Chemische binding in alledaagse contexten Marijn Meijer en Ria Dolfing
Wat gaan we doen? •
• • • •
Korte beschrijving van de achtergrond – Problemen – Oorzaak – Strategie Een ander model Een mogelijke context Andere contexten Discussie
Problemen van leerlingen •
Leerlingen verwarren intra‐moleculaire en inter‐moleculaire bindingen (Taagepera et al., 2002).
•
Leerlingen hebben de neiging om te generaliseren en gebruiken uit hun hoofd geleerde verklaringen in plaats van wetenschappelijke verklaringen, op basis van oorzaak‐gevolg en inzicht of begrip (Taber & Watts, 2000).
•
Leerlingen gebruiken vaak pseudoconcepten; ze gebruiken de juiste termen, maar begrijpen niet de betekenis of de conceptuele relevantie van die concepten (Vinner, 1997).
Wat is de oorzaak? •
Er wordt onderscheid gemaakt tussen de diverse typen bindingen: – Covalente atoombinding, Ionbinding, Metaalbinding – Polaire atoombinding – Waterstofbrug en Vanderwaalsinteracties
Waarbij de nadruk ligt op de verschillen en niet de overeenkomsten tussen de bindingen
Op weg naar een strategie Op basis van de expert‐raadpleging door Levy et al. 2007 wordt het volgende voorgesteld: +
‐
+
+
De fundamentele aard van de chemische binding moet benadrukt worden.
Het is belangrijk dat de continue schaal van bindingsterkte wordt benadrukt. De sterkte van de binding is te herleiden tot
Eisen aan het model • Begrijpelijk en hanteerbaar voor havo leerlingen • Gemakkelijk uit te breiden naar wetenschappelijke modellen • Is in stappen van eenvoudig naar complex uit te breiden (learning progression) • Bevat geen entiteiten die menselijke eigenschappen hebben: – ‘Voelt zich aangetrokken door’ – ‘Streeft naar 8 elektronen in de schil’ – ‘Pakt een elektron van een ander atoom’
Een ander model
In feite zijn alle bindingen te beschouwen als een resultaat van afstotende en aantrekkende krachten; het verschil zit in de grootte van en afstand waarop die krachten een rolspelen. De bindingslengte is het resultaat van de optimalisatie van alle afstotende en aantrekkende krachten
De context •
Doel is om de chemische inhoud op een manier aan te bieden waarop het relevant is voor leerlingen om die inhoud eigen te maken.
•
Leerlingen krijgen een taak of opdracht.
•
Alleen de chemische inhoud die relevant is om de taak te volbrengen wordt aangeboden.
De gekko • Leerlingen krijgen de taak om een mechanisme te beschrijven waardoor de gekko kan blijven plakken aan muren met het oog om aanbevelingen te doen voor …
Discussieer in een groep over: • Wat zou een leerdoel kunnen zijn van deze module? • Is dit een goede context voor leerlingen om het leerdoel te halen? • Waarom en hoe wordt het model geïntroduceerd? • Wat zijn pros en cons van deze aanpak?
Andere contexten • Met het oog om alle bindingen te introduceren: – … – …
• Met het oog om een of twee bindingen te introduceren: – … – …
Mogelijke context‐vragen Waarom kan een vlieg tegen de muur oplopen en een mens niet? Hoe komt het dat nagellak op je nagels blijft zitten? Hoe komt het dat in de herfst de blaadjes van de boom vallen? Wat zorgt ervoor dat je krullen stijl kan maken met de stijltang? Hoe kan het dat pindakaas aan je boterham blijft plakken en hagelslag niet? • Waarom kan waterproof mascara alleen verwijderd worden met olie? • Hoe werkt gel, en hoe zorgt het ervoor dat je haar mooi in model blijft?
• • • • •
Discussie •
Volgens het denken‐delen‐uitwisselen principe over:
i. Geschikte contexten voor havo of vwo leerlingen ii. Het gepresenteerde model voor de chemische binding iii. Een leerlijn …
Overal … net zo lopen als een gekko!
Een scheikunde module over chemische binding Versie 1 Marijn Meijer
Situatie Voor wetenschappers en ingenieurs is de natuur tegenwoordig een grote inspiratiebron voor technologische vernieuwingen. Deze tak van wetenshap wordt biomimicry genoemd. Voorbeelden van dergelijke studies zijn: onderzoek naar de sterkte van spinrag t.b.v. de ontwikkeling van supersterke vezels en onderzoek naar de bouw van skeletten van zeedieren voor architecten om gebouwen op een nieuwe manier te ontwerpen. Het voorbeeld waar we nu oprichten is het fenomeen dat een gekko langs een gladde wand loodrecht omhoog kan lopen. Een gekko kan dat met een snelheid van 1 m/s. Dit fenomeen van het ‘blijven plakken’ blijft wetenschappers boeien, om robots te ontwerpen. Die robots kunnen zoeken naar overlevenden bij aardbevingen of werkzaamheden uitvoeren waar mensenlevens in gevaar zijn. Een voorbeeld van een dergelijk onderzoek zie je via onderstaande link. http://www.wetenschap24.nl/videos/dat‐willen‐wij‐ook/kleven‐als‐een‐gekko.html Taak Jullie taak is een mechanisme te beschrijven waardoor de gekko kan blijven plakken aan muren met het oog om aanbevelingen te doen voor de bouw van robots die in levensgevaarlijke situaties kunnen opereren. Activiteit 1 Oriëntatie op de taak Bestudeer het lopen van een gekko aan de hand van de video. Maak tekeningen of een stripverhaal om duidelijk te maken wat er nu gebeurt als de gekko een poot neerzet of verplaatst? Een gekko krult hetuiteinde van zijn poot op als het beest een poot verplaatst. Hierdoor plakt/kleeft de gekko een met een klein deel van zijn poot aan het oppervlak. Bij het volledig uitrollen is de poot volledig op het oppervlak geplaatst. Kan je het lopen van een gekko nabootsen met plakband of ducktape op een oppervlak? Welke deel wel en welk deel niet. Deels wel, de tape blijft plakken maar ik moet veel kracht uitoefenen om het weer los te trekken. De gekko doet dat laatste niet. Waarom blijf jij niet plakken aan een muur? Wat moet je doen om dat wel voor elkaar te krijgen? Mijn vingers zijn gladder. Ik heb minder ribbels dan de gekko. Als ik mijn vingers nat of ver maak blijf ik beter plakken aan de wand. Ik ben zwaarder dan de gekko. Activiteit 2 een eerste beschrijving Beschrijf in eigen woorden en tekeningen waarom een gekko langs een verticaal gericht en glad oppervlak kan lopen. Notie van plakken en er zijn krachten nodig om te blijven plakken, omdat ik ook het plakband moet lostrekken. De gekko hoeft dat zo op ’t oog niet te doen. Waarom is deze beschrijving (on)voldoende om je taak te volbrengen? De beschrijving bevat niet een deel dat het plakken kan verklaren of beschrijven. Ook is het niet duidelijk hoe die gekko in staat is om zich zo snel ‘los te rukken’ van de plaat. Als deze beschrijving niet voldoende is in je ogen, waar zoek je dan om tot een betere beschrijving te komen? Welke informatie wil je nog hebben? Ik moet verder kijken naar de bouw van de gekko‐poot, want dat doen ze ook in de video.
Informatie over de bouw van een gekko‐poot Dieren die instaat zijn om langsmuren te lopen blijken deze eigenschap te hebben door de aanwezigheid van aantrekkende elementen op een schaal van een micrometer en nanometer. Van de in de natuur voorkomende dieren blijkt de gekko te beschikken over de sterkste adhesiekrachten. Dat komt door de bouw van de gekko‐poot en ‐teen. De poot en teen van de gekko zijn opgebouwd uit structuren die op hun beurt weer opgebouwd zijn uit nog kleinere structuren. Deze kunnen zichtbaar worden gemaakt met een atomic force microscope (AFM). Hiernaast zijn die structuren weergegeven. Het streepje en de bijbehorende afmeting geven de schaal aan van de structuur op het plaatje. In figuur a zijn de tenen weergegeven op millimeter‐ schaal. Figuur b laten lamellen zien met een afmeting van 400‐600 μm. Figuur c en d zijn daar uitvergrotingen van. Aan het eind van een lamel zitten kleine haartjes, de seta die een afmeting hebben van enkele μm (figuur e). Die seta zijn op hun beurt weer opgebouwd uit spatula (zie de uitvergroting in figuur f). Sinds 1900 zijn er studies geweest over de adhesie (het blijven kleven) van de gekko. Tot 1969 zijn er in de literatuur 7 mogelijke mechanismen beschreven en bediscussieerd voor de adhesie van de gekko op een verticaal oppervlak: lijm, zuiging, tussen‐verbindingen ‐ denk aan haakjes ‐, wrijving, statische elektriciteit, capillaire krachten en van der Waals adhesie. Op basis van onderzoek naar de beweging van een gekko (zie bijvoorbeeld het filmpje bij activiteit 1) en gemaakte afbeeldingen zoals hierboven zijn weergegeven, hebben wetenschappers geconcludeerd dat een aantal mogelijke mechanismen niet leiden tot een juiste verklaring. Bij die afweging hebben ze rekening gehouden met de droge poten van de gekko, het niet achterlaten van sporen en de snelheid waarmee de gekko over een gladoppervlak kan lopen.
Activiteit 3 Inzoomen op de bouw van de gekko‐poot ‐ Bestudeer in een groep de plaatjes en eventueel het filmpje. ‐ Leg uit waarom wetenschappers beweren dat de gekko‐poot en ‐teen een enorm groot oppervlak heeft. ‐ Maak een balans op van alle ‘voors en tegens’ van elk mechanisme. Gebruik internet (wikipedia) om specifiekere informatie op te zoeken als je iets niet snapt. Voor de capillaire kracht is dit als voorbeeld uitgewerkt. Mogelijk mechanisme Werking Voor tegen Capillaire kracht
Lijm
Zuiging
Vloeistof wordt in een buisje als het ware omhoog gezogen. Hoe dunner het buisje hoe hoger de vloeistof komt. De kracht is het gevolg van aantrekking (cohesie) en kleven aan het oppervlak (adhesie). Er is een kleverige stof die tussen de spatula e.d. zit. Die plakt en daardoor blijft de gekko kleven aan een oppervlak. Aan het uiteinde zitten kleine zuignapjes, waar door spierkracht de lucht uit wordt geperst. De gekko zit vast.
Vloeistof kan tussen de seta en spatula omhoog. De binding is eenvoudig en gemakkelijk te verbreken, kost weinig energie.
De gekko laat geen natte sporen achter.
De stof kan in de poot zitten.
De gekko laat geen sporen na en er worden geen lijm resten gevonden. Kan dit snel.
Eenvoudig, in de natuur komt het vaker voor bij inktvissen. Er zijn veel spatula, dus veel kleine zuignapjes zijn mogelijk Er zijn veel spatula, dus als elk spatula een haakje is dan kan het.
Veel kracht nodig om de zuignapjes los te trekken. Gaat dat proces wel snel?
tussen‐verbindingen
Haakjes, net als bij de sommige insecten, zorgen ervoor dat de gekko zich aan het oppervlak kan vasthaken.
Wrijving
die ontstaat als twee oppervlakken langs elkaar schuiven, terwijl ze tegen elkaar aan gedrukt worden.
Er is veel contactoppervlak. Dit kan als de gekko dus maar hard genoeg drukt.
statische elektriciteit
Door wrijving ontstaat er een ladingsverschil. Hierdoor ontstaat er een extra aantrekkingskracht tussen + en – ladingen Vindt plaats t.g.v. (zeer) zwakke elektrische krachten tussen moleculen en atomen.
Er is veel contactoppervlak. Zie ook hierboven.
van der Waals adhesie
Er is veel contactoppervlak, veel moleculen in de poot en door het grote oppervlak kunnen veel moleculen met elkaar in contact komen. Zwakke kracht is gemakkelijk te verbreken (kan kracht voor kracht)
Een glas is volkomen glad, de haakjes hebben geen houvast. Alle haakjes moeten in een richting staan. Doen ze dat ook? De poot van de gekko staat stil als die neergezet is/wordt. De gekko moet enige kracht uitoefenen. Zeker bij verticale wanden. Hoe doet die dat? Gekko wrijft niet als hij zijn poot neerzet of optilt. Er springen geen vonkjes over of het knettert niet. Er veel oppervlak nodig. Het is een zeer zwakke kracht. Regelmatige vorm is noodzakelijk (moleculen liggen netje tegen elkaar).
Activiteit 4. Het opstellen van een beschrijving. Overleg nu in een groep welk mechanisme het meest aannemelijk is om het lopen van gekko tegen een verticaal oppervlak te beschrijven. Welke mechanismen vallen zeker af, welke zijn wel bruikbaar? Neem in je beschouwing ook de afwikkeling van de teen door de gekko mee. Het lijm‐ en capillaire mechanisme vallen af omdat de gekko geen sporen achterlaat. De zuig‐ mechanisme valt af omdat het veel energie en tijd voor de gekko kost om los te raken. Het haakmechanisme valt af omdat er geen haakpunten zijn bij een glad oppervlak en omdat dit lastig is om los te maken (voor klittenband is dat al lastig). Wrijving is niet waargenomen en daardoor valt zowel wrijving als statische elektriciteit af. Beschrijf in eigen woorden en tekeningen waarom een gekko langs een verticaal gericht en glad oppervlak kan lopen. Er is sprake van een enorm groot oppervlak doordat de poot/teen zich ‘eindeloos’ opdeelt in steeds kleinere structuren/elementen. Hierdoor is er een groot contactoppervlak aanwezig tussen de poot/teen en de wand waarlangs de gekko zich beweegt. Door het grote contactoppervlak komen veel moleculen met elkaar in contact. Hierdoor zijn er per oppervlakte veel vanderwaalskrachten mogelijk tussen de moleculen van de gekko en die van de wand. Is deze verklaring voldoende om aanbevelingen te doen voor de robot? Neem in deze beschouwing ook de verschillen tussen een gekko en een robot mee. nee omdat het nog onduidelijk is wat nu de oorzaak is van die vanderwaalskrachten. Is het voldoende dat er moleculen contact met elkaar hebben? En hoe groot moet dat contactoppervlak dan zijn? Informatie Op internet is vrij eenvoudig te achterhalen wat wordt bedoeld met vanderwaalskrachten. In al internetbronnen wordt vermelding gemaakt van zeer zwakke elektrostatische krachten tussen moleculen en atomen. Om die zeer zwakke elektrostatische krachten te begrijpen moeten we eerst meer weten over de bouw van moleculen en atomen. De eenvoudigste beschrijving van een atoom is het model van Rutherford. Verder informatie is te vinden in de bijlage. Activiteit 5. Vanderwaalskrachten Waardoor ontstaan die VanderWaalskrachten? Beschrijf in eigen woorden en tekeningen waarom een gekko langs een verticaal gericht en glad oppervlak kan lopen. Activiteit 6. Terug naar je taak ‐ Schrijf nu een aantal aanbevelingen op om het klevende deel van de robot te ontwerpen. ‐ Formuleer nu een ontwerpopdracht met programma van eisen hoe je op basis van het gekko‐mechanisme een robot kan blijven lopen op een muur. ‐ Bedenk nu mogelijke technologische toepassingen op basis van het mechanisme dat het kleven van gekko’s verklaard. M.a.w. ontwerp de ultieme ducktape.
Bijlage 1 een model voor chemische bindingen Het waterstofatoom is het meest eenvoudigste atoom. Het bestaat uit een proton waar een elektron om heen beweegt. Er is afgesproken dat de kern (het proton) positief geladen is en het elektron negatief geladen is (zie plaatje links). De daadwerkelijk vorm van de protonen en elektronen zijn bekend; het zijn bolletjes1. Een afbeeldingen van atomen worden tegenwoordig gemaakt met een scanning elektron microscope.
Beide deeltjes ondervinden voortdurend een aantrekkingskracht die ze op elkaar uitoefenen. Het resultaat is dat beide deeltjes tegen elkaar aan gaan zitten (plaatje rechts). Dat proces kan prachtig gevisualiseerd worden. Beide deeltjes komen echter niet met elkaar in aanraking. Dat komt doordat het elektron voortdurend in beweging is. Hierdoor is er een tweede kracht die het elektron van de kern af houdt. Het gevolg is dat het elektron zich om de kern beweegt. Het elektron blijft op een bepaalde afstand van de kern.
Effectieve kernlading Een elektron kan de kernlading gedeeltelijk afschermen voor andere elektronen. Hierdoor zal het andere elektron een kleinere kracht t.g.v. de kleinere positieve kernlading ondervinden. De effectieve kernlading is gedefinieerd als de kernlading die een elektron werkelijk ondervindt als we de afscherming van de andere elektronen in acht nemen. Als voorbeeld dient een kern met acht elektronen er om heen. Omdat er geen ruimte meer is om de elektronen allemaal netjes rondom de kern te rangschikken (elektronen stoten elkaar af), zal er een verdeling plaatsvinden als volgt: 4 elektronen dichtbij de kern en 4 iets verder van de kern geplaatst.
De vier elektronen dicht bij de kern nemen nog relatief veel van de kernlading waar. De effectieve kernlading is hier dus hoog. Als we echter naar de buitenste vier elektronen kijken, zien we dat er al vier elektronen dicht bij de kernlading zitten. Deze elektronen ervaren dus geen kracht t.g.v. 8+ maar 1
http://www.nature.com/nature/journal/v473/n7348/full/nature10104.html
iets minder. Hier is dus de effectieve kernlading veel lager. Dit kan verder uitgebreid worden voor atomen met een hogere kernlading en een gelijk aantal elektronen. Chemische binding Het stikstof‐atoom wordt als voorbeeld genomen. Het stikstof atoom heeft een kernlading van 7+ dat wordt omringd met zeven elektronen.
7+
De binnenste vier elektronen schermen nu de kernlading gedeeltelijk af, dus is er een effectieve kernlading waarneembaar voor de buitenste drie elektronen. Als hier een waterstofatoom nadert aan dit stikstof‐atoom, dan zal het elektron van het waterstofatoom dus ook een effectieve kernlading waarnemen, waardoor het aangetrokken zal worden.
Omdat het elektron van het waterstofatoom dus aangetrokken wordt zal dit elektron en daarmee de andere kern op een bepaalde afstand zich gaan bewegen van het stikstof‐atoom. Er is een binding ontstaan tussen deze atomen. Elektronegativiteit Elektonegativiteit is een maat voor de sterkte van een atoom om elektronen aan te trekken. Als een atoom een hogere effectieve kernlading heeft dan heeft het de neiging om elektronen aan te trekken. Is de waarneembare effectieve kernlading laag dan ondervindt een elektron die ver van de kern af beweegt een relatief zwakke aantrekkende kracht. Er is weinig energie nodig om het elektron weg te halen bij het atoom. In het voorbeeld ondervindt het elektron sterkere kracht t.g.v de 7+ kern dan die van de eigen kern. Dit wordt geïllustreerd door de pijl in onderstaand figuur. Zef f klein
7+
Zef f groot
Doordat het atoom de elektronen in de binding sterker aantrekt, zullen de elektronen zich dichterbij dit atoom bevinden dan het atoom wat de elektronen in de binding minder sterk aantrekt. De pijl geeft de aantrekkende kracht die uitgeoefend wordt op een elektron door het atoom met de grootste elektronegativiteit. Omdat de elektronen in de binding een negatieve lading hebben, zal het atoom meer negatief geladen zijn. Dit wordt aangeduid met δ‐. Het atoom heeft als het ware er ‘een deel van het elektron erbij gekregen’. Het andere atoom is dus een ‘stukje elektron kwijtgeraakt’ aan het andere atoom, omdat dit elektron sterker aangetrokken wordt door het andere atoom. Hierdoor wordt het atoom die minder sterk trekt gedeeltelijk positief geladen, aangeduid met δ+. Bij een binding tussen twee gelijke atomen, oefenen beide atoomkernen een even grote maar tegengestelde kracht uit om de elektronen die hen bindt. Dit type binding noemen we een covalente atoombinding. Bij bindingen tussen twee verschillende atoomsoorten ondervinden de elektronen een sterkere kracht van een van beide atomen. Hierdoor wordt de afstand tussen de elektronen en de hardst trekkende kern iets kleiner. Het aantal elektronen aan een kant van de binding wordt dus net iets groter dan aan de andere kant. Dit wordt respectievelijk weergegeven met een δ‐ en een δ+. Dit type binding noemen een polaire binding. Een voorbeeld van polaire binding is de H‐O binding. De kern van het O‐atoom trekt harder aan de elektronen dat het H‐atoom. Hierdoor is het O‐atoom negatief geladen en H‐atoom iets positief. Hierdoor kan er een molecuul ontstaan wat gedeeltelijk positief of gedeeltelijk negatief geladen atomen bevat. Omdat deze atomen dus gedeeltelijk geladen zijn, kunnen ze andere (gedeeltelijke) ladingen aantrekken of afstoten. Als voorbeeld is water (H2O) genomen. Omdat het zuurstof‐atoom gedeeltelijk negatief geladen is, kan het zuurstof‐atoom het gedeeltelijk positief geladen waterstofatoom van een ander watermolecuul aantrekken. Dit zorgt ervoor dat de moleculen elkaar aan kunnen trekken. Dit type binding dat een resultaat is van aantrekkende krachten tussen verschillende ladingen noemen we een waterstof‐brug. H O H δ‐ O H H δ+ Vanderwaalsbinding Moleculen zijn op te vatten als een verzameling positieve kernen en negatieve elektronen. Het geheel wordt bij elkaar gehouden door aantrekkende en afstotende krachten t.g.v. de geladen deeltjes. Die invloed van die geladen deeltjes blijft echter niet beperkt tot de ‘binnenkant’ van een molecuul. De negatieve ladingen van elektronen aan de buitenkant van een molecuul en de effectieve kernladingen oefenen wel degelijk krachten uit op de omringende moleculen. Dit soort krachten zijn zeer zwak omdat de onderlinge afstand tussen de moleculen groter is t.o.v. de onderlinge afstand tussen deeltjes in een molecuul. Dergelijke krachten, er worden er drie typen onderscheiden, noemen we vanderwaalsbindingen.
Zeer beknopte docentenhandleiding Tijdsduur: 2‐3 lessen afhankelijk van lesduur Mogelijke werkwijze: activiteit 1 oriëntatie
vorm 1. Groep film 2. 2‐3 lln voor de vragen
2 eerste beschrijving
1. 2.
2‐3 lln voor de beschrijving groep voor terugkoppeling en motief om verder te gaan
3 bouw van de poot
2‐3 lln
4 het opstellen van een beschrijving
1. 2.
5 1. vanderwaalskrachten 2.
6 terug naar je taak
1. 2. 3.
2‐3 lln voor de beschrijving groep voor terugkoppeling en motief om verder te gaan 2‐3 lln voor de beschrijving groep voor terugkoppeling en motief om verder te gaan 2‐3 lln groep voor terugkoppeling Dan weer in 2‐3 lln voor het ontwerpen van een mogelijke toepassing
opmerkingen Kijk gemeenschappelijk de film, hoeft niet geheel gedaan te worden. Geef ze desnoods plakband, klittenband en duck‐tape of de gelegenheid om op een andere manier zich te oriënteren en het ‘blijven plakken’ te onderzoeken. Als docent kan je elke groep hun beschrijving laten presenteren. Belangrijk is dat je aangeeft dat ze er nog niet zijn (wel op de goede weg). Wat moet je nog meer weten om de beschrijving beter te maken? Waarom moet dat? Hou dus het initiatief en hun drive bij de leerling, maar geef wel de focus aan waar ze naar toe moeten. Ga op de stoel van de beoordelaar/begeleider zitten om aan te geven waar je wel of niet tevreden over bent. Let op dat de llnschaling en ordening lastig vinden. In de modules over breekbare bekers en superabsobents (groene lijn nieuwe scheikunde havo) staan activiteiten om de lln te ondersteunen met het schalen. Laat ze desnoods de plaatjes in een schaal ordenen. De beschrijving kan je weer groepsgewijs bestuderen. De laatste activiteit kan je in de gehele groep bespreken. Het geeft gelijk een motief om verder te gaan.
Lastig, er ontbreken vragen om lln te ondersteunen. Geef ze de gelegenheid om de filmpjes en animaties te bekijken. Doel is voornamelijk om de informatie te verzamelen om de taak te volbrengen.
Nu wordt pas de verklaring volledig gemaakt (voldoende om een antwoord te formuleren).
Beoordeling Beoordelen kan bijvoorbeeld door elke beschrijving in te nemen of te laten mailen. De beschrijving kan inhoudelijk beoordeeld worden. Daarnaast kan je beoordelen op samenwerken, participatie in de discussies en creativiteit/inventiviteit om er meer van te maken dan wordt bedoeld.
