OP Sk 9e klas: “van Koolstof tot Ether” -klb-, november 2012 De inhoudelijke, pedagogische en didactische keuzes zijn toegelicht op onze WIKI: http://leerplan.vszutphen.nl/leerplan/w/index.php/09SC Dit document is slechts een praktische uitwerking daarvan! HOOFDSTUK 1: INLEIDING Deze periode gaat over de organische chemie. Dat is het deel van de scheikunde dat vertrekt vanuit de stoffen en de processen die in de levende natuur voorkomen. Het eerste deel van de periode gaat dan ook voornamelijk over die natuurlijke stoffen en processen. Het tweede deel echter, gaat juist over de kunstmatige stoffen en processen, die voortbouwend op die uit het eerste deel. We zullen proberen die stoffen en processen te ordenen, aan de hand van de ervaring die we ermee opdoen. Gaandeweg komen we een aantal technieken tegen die te maken hebben met drie zaken: • het scheiden van stoffen; • het maken of veranderen van stoffen; • het aantonen van stoffen. Dat zijn dan ook de drie pijlers waarop de scheikunde gebaseerd is. Waarom scheikunde op school? Enerzijds (vakinhoudelijk) hoort wat kennis over je omgeving / de wereld bij je algemene opvoeding, zodat je opgroeit tot een verstandig mens dat zelf gegronde beslissingen kan nemen. Als je niets weet, kun je ook nergens een mening over vormen of ergens over besluiten; je dreigt dan slaaf te worden van wat anderen je vertellen. Anderzijds (opvoedkundig) vormt scheikunde een goede gelegenheid om je te oefenen in het terughouden van vooroordelen. Daarvoor zul je: • je moeten oefenen in nauwkeurig waarnemen, en • moeten leren om vanuit die waarnemingen een gegronde mening op te bouwen. Sommige proeven die we doen vragen een scherp waarnemingsvermogen, en het vormen van een passende en correcte conclusie vraagt geduld en secuurheid. Niet gemakkelijk! Verdiepings proeven verwerk je daarom als volgt: 1. Titel: Kernachtig waar de proef over gaat. Daarom liefst pas ná de conclusie bedenken. 2. Benodigdheden en opstelling, met tekening! 3. Werkwijze: Belangrijke handelingen die essentiëel zijn voor het verloop. 4. Waarnemingen: Zo veel mogelijk en alléén maar zuivere waarnemingen! (Géén vooroordelen! Conclusies uitstellen tot volgende punten!) 5. Redenering: De weg vanuit de waarnemingen naar de conclusie. Hier gaat de periode over! 6. Conclusie: Het besluit; wat je uit de proef geleerd hebt. Voortgangs proeven dienen echter vaak alleen maar om een tussenstapje verder te komen, om even iets te laten zien. Deze kun je daarom véél korter uitwerken door na de Titel, de 1. Beschrijving 2. Waarneming 3. Conclusie in enkele zinnen kernachtig neer te zetten, waarbij een klein, eenvoudig tekeningetje ondersteunend kan zijn. Bijvoorbeeld: “Drie mensen houden elk één staafje met de hand in een vlam. De drie staafjes zijn gelijkvormig maar wel van verschillende metalen. Na verloop van tijd moeten de staafjes door de hitte losgelaten worden; als eerste het koper , als tweede het messing en als laatste het ijzer. Hieruit blijkt duidelijk dat koper het beste de warmte geleidt.”
===== DEEL 1: Natuurlijke stoffen & processen ====== Alvast neerzetten: Een afgesloten aquarium met een gloeilamp erin (37 °C) en daarin afgedekte bekerglazen met voedingsmiddelen* erin. Komende drie weken laten staan! * Liefst 'ruwe' / onverwerkte voedingsmiddelen, zoals appel, komkommer, tomaat, boterham, kaas, melk, enz. HOOFDSTUK 2: KOOLSTOFKRINGLOOP §1 De kaarsvlam Opdracht: “Kaarsvlam tekenen (1)”. Tekening kaarsvlam, zo nauwkeurig mogelijk, in kleur, maar uit je hoofd! Nodig: blanco A4'tjes. Proef: “Open onderzoek kaarsvlam”. Beeld: leerlingen onderzoeken zelf de kaarsvlam en de werking ervan (stoffen en processen). Nodig: waxinelichtjes, lucifers, gaasjes, druppelpipetjes met ballonnetjes. Werkwijze: Leerlingen zelf laten prutsen! Niet bang zijn: Leerlingen lekker laten prutsen, binnen de grenzen dat het over de werking van de kaarsvlam gaat en dat er niet geklooid wordt met lucifers of kaarsvet. Uitwerking: Alle verschillende probeersels uitwerken als aantal voortgangsproefjes. Bevindingen: brandbaar onzichtbaar gas in holle ruimte wordt grijs in pipetje en blijkt kaarsvet te zijn, midden in gele gedeelte blijkt roet te zitten, vlam is het heetst aan mantel, lontje gloeit af aan puntje in mantel, onderste rand van mantel is blauw, gasstroom naar boven toe, enz. Opdracht: “Kaarsvlam tekenen (2)”. Weer de kaarsvlam zeer gedetailleerd natekenen, dit keer met alle opgedane ervaring en het kaarsje voor je. Nodig: waxinelichtjes, lucifers en blanco A4'tjes. Intermezzo: “Kaarsvlam (gesprek)”. Wat is grote gemene deler in alle tekeningen? Tekening styleren! Hoeveel kunnen we nu begrijpen over de vlam? Een aantal vragen kunnen we beantwoorden, een aantal vragen niet; die formuleren we netjes en laten we staan voor later. Praktisch: • In het doorzichtige deel van de vlam blijkt gasvormig kaarsvet te zitten! Als je namelijk met een pipetje er iets uitzuigt, condenseert dat meteen tot een wit-grijze, zware nevel, die brandbaar blijkt te zijn. • Iets hoger in de vlam, waar het licht het felst schijnt, blijkt roet te zitten. Als je namelijk daar wat opzuigt, zie je duidelijk zwarte rook, net zoals je een gaasje halverwege de vlam houdt. • Helemaal onderaan de vlam is de verbranding volledig, want de lucht wordt van onderaf aangezogen (aan de bovenkant grote warmtestroming omhoog). Daar krijg je een blauw stukje vlam. • Hoger in de vlam wordt de verbranding echter steeds minder volledig (geel, roet); de zuurstof is er dan uit door de verbranding onderin de vlam. De zuurstof komt van de zijkant ook nog de vlam in, waardoor de vlam zijn taps-toelopende vorm krijgt. Aan de flanken verbrandt de roet dus alsnog, want je ziet ook geen roet uit de vlam komen. • Het ontstane roet zit midden in de vlam en zal dus flink heet zijn, gloeiend heet zelfs. Het gloeien van de roetdeeltjes verklaart het wit-gele licht dat een vlam uitzendt. • Het lontje is krom; het puntje ervan is roodgloeiend, precies in de mantel van de vlam. Het heetste van de vlam is die mantel want daar vindt de verbranding plaats. Het lontje wordt op deze manier kort gehouden. Lontjes moeten dus uit zichzelf krommen (zo worden ze geweven!), zodat ze niet te lang worden. De lont van een slechte (goedkope) kaars is soms recht; deze wordt dan niet vanzelf 'gesnoeid' en wordt steeds langer, waardoor de vlam roet gaat walmen.
• •
De lont is voor het grootste stuk zwart, onderaan wit. Het kaarsvet is vast, wordt door de warmte van de vlam vloeibaar, wordt door de lont opgezogen en verdampt uit de lont midden in de vlam. Vragen die nog staan: Waarom / waardoor ontstaat roet uit in de vlam? Waarom is de lont zwart? Waar blijft die verbrande roet? Wat komt er uit een vlam?
§2 Koolzuurgas, Waterdamp en Zuurstof Drie 'anorganische' stoffen aan de basis van de organische chemie. Stoffen hebben scheikundige formules (zoals H2O en O2, die ken je waarschijnlijk wel), die zijn niet eng, het is slechts hun systematische naam. Die hoef je nu nog niet te begrijpen, maar het is wel handig als je ze kent (korte schrijfwijze). Later leer je wel waarom ze zo heten. Demo: “CO2 aantonen”. Doel: Laten zien dat je CO2 met kalkwater kunt aantonen. Nodig: Ongeopend flesje Coca-Cola, passende stop met overleidbuisje en/of slangetje, bekerglas 100 ml, helder kalkwater, vier schone drinkbekertjes. Werkwijze (waarnemingen): Zonder woorden het flesje oppakken, bekijken (bruinzwart), per ongeluk laten vallen en weer bekijken (schuim!). Dan openen (gesis!) en wat inschenken in de bekertjes om te laten proeven (zoet, prikkels op tong, ruwe tanden). Kalkwater in bekerglas schenken (helder). Stop op flesje en slangetje in het bekerglas met kalkwater. Dan koolzuurgas eruit zwenken (bubbels) tot kalkwater duidelijk veranderd is (troebel-wit). Bekerglas laten staan om te bezinken (witte neerslag op bodem). Opnieuw inschenken en laten proeven (veel zoeter, prikkel weg). De leerlingen vinden deze proef vaak heel leuk, omdat ze niets verteld krijgen maar uit de werkwijze en waarnemingen zelf concluderen wat er aan de hand is. Typisch 9e klas! Zie wiki. Conclusie: Bij schudden komt er koolzuurgas uit de cola. Kalkwater vertroebelt als er koolzuurgas bijkomt. Met kalkwater kun je koolzuurgas aantonen, en andersom. Demo: “Blussen met CO2”. Kern: Enkele eigenschappen leren kennen van CO2: zwaarder dan lucht, onzichtbaar, onbrandbaar. Nodig: schoonmaak azijn uit orginele fles, soda uit orginele plastic zakje, twee hoge bekerglazen, gewoon bekerglas 500 ml, horlogeglas om 500 ml-bekerglas af te dekken, helder kalkwater, waxinelichtje, lucifers. Werkwijze: Zonder woorden een bodempje azijn en soda laten reageren in het 500 ml-bekerglas; afdekken met horlogeglas. Ene hoge bekerglas: Waxinelichtje brandend er in en doven door CO2 er op te schenken. Daarna met een lucifer proberen het kaarsje in het bekerglas nogmaals aan te steken (lukt natuurlijk niet). Andere hoge bekerglas: Bodempje kalkwater er in, beetje CO2 inschenken, zwenken. Conclusie: Bovenstaande eigenschappen. Demo: “Rook of Waterdamp?” Doel: Waterdamp leren aantonen en het verschil leren zien met rook. Nodig: Waterkoker, schoon bekerglas, stukje papier, aansteker. Waarnemingen: Waterdamp condenseert op koel bekerglas. Nevel “lost op” in de lucht (verdampt), rook niet maar verdunt alleen in de lucht! Conclusie: Waterdamp kun je aantonen met een koel bekerglas. Vaak al te zien aan dat de nevel verdampt. Demo: “Zuurstof aantonen”. Doel: Laten zien hoe je zuurstof kunt aantonen. Nodig: Cylinder met zuurstof, satéstokje, aansteker, grote reageerbuis. Werkwijze: Buis vol met zuurstof, gloeiend satéstokje erin. Waarneming: Stokje vlamt fel op. Conclusie: Zuurstof kun je met een gloeiende spaander aantonen. §3 Organisch & anorganisch
Demo: “Verbrandingsgassen”. De afgassen van diverse verbrandingen: • met kalkwater CO2 aantonen • met gloeiende spaander afwezigheid van O2 aantonen • met koud bekerglas H2O aantonen Nodig: kaarsje, porcelijne schaal, 2 indampkroesjes met horlogeglazen, stukjes papier, spiritus, wasbenzine, paar lucifers, paar bekerglazen 250 ml, kalkwater, satéstokjes, aansteker. Werkwijze: Verbrand diverse brandstoffen; test met een koud bekerglas op waterdamp, met een gloeiende spaander op zuurstof en met kalkwater op koolzuurgas. Conclusie: Verbranding van organische stoffen produceert H2O en CO2 en warmte. Reactieschema opstellen: Brandstof + O2 → H2O + CO2 Proef: “De wasfles”. Doel: Leerlingen onderzoeken de werking van de wasfles en leren dat je (uit)adem veel meer CO2 bevat dan de lucht die je inademt. Nodig: Wasflessen (zoveel mogelijk, 15?), kalkwater, kwart-stukjes parafilm (40×), satéstokjes. Werkwijze: Leerlingen zelf laten onderzoeken hoe ze (1) lucht uit hun longen en (2) lucht uit het lokaal door een laagje water geborreld krijgen. Als gelukt, dan met kalkwater doen. Wel even laten zien hoe ze een stukje parafilm om het glas heendoen en gaatje prikken met satéstokje, i.v.m. hygiène. Waarneming: De lucht van het lokaal laat het kalkwater maar een beetje vertroebelen (niet helemaal niet!) terwijl de lucht uit je longen het kalkwater vlot vertroebelt. Demo: “Adem op de ramen”. Condensvlek toont waterdamp uit je longen aan. Conclusie: Je lijf produceert H2O en CO2 en warmte, en heeft voeding nodig! Lijkt wel erg veel op een verbranding! ==== laten zien? doen? vertellen? filmpjes? fotos? ==== Proef: Fotosynthese en koolzuurgas: plantenmateriaal in dichte buis boven een laagje indicatoroplossing met bicarbonaat er in. Proef: Fotosynthese en zuurstof: waterpest onder reageerbuis; zuurstof opvangen en aantonen. Proef: Fotosynthese en zetmeel: bladen aan plant wel en niet afdekken en later ontkleuren en testen op zetmeel. Meeste leerlingen weten dit wel een beetje. Is het dan nodig dit in proeven te doen? (Zie bijlagen voor details.) Intermezzo: “Fotosynthese en verbranding”. Fotosynthese en verbranding (ademen & vuur) als tegenstelling. Alle organische stoffen komen voort uit fotosynthese! Opdracht: “Kringloop”. Ordening van bovenstaand tot koolstofkringloop in meest basale vorm. Tekenen: Boom/blad, mens/dier/vuur, brandstof & zuurstof, CO2 en H2O. Dan ook nog de zon en activiteit/warmte erbij zetten. stof CO2 H2O ??? aardgas alcohol Intermezzo: “Verhouding H2O en CO2”. Voor de verbranding van campinggas verschillende organische stoffen is steeds nodig: zuurstof en de benzine brandstof zelf. Er ontstaat altijd H2O en CO2, maar steeds in een andere glucose suiker verhouding. Tabel! Ordenen. Hmm, samen steeds 100%; blijkbaar ontstaan er ook geen andere gassen. Zijn er dan trouwens ook stoffen die hout alléén maar H2O of alleen maar CO2 opleveren? Wat betreft het milieu kaarsvet ???
§4 Koolstof
0% 100% 33% 67% 40% 60% 43% 57% 47% 53% 50% 50% 52% 48% 55% 45% 57% 43% 100% 0%
zou het gunstig zijn om zo min mogelijk CO2-uitstoot te hebben! Daarom heeft het de voorkeur om op aardgas te rijden. Demo: “Verbranding van koolstof en waterstof”. Doel: De twee stoffen vinden die bij verbranding alleen maar CO2 en H2O (de oxides ervan) opleveren.
Nodig: Cylinder waterstofgas “hydrogenium”, glazen buisje dat in slang past, aan beide kanten opengewerkt conservenblikje, driepoot & stuk kippengaas, houtskool, brander, aansteker, 2 bekerglazen 250 ml, helder kalkwater. Werkwijze: Glazen buisje in slang van waterstofcylinder. Vlammetje maken. Waterdamp en koolzuurgas proberen aan te tonen. Dan blikje op gaasje op driepoot, houtskool er in, aansteken van onderaf met brander. Als stevig aan, dan waterdamp en koolzuurgas proberen aan te tonen. Verwerking: reactieschema's opstellen: reactieschema: koolstof + O2 → CO2 Hé, is koolstof dan C? Oja, Carbon (engels)! dus: C + O2 → CO2 en: hydrogenium+ O2 → H2O Hé, is hydrogenium dan H? Ja! dus: H + O2 → H2O Maar waar die 2-tjes op slaan...??? Eerder zagen we: brandstof + O2 → H2O + CO2 Hé, is zo'n brandstof dan iets met C en H? dus: C,H + O2 → H2O + CO2 Conclusie: Het lijkt er nu op dat C, H de bouwstenen zijn van organische (brand)stoffen. Maar stel je even voor dat ook O er als bouwsteen inzit, dat zou op de waarnemingen niet uitmaken, dus dat is mogelijk. Organische stoffen opgebouwd uit C, H en O? Demo: “Eigenschappen van koolstof en waterstof”. Laten zien: Koolstof is zwart en vast, waterstof is gas, lichter dan lucht (ballon), explosief (ballon)! Hindenburg. Overigens: “Hydro-genium” vertaald uit het grieks: water-maker! In de geschiedenis is dat “water-stof” gaan heten, maar vanwege de verwarring met water en waterdamp (volstrekt andere stof!) houden we het voorlopig bij hydrogenium. Intermezzo: “Brandstoffen in de natuur”. Suiker (bieten, vruchten), zetmeel (meel, mais, aardappelen), cellulose (hout/papier). Samen zijn dit de “koolhydraten” (8e klas!). Terughalen uit de 8e klas: Oplosbaarheid van de stoffen in koud & warm water (hebben we later nodig!). Demo: “Aanbranden (groot)”. Kern: Aanbranden van hout in grote opstelling. Opstelling: Zie de tekening hiernaast. A en B zitten vast in een statief. Werkwijze: Een grote reageerbuis vol met houtkrullen (A) wordt verhit. Uit het gas wordt de vloeistof afgescheiden in een soor siffon-constructie van een tweede grote buis (B). Daarna wordt het gas opgevangen in een omgekeerde fles die onder water staat (C). Het gas kan dan afgetapt worden en ontstoken worden (D) door de slangenklem open te draaien. Lang doorverhitten; je ziet dan dat proces stopt, ondanks doorgaan met verhitten. Na afloop zaken even de tijd geven om af te koelen; de nevel uit rook zakt en kleurloosgas blijft over. Conclusie: Producten: houtskool, houtolie, houtgas. (Uit waarnemingen!) Intermezzo: “Fossiele brandstoffen”. Aanbranden onder de grond door hoge druk en hoge temperatuur van aardwarmte! Laten zien van turf, bruinkool, steenkool, antraciet, diamant (“Van plant tot diamant”!) en (zie vorige proef!) het ontstaan van aardolie en aardgas! Koolstofkringloop uitbreiden met fossiele brandstoffen. Op gebouwd in miljoenen jaren, grote verstoring bij verstoken in enkele decennia! Milieuprobleem! Proef: “Aanbranden (klein)”. Doel: Verschillen ervaren tussen aanbranden en verbranden, van suiker, zetmeel en cellulose (hout/papier), en de onderlinge overeenkomsten tussen de verschillende stoffen. Nodig: houtkrullen, stukjes papier VER-branden AAN-branden (±5cm×5cm), suiker, zetmeel, porceleine over in bakje lichte, grijze as zwarte, vaste stof rook / gas onbrandbaar brandbaar bakjes, grote reageerbuizen, buisknijpers, warmte zuurstof vuurverschijnselen
komt vrij nodig wel
is nodig afwezig niet
lucifers, branders, jassen, brillen, haarelastiekjes. Werkwijze: Proberen om de drie stoffen te VERbranden op het schaaltje. De drie stoffen AANbranden in de reageerbuis (eerst hout, dan zetmeel, suiker als laatste!); vrijkomende rook aansteken. Let op: Buis niet naar anderen richten! Kladpapier eronder houden: de zwarte troep die er uit kan komen, is ZEER plakkerig. Maar probeer dit te voorkomen; optijd uit brander halen! Verwerking: Overeenkomsten zoeken tussen de drie stoffen bij beide processen, daarna tegenstellingen zoeken tussen beide processen. Conclusie: Zie doel, en de tabel hiernaast. Intermezzo: “Koolhydraten”. Bij verbranding van koolstof komt een hoop energie vrij. Dat is gunstig voor de mens. Maar de mens heeft een water-gebaseerd lijf, daar past die koolstof niet in. Verbindingen van koolstof en water, de kool-hydraten (Cn·(H2O)m), hebben zowel de brandbaarheid die gewenst is als de water-kwaliteit om in het lijf te passen (bijvoorbeeld in het bloed op te lossen). Intermezzo: “De bouwstenen”. Steeds weer blijkt dat koolstof, waterstof en zuurstof opduiken in de organische chemie. Als je stoffen verbrandt, kom je steeds de 'oxides' ervan tegen, als je stoffen aanbrandt, kom je ze in zuivere vorm tegen. Blijkbaar zijn dat (de) drie bouwstenen van de organische chemie. Hoe zijn die op kwaliteiten geordend? In een driehoek: C – skeletstof, vast, aarde; O – verbinder; H – vluchter. Op de flanken aardgas, water en koolzuurgas. In het midden: de organische stoffen van het leven! Proef: “Spiritus ontkleuren”. Kern: Leerlingproef om enkele scheidingsmethodes te leren kennen (adsorberen, bezinken, filtreren, extraheren). Spiritus wordt ontkleurd met Norrit. Daarna worden stukjes van groene blaadjes toegevoegd en blijft het geheel een nacht staan. Het bladgroen trekt in de vloeistof. Benodigdheden: • fles spiritus met vier bekerglazen (250 ml) • pot aktieve koolstof met in vier bekertjes (100 ml) met theelepeltjes • 16 bekerglaasjes 50 ml • 16 theelepeltjes • 16 kleine glazen trechtertjes • pakje ronde koffiefilters (i.p.v. echte filtreerpapiertjes) • 16 erlenmeyertjes 50 ml • >16 stukjes parafilm (ongeveer 3 cm × 3 cm) • enkele watervaste stiften Werkwijze: 1. Bekerglaasje half vullen met spiritus. Blauw, helder, geur. 2. Theelepel Norit erdoor roeren. Zwart. 3. Even laten staan: Al snel aan oppervlak kleurloze rand! 4. Erlenmeyertje met trechter en filtreerpapier, daar het mengsel in. Kleurloos filtraat, zwart residu. 5. Tijdens doorloop buiten groene blaadjes gaan halen (zonder glimmend waslaagje). 6. Als voldoende filtraat, dan kleine stukjes toevoegen ongeveer tot vloeistofniveau. 7. Afdichten met parafilm, naam op erlenmeyer. 8. Volgende dag waarnemen: groene vloeistof, ontkleurde blaadjes. Conclusie: mengsels & zuivere stoffen, mengen & scheiden, adsorptie, filtreren, extraheren, decanteren. Methode om bladgroen uit bladeren (fotosynthese) te verkrijgen! Toepassing: Thee en koffie zetten! Intermezzo: “Kaarsvlam (einde)”. Gestyleerde tekening van de kaarsvlam, maar nu met alle stoffen en processen in kaart. HOOFDSTUK 3: ANDERE NATUURLIJKE PROCESSEN
§1 Vergisting Proef: “Vergisting”. Leerlingproef om zelf alcohol te maken uit suikers. Prakticumlokaal nodig! Een reactievat met waterslot wordt voorbereid. Dan wordt een lauw warme suikeroplossing gemaakt. Daar wordt bakkersgist aan toegevoegd. Dit geheel wordt gedurende enkele dagen bekeken. Het waterslot is gevuld met kalkwater, zodat het vrijkomende CO2 aangetoond kan worden. Benodigdheden: • 16 opstellingen in krat: reactie-erlenm., waterslot/wasfles-erlenm., stoppen & slang • kalkwater • waterkoker, bij voorkeur twee • pak suiker met vier bekers (100-250 ml) en theelepeltjes • pot gedroogde gist met vier bekerglaasjes (100 ml) en theelepeltjes • 16 bekerglazen 100 ml • 16 theelepeltjes, bij voorkeur in plastic bekertje of zo • 16 thermometers • enkele watervaste stiften Werkwijze: 1. net voldoende kalkwater in wasfles/waterslot doen 2. bekerglaasje (op 't oog) half vol met kokend water 3. 8 theelepeltjes suiker erbij 4. laten oplossen onder roeren met theelepeltje 5. aanvullen met (koud) kraanwater tot drie-kwart 6. af laten koelen tot 39ºC onder roeren met thermometer (voorzichtig!! niet laten staan!!) 7. 1 volle theelepel gist toevoegen 8. glad roeren met theelepeltje 9. ruiken en enkele druppels aan vinger proeven 10. mengsel in reactievat doen; afsluiten 11. op tafel laten staan; op einde van les 1e waarnemingen! 12. naam erop en in krat terugzetten 13. steeds na een dag even waarnemen; daarna steeds schuim van de wanden zwenken 14. na reactie tekening maken van wasfles/waterslot (!) 15. ruiken en enkele druppels aan vinger proeven Conclusie: suiker + water →gist→ alcohol + CO2 Tips: Tekening van erlenmeyer met kalkneerslag op witte achtergrond! Lastige waarnemingsopdracht. Toepassing: Broodbakken met gist. Proef: “Mini-destillatie”. Kern: Leerlingproef om zelf alcohol te destilleren. In een reageerbuisje met overleidbuisje wordt het zelfgebrouwen mengsel gedestilleerd. Als koeler dient een natte prop papier. Benodigdheden: • grote erlenmeyer voor verzameld reactieproduct van vergisting (zo helder mogelijk!) • 16 vuurvaste reageerbuizen met stop en overleidbuisjes • 16 reageerbuisknijpers • kooksteentjes • 16 spiritusbrandertjes, afgevuld en met lont • 16 petrischaaltjes • 16 doosjes lucifers • haarelastiekjes
== nog verder uit te werken == Demo: “Grote destillatie”. Opstelling met spijkeropzet om alcohol te destilleren. Reeds bekend; zie elders voor details. Denk aan aardolie: kraken en gefractioneerd destilleren tot asfalt, stookolie, kerosine, benzine, LPG. Klassengesprek “Alcohol gebruik & misbruik”. Verhalen, discussiestellingen, collum, etc. §2 Verzuren --------- vanaf hier nog niet uitgewerkt --------? azijn maken (internetopdracht?) ? zure melk: liter melk in de loop van de dagen elke dag proeven ? zuurkool maken, yoghurt maken, azijn maken, zuurdesembrood §3 Verrotten ? tekeningen & beschrijvingen van wat je waarneemt aan aquarium met onverwerkte levensmiddelen gedurende vijftien dagen Intermezzo: “Verrotten, verzuren en vergisten”. De begrippen op een rijtje. ===== DEEL 2: Kunstmatige stoffen & processen ====== HOOFDSTUK 4: KUNSTMATIGE STOFFEN §1 Vluchtige stoffen (Ether, Esters en aardolie kraken & destilleren) Demo: “Ether”. Ether maken uit alcohol. Reeds bekend; zie aantekeningen van voorgaande jaren. Demo: “Ester”. Ester maken van boterzuur en azijn(?). Van enorme stank naar heerlijk geurtje! Nog niet uitgeprobeerd of uitgewerkt. Ceus schijnt ervaring te hebben? §2 Ordening in de stoffen Intermezzo: “Ordeningen tot nu toe”. • energetisch, brandbaarheid (koolstof, koolhydraten, koolzuurgas) • koolstofkringloop / lemnsicaat, inclusief zonneenergie en activiteit (mens) en warmte (vuur) • verhouding CO2 en H2O in verbrandingsproducten • complementaire elementen C (vast, zwart, aarde), H (vluchter), O (verbinder) Intermezzo: “Stoffen in een plant”. De stoffen zijn ook te ordenen op volgorde van waar ze in de plant tevoorschijn komen. Met tekening. Opdracht: “Ordening van processen”. Leerlingen puzzelen zelf één schema uit dat (als kapstok) van koolstof tot ether gaat, met daarin / daaraan: • de uitgebreide versie van de koolstofkringloop • verbranden & aanbranden • fossiele brandstoffen • verrotten, verzuren, vergisten • zonneenergie, aardwarmte. Intermezzo: “Ordening van Stoffen op kwaliteiten”. In één schema, voor alle stoffen in het rijtje van hout tot ether, de volgende eigenschappen beoordelen: • oplosbaarheid • smaak • vloeibaarheid
• • •
activiteit voor tot je nemen voedingswaarde verslavingsgevaar
===== EINDE =====
Planning in 3-weekse ochtendperiode met 105 minuten per ochtend: ma di wo do vr ma di Inleiding x Opdracht: “Kaarsvlam tekenen (1)” x Proef: “Open onderzoek kaarsvlam” P Opdracht: “Kaarsvlam tekenen (2)” x Intermezzo: “Kaarsvlam (gesprek)” x Demo: “CO2 aantonen” D Demo: “Blussen met CO2” D Demo: “Rook of Waterdamp?” D Demo: “Zuurstof aantonen” D Demo: “Verbrandingsgassen” D Proef: “De wasfles” P Demo: “Adem op de ramen” D Intermezzo: “Fotosynthese en verbranding” x Opdracht: “Kringloop” x Intermezzo: “Verhouding H2O en CO2” x Demo: “Verbranding van C en H2” D Demo: “Eigenschappen van C en H2” D Intermezzo: “Brandstoffen in de natuur” x Proef: “Aanbranden (klein)” P Demo: “Aanbranden (groot)” Intermezzo: “Fossiele brandstoffen” Intermezzo: “Koolhydraten” Intermezzo: “De bouwstenen” Proef: “Spiritus ontkleuren” Intermezzo: “Kaarsvlam (einde)” Proef: “Vergisting” Proef: “Mini-destillatie” Demo: “Grote destillatie” Klassengesprek “Alcohol ge- & misbruik” ??? §2 Verzuren ??? §3 Verrotten Demo: “Ether” Demo: “Ester” Intermezzo: “Ordeningen tot nu toe” Intermezzo: “Stoffen in een plant” Opdracht: “Ordening van processen” Intermezzo: “Ordening op kwaliteiten” Afronding
wo do vr ma di wo do vr
D x x x P x P P D x x x D D x x x x
De kern van de periode bevat de volgende stoffen en processen: Stoffen: • anorganische bouwstenen: koolzuurgas, water, zuurstof • organische stoffen: hout – cellulose – zetmeel – suiker – alcohol – esthers & ether • elementen: koolstof (vastigheid, stabiliteit), waterstof (vluchter), zuurstof (verbinder) • fossiele brandstoffen: aardgas, aardolie, steenkool, turf, bruinkool Processen: • verbranden (vuur & mens) & aanbranden (kunstmatig en onder de grond) • ademhaling & fotosythese • destilleren (alcohol & aardolie) • vergisten (brood, alcohol), verzuren (yoghurt, azijn, zuurkool), verrotten • volledige en onvolledige verbranding (kaarsvlam) • adsorptie aan actieve koolstof (spiritus ontkleuren), extractie (bladgroen, thee)
Bijlagen Van internet: (http://www.fontys.nl/lerarenopleiding/tilburg/biologie/cd %20amsterdam/cdw/almanak/5prcurs/fysiol/plantfysiol/fotosynt.htm) Uitvoering *Neem een ingepakt en een niet-ingepakt blad van de plant en leg deze gedurende 1 minuut (niet langer!) in kokend water. Hierdoor worden de bladcellen gedood. *Daarna wordt het bladgroen uit de bladeren getrokken door ze in hete alcohol (80°C!) te leggen en af en toe te bewegen. *Wanneer de bladeren kleurloos zijn geworden, worden ze uit de alcohol genomen en even in koud water gelegd. *Daarna worden ze uitgespreid (met 2 pincetten) in een schaaltje, zo dat ze nergens dubbel liggen. *Bedek het blad nu geheel met (zo weinig mogelijk) JKJ-oplossing en laat deze enige minuten inwerken. *Verwijder dan de JKJ-oplossing en giet er water op. (Eenvoudigere versie: wel kokend water, maar niet ontkleuren met alcohol. Let op: Niet alle bladeren laten het dan goed zien! -klb-) Of een plant CO2 afgeeft (ademhaling) dan wel opneemt (assimilatie), is waar te nemen met behulp van een pH-indicator in waterige oplossing. Als de plant CO2 opneemt, wordt CO2 aan de omgeving onttrokken. Dus bij een gasdicht systeem ook aan de pH-indicator. En omgekeerd, als de plant CO2 afgeeft, komt dit ook terecht in de pH-indicator. Voorbereiding maak de indicatoroplossing als volgt: *los 0,2 gram thymolblauw en 0.1 gram kresolrood op in 20 ml ethanol 96%. *los 0,84 gram NaHCO3 op in 900 ml aqua dest. *meng beide oplossingen en vul aan met aqua dest. tot 1000 ml. De kleur van de oplossing is wijnrood en de pH 7.4 *controleer de pH; indien deze te laag is, breng hem dan met enkele druppels geconcentreerde NaHCO3-oplossing op pH 7.4. Indien CO2 aan deze indicatoroplossing wordt toegevoegd wordt de pH 5.4 en verandert de kleur in lichtrood. Bij verwarmen wordt de pH 8 en de kleur paarsrood. *controleer de kleuromslag van de indicator door aan enkele ml van de oplossing in een reageerbuis CO2 toe te voegen (blazen) en daarna te onttrekken (door te verwarmen) Uitvoering *Neem 6 reageerbuizen (nr. 1 t/m 6) en doe in ieder 2 ml pH-indicator met pH 7.4 *Breng in buis 1 t/m 5 een gelijke hoeveelheid plantenmateriaal, b.v. spinazie- of slablad. *Rol het blad op en zorg dat het niet met de pH-indicator in aanraking komt. *Sluit alle buizen luchtdicht af met een kurk of stop. *Omwikkel buis 1 éénmaal met doorschijnend materiaal, dat een deel van het licht absorbeert, buis 2 2x en buis 3 4x. Buis 4 wordt ingepakt in aluminiumfolie. Buis 5 en 6 blijven "bloot". *Alle 6 buizen worden nu bij een lamp gezet (evt. in een bekerglas met water om temperatuurverschillen tussen de buizen te voorkomen). *Na enige uren of een nacht overstaan worden de resultaten bekeken. Van internet: (http://www.biodoen.nl/biodoenLite.php?idOrder=0407012801) Om de gasvorming die bij fotosynthese plaatsvindt te kunnen meten wordt een proefopstelling gebouwd. Bij deze proefopstelling wordt Waterpest onder water in een reageerbuis gestopt. Deze reageerbuis wordt onder water omgekeerd en in een klem geplaatst. Op deze manier kan het gas dat
tijdens fotosynthese ontstaat gemeten worden omdat het zich bovenin de reageerbuis zal verzamelen. Als de reageerbuizen met Waterpestplantjes in de proefopstelling in de zon geplaatst worden zal na enkele dagen enig gas gevormd zijn. Dit gas heeft zich verzameld bovenin de reageerbuis. Laat de proefopstelling zo lang in het zonlicht staan totdat zich enkele centimeters van dit gas gevormd heeft. Van internet: (http://www.schoolmelk.be/yoghurt1.htm) Zelf yoghurt maken ! Yoghurt is een levend produkt. De bacterie-cultuur die erin leeft kan je steeds gebruiken om nieuwe yoghurt te maken. Dit heb je nodig : 1 liter melk, 2 dl verse yoghurt, een kookpot en een thermometer. Zorg dat de kookpot goed schoon is door hem met heet water te spoelen. Verwarm de melk tot 40° C. Roer er dan voorzichtig de yoghurt door. Sluit de kookpot en stop deze in de oven of op een plek waar de temeratuur op 40 graden blijft. Na 4 à 6 uur is de yoghurt klaar. In de koelkast zetten om af te koelen.
Bereiding van ethoxybutaan (ethylbutyraat) Inleiding In de 9e klas periode scheikunde “van Koolstof tot Ether” past het fraai om een flink stinkende organische stof (uit een verzuringsproces) om te zetten naar een heerlijk vluchtig geurtje: het maken van een ester uit een alkaanzuur. Het is een stap in de diverse vervluchtigingsprocessen in de reeks van koolstof tot ether / ester. Het zuur komt uit een verzuringsproces, de alcohol die er voor nodig is uit de vergisting. Om de overgang van vervelende stank naar lekkere geur extreem te krijgen, kan boterzuur (butaanzuur) met ethanol veresterd worden tot ethoxybutaan, dat lekker naar ananas ruikt. Werkwijze 1. 15 ml boterzuur en 15 ml ethanol in kolf 2. werk in zuurkast en met weggooihandschoenen aan, want enorme stank! 3. 5 ml geconcentreerd zwavelzuur erbij (katalysator) 4. kolf met koeler erop in verwarmingsmantel, 1-10 uur koken 5. De ester ontstaat nu door de gewenste reactie: CH3–CH2–CH2–(C=O)–OH + HO–CH2–CH3 <==> CH3–CH2–CH2–(C=O)–O–CH2–CH3 + H2O maar helaas ontstaat ook diethylether: CH3–CH2–OH + HO–CH2–CH3 <==> CH3–CH2–O–CH2–CH3 + H2O 6. De ester en de ether zijn goed oplosbaar en vormen één laag. Water, resten butaanzuur, resten alcohol en het zwavelzuur zijn oplosbaar in elkaar en vormen een tweede laag. 7. met 3% bicarbonaatoplossing* zuur neutraliseren; toevoegen tot geen gasvorming (CO2) meer 8. in scheidtrechter 9. bepalen wat de waterlaag is door druppel water erin te laten vallen 10. scheiden 11. het ether/estermengsel wassen met schoon water, nogmaals scheiden 12. mengsel voorzichtig destilleren op warmwaterbad of stoof op 30°C 13. Glaswerk dat stinkt in zuurkast houden en daar spoelen met aceton en vervolgens een paar keer met 1M-natronloog. Op deze manier blijft er nagenoeg geen boterzuur meer achter. Handschoenen in afgesloten potje weggooien. * NaHCO3, 3 gram in 100 ml water oplossen
Bronnen: -----------------Ten slotte ben ik wel benieuwd naar de methode die je gebruikt voor de verestering. In mijn ervaring werkt de volgende methode zeer goed voor een demonstatie: Boterzuur oplossen in een grote overmaat ethanol in een reageerbuisje. Voorzichtig een beetje (wel overmaat tov boterzuur) thionylchloride toevoegen en goed roeren. Met een schep bicarbonaat neutraliseer je ten slotte de ontstane zuren en thionylchloride-resten. Je kunt een beetje van de verkregen oplossing op een papiertje/tissue pipetteren. De ethanol verdampt dan snel zodat je de ananasgeur goed kunt ruiken. … De thionylchloride zet je zuurgroep (COOH) om in een zuurchloride (COCl). Wanneer je namelijk een normale estersynthese zou doen, dan zul je zien dat alle evenwichten daarin afhankelijk zijn van de hoeveelheid water in je potje. Verander je dus de zuurgroep in een zuurchloride, dan is er geen terugreactie meer, aangezien er dit keer geen water ontstaat, maar HCl. Wees daar dus ook op bedacht! Om dit dus strax kwijt te raken (hier heb je wel een aanzienlijke hoeveelheid ester voor nodig, 100 ml ofzo), kun je de inhoud omkieperen in een kleine hoeveelheid ijswater en de zaak dan extraheren. … Om de reactie snel te laten verlopen kun je ongeveer 0.5 mL boterzuur oplossen in ongeveer 5 mL ethanol en vervolgens voorzichtig ongeveer 1.5 equivalent thionylchloride (1.5 eq tov het boterzuur) toedruppelen. Je zult waarschijnlijk wel merken waarom deze methode ook wel de 'fried chicken' verestering wordt genoemd. Vervolgens een minuutje of zo schudden en dan is de reactie ongeveer klaar. Let bij het indampen van de ethanol wel op het kookpunt van ethylbutyraat (120 graden celcius), anders ben je alles kwijt. Waarschijnlijk gaat het in je reageerbuisje het beste door een perslucht of stikstofstroom te leiden over de oplossing in een waterbadje van zo'n 30 graden. Bron: Wetenschapsforum (internet) ------------------
