10e klas periode Scheikunde: Zouten, Zuren & Basen -klb- versie 3.0, november 2011 Uitgangspunten voor docent Typisch 10e klas: vanuit waarnemingen door logisch redeneren (denkkracht) de causale verbanden / theorie bovenhalen “je kunt er denkend komen” → theoretische concepten zoals overmaat, verzadiging, hydrateren en kristalwater (je ziet ze niet concreet) maar ze helpen begrijpen wat er gebeurt “in het oordelen ontstaat ruimte voor nuance en harmonie” → zouten als harmonieuze middenweg tussen agressieve zuren en basen, pH-schaal als nuancering van de polariteit zuur & base “het accent verschuift van kennis naar inzicht” → theoretische concepten (zie boven) helpen begrijpen wat er gebeurt Deze periode bestaat uit een aantal proeven van waaruit het beeld van zouten wordt opgebouwd. De conclusies komen zo goed als geheel uit de waarnemingen, zodat niets klakkeloos aangenomen hoeft te worden. Hiermee worden de leerlingen getraind te oordelen zonder vooroordeel en causale verbanden te zien, en “wordt het denken meer omvattender en theoretisch van aard”. Inleiding In de oudheid werd wetenschap denkend bedreven; natuurkunde, scheikunde en wiskunde waren eigenlijk één vakgebied samen met filosofie! Men bedacht hoe de wereld in elkaar zit; wat logisch leek, moest wel waar zijn. Voorbeeld van kanonskogel / vier elementen. Maar rond 1600 begon de 'verlichting'; de waarneming – niet de filosofie – werd de basis van wetenschap (schilderkunst: impressionisme, bouwkunst: renaissance). Vanuit waarneming vanuit de werkelijkheid probeerde men (met causaliteit) grip op en begrip voor de wereld te krijgen. En geen denksels als molekulen en zo, want die zijn niet waar te nemen! Dat is wat wij deze periode ook zullen proberen te bereiken (ontwikkelingstof!). Pas later worden theorieën heel ver door ontwikkeld. Veel onderwijs is dan ook gebaseerd op de klakkeloze aannames van die theorieën, maar dat zullen wij niet doen (ontwikkelingstof: vrij leren denken); wij bouwen ons beeld over de stoffenwereld langzaam op uit begrippen die we vanuit waarnemingen geconcludeerd hebben. Er bestaan heel veel soorten zouten; keukenzout is er maar één van. Andere voorbeelden: marmer, beton, roest, zand, krijt, gips, bergkristal, bakpoeder, soda, menie. In deze periode: openen we de wereld van de zouten; ervaren we eigenschappen van zouten en van zuren; proberen we er enige structuur in aan te brengen; onderzoeken we hun ontstaan en vergaan. We zullen proberen een steeds betere beschijving van de zouten te vormen. Hoofdstuk 1. Zouten §1 Smaak & kleur Proef: Zouten proeven. Uit resultaat kan een aantal smaak-categorieën ontstaan. De wetenschappelijke namen van de zouten geven de indruk dat zouten uit twee delen bestaan. Hieruit ontstaat de eerste, voorzichtige beschrijving van zouten: Zouten zijn stoffen met meer of minder smaak die wellicht uit twee delen bestaat. Demo: Kleurige zouten. Wederom een groot 'oohh wow'-effect! Als je scherp waarneemt, is er véél te zien! Met de leerlingen in gesprek komen over hoe dat allemaal komt en wat er precies gebeurde, is een goede oefening in aandacht, concentratie en in causaliteit. Als waarschuwing voor de rest van de periode. Denken over de waarnemingen; typisch 10e klas. Gaat nog meer komen!
§2 Kristallen Opdracht: Kristalvorm. Kopersulfaatkristallen gedetailleerd natekenen. Eventueel ook andere zouten met loep of microscoop. Welke vorm (ruit, vlieger, parallellogram, enz.) is karakteristiek voor dit zout? Zit dat ook in je tekening? Keukenzout: perfecte kubus. Eventueel zelf laten proberen. Bezoek aan kristallen-winkel? Kristalvormen van mineralen verder uitdiepen? Addy heeft Pyriet, Steenzout en Calciet. Kristallen hebben zeer regelmatige vormen, wat duidt op een zeer regelmatige structuur aan de binnenkant. Maar we kunnen helaas binnenin niets zien... Demo: Kristallisatie & Kristalvorm. Groot 'oohh wow'-effect! Het zien groeien van kristallen (natriumthiosulfaat) maakt indruk! Duidt weer op grote regelmatigheid, op een of andere manier. §3 Zouten & water Proef & Demo: Oplosbaarheid van zouten. De oplosbaarheid van zouten wordt eerst kwalitatief door de leerlingen ervaren. De begrippen oplossen, verzadiging en overmaat komen hier aan bod. Je ziet het niet, maar het helpt je de zoutenwereld te begrijpen. Daarna wordt in de demo het kwantitatieve meegenomen. Een lastige opdracht voor leerlingen: “Ik zal niets vertellen wat ik doe. Kijk goed, wees scherp!” en na de proef “Bereken hieruit hoeveel gram zout er in een kilogram (of liter) water er kan oplossen”. Hier wordt een eerste koppeling gelegd tussen kwaliteiten en rekenen gelegd. Echte 10e klas proef vanwege het systematisch analyseren van waarnemingen en trekken van conclusie daaruit! Zouten kunnen meer of minder goed oplossen in water. Demo: Blauw & wit kopersulfaat. Blauw en wit kopersulfaat gaan in elkaar over door er water aan toe te voegen / er water uit te stoken. Uit waarnemingen moet dat geconcludeerd worden, maar het kristalwater zelf is mooi niet zichtbaar! Typisch 10e klas: een concept dat uit denken is ontstaan en je helpt de wereld te begijpen. Begrippen: kristalwater, anhydride & hydraat, (de)hydrateren, endotherm. Sommige zouten kunnen kristalwater bevatten. Ze heten dan hydraten. Door warmte kunnen ze dehydrateren. Proef: Gips mengen. Het vast worden door hydrateren aan den lijve ondervinden. Toepassing: Werking van gips en beton en zo begrijpen. Daarbij is hydrateren blijkbaar soms een exotherm proces. Demo: Kristalwater in soda. Kwantitatieve bepaling hoeveel procent kristalwater huishoudsoda bevat. Weer de brug tussen kwaliteit en kwantiteit. Proef omkeren: Leerlingen vanuit het doel zelf de werkwijze en benodigdheden laten uitzoeken. Hoofdstuk 2. Zuren §1 Kennismaking met zuren & basen Proef & Demo: Zelf stoffen testen Leerlingen testen zelf rodekoolsap, indicatorpapier en fenolftaleïne uit (wat doet het), met de stoffen die ze bij zich hebben of vinden op school. Daarna enkele “echte” zuren & basen erbij halen die ze ook proeven (één druppel aan schone pink hangen!) en tussen duim en wijsvinger voelen (tussendoor vingers goed afspoelen). De verkleuring van het rode koolsap en de ff, en de kleur- en pH-schaal (1-14) van het indicatorpapier komen tevoorschijn. De begrippen zuur, neutraal en antizuur / base tegen over elkaar zetten. De ervaring met fenolftaleïne is voor een volgende proef nodig. De natuur kent eigenlijk vrijwel geen basen (vrijwel alle zelf gevonden stoffen blijken zuur of neutraal te zijn), waardoor ze nauwelijks smaak hebben en biologisch materiaal er minder goed tegen kan, getuige het 'zachte' gevoel (verzepen & oplossen). Daarom worden basen vooral in schoonmaakmiddelen gebruikt. Zeer fraai uit te breiden met de demo “Beest oplossen”! Demo: Beest oplossen. Het totaal verzepen & oplossen van een dode kikker, muis, vogel, enz. in natronloog. Alleen het skelet blijft over. :-) Zeer indrukwekkende proef, het raakt de leerlingen diep. Brengt stevige verbinding met de periode met zich mee. Natuur is ook niet gewend aan basen: in base oplossen gaat veel sneller dan in salpeterzuur. De botjes lossen overigens prima op in 2M
zoutzuur. §2 Zouten, zuren & metalen; wat zijn het eigenlijk? Demo: Stroomgeleiding. Testen van allerlei soorten stoffen. Er volgen vier categorieën uit: metalen, zuren, zouten en overige. Maar zuren en zouten lijken nu nog op elkaar (opgelost → geleiding). Een pH-test kan in elk geval het volgende zeggen: Bij stroomgeleiding in opgeloste toestand: Als zuur, dan is het een zuur. Als basisch dan is het een base. Als neutraal, dan is het dus een zout! Demo: Even oefenen met stoffen analyseren: neutraal zout: NaCl (aq) , basisch zout: Na2CO3 (aq) , moleculaire base: NH3 (aq) , zuur zout: NaH2PO4 (aq) , moleculair zuur: HAc (aq) , moleculaire neutrale oplossing: suiker (aq) , water (aq) . Nog niet verder uitgewerkt! Maar wat zijn dat nou eigenlijk, zuren, basen en zouten? Demo: Zoutzuur & Magnesium. KERN VAN DE PERIODE! Zowel voor lesstof als voor ontwikkelingstof. Magnesium in zoutzuur. Met wat stevig denkwerk volgt uit de waarnemingen: 1. Alleen aangetaste metalen kunnen oplossen in water, onaangetaste metalen niet. 2. Een zuur = altijd iets met waterstof en een zuurrest die per zuur verschilt. 3. Een zout bestaat uit een aangetast metaal en een zuurrest. 4. Zuren kunnen metalen aantasten onder vorming van een zout en waterstofgas. De wetenschappelijke namen suggereerden al twee delen van een zout; nu blijkt dat te kloppen! Lijstje van zuurresten kan gemaakt worden. Hoofdstuk 3. Ontstaan & vergaan van zouten §1 Ontstaan van zouten Proef: Neutralisatie. Pittig zuur en pittige base samen neutraliseren elkaar en er ontstaat neutraal keukenzout (smaak!). Het zuur is geneutraliseerd door de base, het ontstane zout bestaat weer uit de zuurrest én een aangetast metaal; blijkbaar bevatte deze base een aangetast metaal. → Een zout kan ontstaan uit een zuur en een base (als de base een aangetast metaal bevat en dus zelf ook een zout is!). Maar er ontstaat géén waterstofgas! De zuurrest van zoutzuur is blijkbaar chloride, zoals aan de naam te zien is. Zouten kunnen ontstaan uit zuur & base. Eén druppel van het zuur of de base kan de kleur doen omslaan (de fenolftaleïne is een zeer gevoelige zubas-indicator). Hierop is de kwantitatieve onderzoeksmethode 'titreren' gebaseerd. Demo: Salmiak. Uit de gore gassen NH3(g) en HCl(g) ontstaat het snoepgoed salmiak (NH4Cl). Weer ontstaat een zout uit een zuur en een base (zonder vorming van waterstofgas), maar dit keer zonder dat er een aangetast metaal in het spel is! Dit keer is er een aangetast niet-metaal, namelijk ammoniak! Dit is de enige uitzondering bij de zouten. De naam geeft die uitzondering aan: De naam salmiak komt van het frans sel ammoniak, of te wel zout van ammoniak. Het aangetaste ammoniak heet in de scheikunde ammonium. De zuurrest van zoutzuur is chloride, zie vorige proef, dus de wetenschappelijke naam van salmiak is ammoniumchloride. Het enige zout dat géén aangetast metaal bevat (wel een zuurrest). Proef: Citroenzuur & soda. In je handpalm koelt dit mengsel flink af en het kristalwater komt vrij. Gewoon een aardige proef die een mooi appèl doet op de lijflijke ervaring. Demo: Zink & Zwavel. Om te laten zien dat zouten uit de elementen kunnen ontstaan: (1) Magnesium verbranden en (2) raketbrandstof zwavel & zink (pas op met aansteken! lont gebruiken). Zouten kunnen blijkbaar ontstaat uit twee niet-ontleedbare stoffen; een metaal en een
niet-metaal. In dat proces wordt het metaal blijkbaar aangetast en het niet-metaal op een andere manier ook. De zuurrest is blijkbaar een niet-metaal. Maar er is weer geen water of waterstofgas in het spel. Is deze proef wel geschikt? Elementbegrip al bekend? Niet fenomenologisch! Demo: Neerslagreactie. Met Na2S- en FeCl2-oplossing (of NaI- en Pb(NO3)2-). Conlcusie: nieuwe zouten kunnen ontstaan uit twee andere zouten. Dit is slechts het veranderen van de combinatie van de zoutdelen aangetast metaal / zuurrest. Is deze proef wel geschikt? §2 Vergaan van zouten Stoffen kapot maken (9e klas!) kan (oa.) door warmte of elektriciteit. Gaan we kijken wat er met zouten gebeurt! Demo: Thermolyse van zouten. Kopernitraat, calciumnitraat of natriumnitraat in vuurvaste buis verhitten. Nitreuze damp met pH-papiertje onderzoeken, residu oplossen in water en ook met pHpapiertje onderzoeken. Uit een zout kan weer een zuur en een base ontstaan. Demo: Elektrolyse van zouten. KERN VAN PERIODE! Ontleding van zouten in metaal en nietmetaal: Elektrolyse van koperchloride. De min-elektrode wordt verkoperd, aan de plus-elektrode ruikt het naar chloor! Hé maar wacht eens eventjes. Waarom gaat het aangetaste koper naar de min? Waarom wordt het in contact met de min ineens gewoon koper? Waarom gaat de chloride naar de plus? Waarom wordt het chloride in contact met de plus ineens gewoon chloor? Het aangetaste metaal is blijkbaar elektrisch positief geladen, de zuurrest negatief. En weer geneutraliseerd blijkt ook het 'aangetaste' weg te zijn! Het 'aangetast' zijn heeft blijkbaar iets te maken met elektrische lading! Een zout bestaat uit een aangetast metaal dat elektrisch positief is en een zuurrest die elektrisch negatief is. Notatie: Cu+ en Cl–. Samen vormen ze een elektrisch neutraal zout. Bij de metaal-zuur-reactie ontstonden waterstofgas en een aangetast metaal. Hoe zit dat daar met de elektrische lading? De zuurrest is in elk geval negatief geladen, zoals uit deze proef blijkt. De waterstof moet dus wel positief geladen zijn. Een zuur en metaal samen: het H+ van het zuur geeft de lading af aan het metaal. Daardoor ontstaat er “gewone” waterstof in gasvorm en raakt het metaal aangetast / elektrisch geladen, waardoor het kan oplossen. Een zuur bestaat uit H+ en een zuurrest zoals bijvoorbeeld H+Cl– (zoutzuur), H+NO3- (salpeterzuur). Bij het aantasten van een metaal door een zuur wordt de lading van het H+ afgegeven aan het metaal; daardoor onstaat “gewoon” waterstof (gas) en aangetast, opgelost metaal. §3 Edelheid van metalen Demo: Edelheid van metalen. Diverse metalen laten zich meer of minder gemakkelijk aantasten. Koper bijvoorbeeld is te eigenwijs voor zoutzuur, te edel, net als goud. Dan maar met salpeterzuur, dan lukt het wel. Nog steeds niet met goud overigens. Goud is een echt edelmetaal, koper een half edelmetaal. Niet alle metalen laten zich even gemakkelijk aantasten. Proef: Paperclip verkoperen. Dompel een paperclip kort in de kopersulfaat. Een laagje koper verraadt wat er aan de hand is: het aangetaste koper wordt weer gewoon dus weer elektrisch neutraal. Waar blijft die lading? Gaat op ijzer zitten: ijzer wordt aangetast en lost dan op. Voorbeeld uit de praktijk: opofferingsmetaal zink op ijzeren constructies: van paaltjes voor verkeersborden tot boorplatforms. Extra: ► Vlamkleuring? Aantonen van metalen? Wellicht beter in de 11e klas bij de metalen. ► Natrium in water: stroomgeleiding, dus opgelost zout. Aangetast metaal en zuurrest. pHpapiertje: oplossing is basisch! Maar water is neutraal?! Toch metaal-zuur-reactie, dus zuurrest moet wel basisch zijn. Gemaakt: natronloog. Er zijn blijkbaar ook basische zouten... Soda is er ook zo
een.
