjukkan tempat ion ferum(II) terbentuk (pengoksidaan) dan merah jambu menunjukkan tempat ion hidroksida terbentuk (penurunan oksigen). Logam yang lebih elektropositif yang bersentuhan, seperti magnesium atau zink, kehilangan elektron menggantikan ferum dan melindunginya, iaitu perlindungan korban; logam yang kurang elektropositif, seperti kuprum atau timah, mempercepat pengaratan ferum.

Kemahiran proses sains (gaya Kertas 3)

• Hipotesis. “Ferum berkarat hanya apabila air dan oksigen kedua-duanya hadir.” Nyatakan hubungan yang boleh diuji antara keadaan dan pengaratan.
• Pemboleh ubah. Pemboleh ubah dimanipulasi ialah keadaan yang disingkirkan (air atau oksigen); pemboleh ubah bergerak balas ialah sama ada paku berkarat; pemboleh ubah dimalarkan ialah saiz dan jenis paku, suhu dan tempoh masa dibiarkan.
• Ujian adil. Setiap tabung mengubah hanya satu keadaan daripada Tabung A, jadi sebarang perbezaan pengaratan boleh dikaitkan dengan keadaan tunggal itu.
• Membuat inferens. Daripada tiada karat dalam tabung yang dididihkan dan bertutup minyak, infer bahawa oksigen diperlukan untuk pengaratan.
• Definisi secara operasi. “Pengaratan ialah pengoksidaan ferum dengan kehadiran air dan oksigen, ditunjukkan di sini oleh enapan perang yang terbentuk hanya apabila kedua-duanya hadir.” Untuk sambungan: “sesuatu logam memberi perlindungan korban jika ferum yang disambung kepadanya tidak berkarat sementara logam itu terkakis sebaliknya.”

Langkah keselamatan

• Pakai gogal keselamatan, kerana kalsium klorida kontang merengsa dan larutan kalium heksasianoferat(III) berbahaya jika masuk ke mata.
• Kendalikan paku ferum dengan berhati-hati, kerana mata paku tajam.
• Berhati-hati dengan larutan agar panas dalam sambungan, kerana ia boleh melecur.
• Basuh tangan selepas mengendalikan bahan kimia, dan lupuskan larutan seperti diarahkan.

Kesilapan lazim

• Tidak menyumbat Tabung C dengan betul, jadi lembapan dari udara masuk dan paku berkarat, merosakkan keadaan “tiada air”.
• Tidak mendidihkan air dengan cukup atau meninggalkan celah pada lapisan minyak dalam Tabung B, jadi oksigen terlarut kekal dan paku berkarat.
• Menggunakan paku yang berbeza saiz atau yang sudah berkarat, yang menjadikan perbandingan tidak adil.
• Menamatkan eksperimen terlalu awal, sebelum karat sempat muncul dalam Tabung A.
• Mengelirukan warna biru dan merah jambu dalam sambungan agar, dan tersalah label yang mana menunjukkan pengoksidaan.

Bagaimana kami membantu

Dalam kelas Kimia SPM satu-ke-satu dalam talian kami, yang diajar dalam bahasa Inggeris, guru kami menggunakan eksperimen ini untuk membina tabiat ujian adil yang dihargai pemeriksa, ubah satu keadaan, kekalkan yang lain, dan untuk mengaitkan pengaratan dengan setengah persamaan pengoksidaan. Yuran bermula dari RM50 sejam, dengan pelajaran percubaan satu jam berbayar supaya anda dapat menilai pengajaran dahulu. Kerana keadaan dan kawalan pengaratan muncul dalam kedua-dua eksperimen dan soalan berstruktur Kimia SPM, memahami reka bentuk di sini membantu anda menjawab teori dalam Kertas 2 dan amali dalam Kertas 3 dengan penaakulan yang sama.