Kleurrijke chemie. Paul Degreef Marie-Josée Smits Annie Wellens - Marie-Josée Janssens

Kleurrijke chemie

Paul Degreef – Marie-Josée Smits Annie Wellens - Marie-Josée Janssens

Inhoudsopgave Inhoudsopgave ....................................................................................................... 2 Inleiding ................................................................................................................ 3 1.

Zilveren snoepparels ......................................................................................... 4

2.

Het verschil tussen Aspirine en Dafalgan ............................................................. 7

3.

Een “ijsje” of toch niet? ................................................................................... 10

4.

Schuimpje verschijnt, kleur verdwijnt ............................................................... 12

5.

Chemoluminescentie met luminol en oxireiniger ................................................. 15

6.

Druppelelektrolyse van koperdichloride-oplossing CuCl2 ...................................... 16

7.

Onzichtbare inkt ............................................................................................. 20

8.

Regenboogindicatoren ..................................................................................... 23

9.

Bietenrood ..................................................................................................... 27

10. Beilsteintest en vlamproeven: onderzoek ........................................................... 30

Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

2

Inleiding Kleur in voeding, verzorging, kleding, interieur, tuin, kunst … chemie is er onlosmakelijk mee verbonden. Kleur in het dagelijkse leven verwijst vaak naar de chemische samenstelling van kleurstoffen en gekleurde stoffen. Chemische reacties liggen aan de basis van heel wat kleurveranderingen. Smaak wordt beïnvloed door kleur. Kleur speelt ook een belangrijke rol in de didactische aanbreng van chemische concepten. Tijdens deze werkgroep kunnen leraren chemie kennismaken met leuke experimenten ontwikkeld voor demonstraties en leerlingenproeven. De deelnemers kunnen tijdens deze workshop zelf deze experimenten uitvoeren. Reeds een greepje uit de mogelijkheden:

Zilveren snoepjes

Een ijsje of toch niet?

Chemoluminescentie met luminol en oxireiniger

Onzichtbare inkt

Verschil tussen Aspirine en Dafalgan

Druppelelektrolyse koperdichloride CuCl2


3

1. Zilveren snoepparels Plaats in de leerplannen Neerslagreacties. Reactie van metalen in bepaalde zuren.

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Zilverkleurige parels worden gebruikt als versiering van bijvoorbeeld gebak. Op de verpakking van de parels staat aangegeven dat als kleurstof zilver (met E-nummer 174) wordt gebruikt.

Figuur 1: Zilveren snoepparels

Figuur 2: Kleurstof E 174 in ingrediëntenlijst van zilveren parels

Onderzoeksvraag Klopt het dat zilver wordt gebruikt om de parels mooi glanzend te maken?

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel – hypothese – Voorstel werkwijze Het doel van dit experiment is aan te tonen of er al dan niet zilvermetaal in de parels zit. Het metaal zilver kun je niet zomaar aantonen met een bepaalde reactie. Het is wel mogelijk om zilverionen aan te tonen met behulp van een neerslagreactie. Zilverionen zullen samen met chloride-ionen een witte troebele neerslag vormen van zilverchloride. Hiervoor moeten natuurlijk eerst zilverionen gemaakt worden. Je kunt uit een metaal op twee manieren een oplossing met metaalionen maken: − door het metaal te laten reageren met een zure oplossing of − door het metaal te laten reageren met een ander metaalion. De theorie van de spanningsreeks van metalen en de normpotentialen, heeft ons geleerd dat zilver een edelmetaal is, en hierdoor een (relatief) zwakke reductor. Zilver zal dus alleen zilverionen vormen in aanwezigheid van een sterke oxidator.


4

De oxidator die in deze proef gebruikt wordt, is het nitraation, hiervoor wordt salpeterzuur gebruikt. Benodigdheden − Zilveren snoepparels − Salpeterzuur 65 % − Natriumchloride (of oplossing ervan c= 0,10 mol/l) − Gedestilleerd water − Proefbuizen en proefbuisrek − Pipetje Verbinding HNO3

Gevaarsymbool C

R-zinnen 34

S-zinnen 23-26-36-45

WGK

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze − Breng een zilverkleurige snoepparel in een proefbuis. − Overgiet de parel met enkele ml waterstofnitraat. − Wacht tot het glanzend zilverkleurig laagje is verdwenen. − Giet de vloeistof over in een schone proefbuis zonder de parel over te brengen. − Los in een andere proefbuis een spatelpunt natriumchloride of kaliumchloride op in enkele ml gedestilleerd water en schud tot alles is opgelost. − Druppel met een pipet wat van de zoutoplossing bij de salpeterzuuroplossing. Waarneming - Er ontstaat een wit neerslag in de proefbuis.

Figuur 3: Benodigdheden voor deze proef

Figuur 4: Parel overgieten met wat salpeterzuur

Figuur 5: Links blanco, Rechts reactie met neerslag

Figuur 6: Witte troebeling duidelijk waarneembaar


5

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie Deze neerslag is gevormd door combinatie van de zilverionen en de chloride ionen volgens de reactie: Ag+ + Cl- → AgCl ↓ Verklaring Zilver is een edel metaal en is hierdoor een (relatief) zwakke reductor. Zilver zal dus niet reageren met de meeste zure oplossingen. Het zal dus ook alleen zilverionen vormen in aanwezigheid van een sterke oxidator. Het nitraation aanwezig in salpeterzuur heeft de eigenschap dat het een sterke(re) oxidator is en dat het dus gemakkelijk met zilver reageert. Bij de reactie ontstaan zilverionen: Ag+. Als hieraan een oplossing van natriumchloride wordt toegevoegd, welke chloride-ionen bevat, slaat het slecht oplosbare zilverchloride neer onder vorm van een wit neerslag.

e. Tips voor verder onderzoek Er zijn nog andere neerslagreacties met zilverionen mogelijk. De neerslagen van zilver zijn gekend voor hun felle kleuren. Zo krijgt een neerslag van zilverbromide (AgI↓) een lichtgele kleur, een neerslag van zilverchromaat (Ag2CrO4↓) een rode kleur. In een volgend experiment kan geprobeerd worden een neerslag te maken van zilverchloride volgend volgende reactie: Ag+ + I- → AgI ↓ Hiervoor wordt in de plaats van een oplossing van natriumchloride, een oplossing van kaliumjodide gebruikt(zie Figuur 7: Gebruik van kaliumjodide om zilverjodide neerslag te verkrijgen.). Op de figuur werd in de rechter proefbuis een blanco neerslag gemaakt met behulp van zilverionen afkomstig van zilvernitraat en jodide ionen afkomstig van kaliumjodide. Deze neerslag is lichtgeel zoals de theorie dit voorspelde. Als aan de opgeloste zilverionen van de zilveren parel enkele druppels kaliumjodide wordt toegevoegd, ontstaat een roodbruine neerslag. Deze neerslag is vermoedelijk afkomstig van dijood, doordat de resterende nitraationen aanwezig in het reactiemidden de jodide ionen oxideren naar dijood (dit geeft in oplossing een bruine kleur).

Figuur 7: Gebruik van kaliumjodide om zilverjodide neerslag te verkrijgen.

f. Bronnen Chemie Aktueel, Tijdschrift voor scheikunde-onderwijs (januari 2010), Nr. 62 – p. 16-17, p. 53-54 Jansen J., Delaet R. en Dreezen J., Macro-micro in de Chemie, Dieper inzicht in organische stoffen, p.114-115, Uitg. Plantyn, Jo Thys - ALO Chemie - 16 april 2010 Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

6

2. Het verschil tussen Aspirine en Dafalgan Plaats in de leerplannen Koolstofverbindingen: indeling en eigenschappen

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Aspirine is de beschermde merknaam voor acetylsalicylzuur. Dit is de werkzame stof in Dispril, Aspro … Paracetamol is de triviale naam van de verbinding die je o.a. in Dafalgan terugvindt.

Onderzoeksvraag Je hebt en heel moeilijk examen achter de rug met barstende hoofdpijn als gevolg. Je vindt een tablet waarvan je weet dat het ofwel Aspirine ofwel Dafalgan is. Maar bent allergisch aan acetylsalicylzuur. Hoe kan je met zekerheid vaststellen met welk product je te doen hebt? Zoek de formules op van acetylsalicylzuur en van paracetamol: Welke functionele groepen herken je?

Bijkomende informatie: Fenolen vormen diepblauwe complexe ionen met Fe3+ ionen.

Wat zijn fenolen?

b. Voorbereiden Hypothese 1

Formuleer een hypothese wat het zuur-base-gedrag van deze verbindingen betreft.

2 Voorspel of er een verschil is tussen Aspirine en Dafalgan wat de complexvorming met ijzer betreft.


7

Benodigdheden - Indicator: broomthymolblauw - 1 tablet aspirine, 1 tablet dafalgan, weegschaal, gedestilleerd water, mortier en stamper, erlenmeyer 100 ml, trechter, filtreerpapier, nunclonschaaltje - FeCl3-oplossing, 5% Verbinding FeCl3

Gevaarsymbool

R-zinnen

S-zinnen

WGK

c. Uitvoeren Werkwijze Een tablet van elk geneesmiddel fijn malen. Gelijke massa’s (ongeveer 300 mg) afwegen, oplossen in 30 ml water en filtreren. A Breng van elke oplossing een kleine hoeveelheid in twee schaaltjes aan. Voeg enkele druppels indicator aan. Waarneming

Komt je waarneming overeen met de aanwezige functionele groep?

B

Breng van elke oplossing een kleine hoeveelheid in twee schaaltjes aan en voeg enkele druppels van de FeCl3-oplossing toe Komt deze waarneming overeen met je veronderstelling?

Links oplossing van acetylsalicylzuur - rechts oplossing van paracetamol Boven met BTB – onder met Fe3+ ionen


8

d. Rapporteren – reflecteren Conclusie Acetylsalicylzuur is een zuur, paracetamol is geen base. Fenolen vormen complexe ionen met Fe3+-ionen volgens onderstaande reactie

Paracetamol is dus een fenol.

e. Tips voor verder onderzoek 1 Ibrupofen is een molecule met gelijkaardige pijnstillende eigenschappen. Is deze molecule te vergelijken met ACZ of met paracetamol?

2 Er bestaan nog veel meer moleculen met een OH-groep. Schrijf de formule van cyclohexanol en van salicylzuur. Zou er met deze verbindingen ook een ijzercomplex gevormd worden?

f. Bronnen Prof. Blumes Tipp des Monats Mai 2003 http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/ Uitgetest door Annie Wellens Tekst: Annie Wellens


9

3. Een “ijsje” of toch niet? Plaats in de leerplannen Kunststoffen

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Aaneenschakeling van monomeren ter vorming van macromoleculen kan op verschillende manieren gebeuren: volgens polymerisatie, polycondensatie en polyadditie. Polyurethanen zijn kunststoffen die ontstaan door polyadditie waarbij de monomeren, bifunctionele moleculen, in hun geheel aan elkaar geschakeld worden als kralen in een ketting zonder dat nevenproducten ontstaan. Polyurethanen kennen veel toepassingen. Onderzoeksvraag Hoe kan een polyurethaan in een klassensituatie eenvoudig en leuk gesynthetiseerd worden? .

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel - Voorstel werkwijze We willen de leerlingen op een eenvoudige manier laten ervaren dat een polyurethaan, PUR, ontstaat door reactie tussen twee reagentia, een diol en een di-isocyanaat. Hiertoe mengen we de beide componenten in een klein plastic recipiënt. Om het experiment in een leuk kleedje te stoppen, voegen we een voedingskleurstof toe, zodat het lijkt dat op het einde van het experiment een crèmepje in het potje zit. Benodigdheden Urafoam 2-XV Uranate DNR een voedingskleurstof een plastic potje van 100 ml (gekocht bij AVApapierwaren) twee pasteurpipetjes en een houten spateltje een (papieren) bescherming als ondergrond op de tafel handschoenen Verbinding Urafoam 2-XV Uranate DNR

Gevaarsymbool Xn Xn

c. Uitvoeren Werkwijze - Breng een paar druppels kleurstof op de bodem van het plastic bekertje. - Voeg met een pasteurpipetje 2 ml Urafoam 2-XV toe en homogeniseer. Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

10

- Voeg dan met een pasteurpipetje 2 ml Uranate DNR bij en homogeniseer. - Wacht dan enkele minuten rustig af! Waarneming De reactie start langzaam met warmtevrijgave. Een mooi gekleurd schuim vult stilaan het ganse bekertje. Na verloop van tijd heeft zich een hard crèmepje gevormd!

d. Rapporteren – reflecteren Conclusie Dit experiment is zeer gemakkelijk uit te voeren, ook door leerlingen. Verklaring Het hiernaast staand reactiepatroon tussen een diol en een di-isocyanaat illustreert het polyadditieproces.

e. Tips voor verder onderzoek - Combineer de twee componenten met andere voedingskleurstoffen om andere (lekkerder?) crèmepjes te maken. - Wens je een ‘dikkere’ crème te maken, dan moet je natuurlijk grotere hoeveelheden van de beide componenten gebruiken in een 1/1-verhouding. - De twee componenten kunnen besteld worden bij M.C. Technics - Zone Industriel Rue de Maestricht 69, 4600 Visé Tel. 043 79 51 01 (spreken Nederlands) Prijs: Urafoam 2-XV: 21,25 euro/liter Uranate DNR: 21,68 euro/liter

f. Bronnen Brandt L. et al., Chemie 2000 Maxi 5, afbeelding reactiemechanisme p. 130, Uitg. Wolters Plantyn, ISBN 90-301-6657-6 Paul Degreef Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

11

4. Schuimpje verschijnt, kleur verdwijnt Plaats in de leerplannen gasvormingsreacties zuren en basen

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Lees de productinformatie van Reckitt blue® of “blauwsel”. Het is een product dat vroeger gebruikt werd om vergeelde was witter te doen schijnen want oranje is de complementaire kleur van ultramarijn blauw; samen geven ze wit. Het blauwsel bestaat uit de kleurstof ultramarijn met toevoeging van een base, nl. natriumwaterstofcarbonaat. Ultramarijn is de kleur Pigment Blue (PB) 29 77007 Het is een polysulfide van natriumaluminiumsilicaat met formule Na6Al4Si6S4O20 Onderzoeksvraag Klopt het dat ultramarijn zuur-gevoelig is?

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel – hypothese – Voorstel werkwijze We onderzoeken of de kleur van ultramarijn wijzigt wanneer de kleurstof in zuur midden gebracht wordt. Benodigdheden reckitt blauw, azijnzuur, citroenzuur, NaOH–oplossing (3 mol/l) een lepeltje, 2 proefbuizen, een knijppipet, universeel indicatorpapier Verbinding vast citroenzuur NaOH (3 mol/l)

Gevaarsymbool Xi C

R-zinnen 36 35

S-zinnen 26 26-37/39-45

WGK 1 1

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze - Breng wat vast citroenzuur in een proefbuis en leng aan met gedestilleerd water tot de proefbuis half gevuld is. - Breng in een tweede proefbuis huishoudazijn en vul de proefbuis halfvol. - Breng in beide proefbuizen een mespuntje Reckitt Blauw® - Voeg na 2 minuten druppelsgewijs de base toe tot de oplossing basisch is en test met een UI-papiertje. Waarneming - De oplossing bruist als het blauwsel aan de zure oplossing wordt toegevoegd. - De blauwe kleur verdwijnt; de blauwselpartikeltjes worden wit. - De oplossing krijgt de geur van rotte eieren. - Bij toevoeging van de base wijzigt de kleur niet meer.


12

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie Door blauwsel in een zure oplossing te brengen wijzigt de structuur van het ultramarijn. Deze kleurstof is zuurgevoelig. Verklaring 1 Aan het pakje blauwsel is als base NaHCO3 toegevoegd, dat in waterige oplossing waterstofcarbonaarionen vormen die voor het basisch milieu zorgen. NaHCO3(s) → Na1+ + HCO31HCO31- + H2O ⇄ H2CO3 + OHKb = 2,25.10-8; Ka = 5,00.10-11 1(HCO3 -ionen kunnen met water ook H3O1+ vormen, maar Ka is kleiner dan Kb) In zuur midden gaan echter de HCO31- -ionen reageren met de H3O1+-ionen van het zuur ter vorming van CO2 HCO31- + H3O1+

→

2 H2O + CO2ր

2 Bij de gasvorming ontstaat de geur van rotte eieren omdat uit het polysulfide zwavelionen zich binden aan de H3O1+-ionen van het zuur tot waterstofsulfidegas. S2- + 2 H3O1+

→

2 H2Sր


13

3 In ultramarijn wordt de blauwe kleur veroorzaakt door het S2--ionen als chromofore groep. In zuur midden wijzigt deze groep onder vorming van waterstofsulfide. 4 Omdat de structuur van de kleurstof gewijzigd is in zuur midden, zal in basisch midden de blauwe kleur niet terug verschijnen.

e. Tips voor verder onderzoek Men kan onderzoeken of het ultramarijn inderdaad in zuur midden nog gasvorming geeft door eerst de blauwe kleur af te filtreren en het filtraat te laten uitkristalliseren. Men kan dan zowel het uitgekristalliseerde NaHCO3 als het residu (het ultramarijn) testen op gasvorming met zuren.

f. Bronnen 1. Anoniem, Blauwsel, Archimedes, jrg 7 nr.3 1980/1981, blz. 54 2. Anoniem, Ultramarijn, Internet, 5 mei 2010 (http://nl.wikipedia.org/wiki/Ultramarijn) 3. Booth, D.G., Dann, S.E. and Weller, M.T. (2003) The effect of the cation composition on the synthesis and properties of ultramarine blue. Dyes and Pigments, 58, (1), 73-82. Auteur: Marie-Josée Smits


14

5. Chemoluminescentie met luminol en oxireiniger Plaats in de leerplannen Endo- en exo-energetische reacties (Oxireiniger wordt gebruikt als vervanger van H2O2)

a. Voorbereiden Benodigdheden - luminol, K3Fe(CN)6, oxireiniger (Vanish of Una Oxy), gedestilleerd water - een erlenmeyer van 500ml, een spatel.

b. Uitvoeren Werkwijze - In de erlenmeyer wordt ongeveer 200 ml water aangebracht; daaraan wordt een spatelpunt luminol en een half maatschepje wasmiddel toegevoegd. Schudden. Aan deze oplossing wordt een spatelpunt K3Fe(CN)6 toegevoegd. Waarneming De oplossing licht blauw op.

c. Rapporteren – reflecteren Tijdens de klassieke oxidatiereactie van luminol wordt het peroxodianion gevormd waarbij licht uitgestraald wordt.

In deze variant van de reactie wordt in de plaats van waterstofperoxide een oxireiniger gebruikt die grote hoeveelheden percarbonaat bevat. Ijzerionen treden op als katalysator. Daarom wordt luminol in forensisch onderzoek gebruikt om bloedvlekken op te sporen. Auteur: Annie Wellens Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

15

6. Druppelelektrolyse van koperdichloride-oplossing CuCl2 Plaats in de leerplannen Elektrolyse VVKSO Leerplan derde graad ASO – CHEMIE LICAP – BRUSSEL D/2006/0279/040 : 2 graaduren

VVKSO Leerplan derde graad ASO – CHEMIE LICAP – BRUSSEL D/2006/0279/040 : 4 graaduren

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Herhaal de theoretische aspecten over de elektrolyseverschijnselen. Weet dat: - voor alle redoxverschijnselen steeds geldt KRAO ‘aan de kathode gebeurt reductie en aan de anode gebeurt oxidatie’ - alleen een elektrolyse KNAP is … : kathode is negatief en anode is positief Zoek de kleur van indicatoren zoals broomthymolblauw en methylrood op in zuur en basisch midden. Onderzoeksvragen Kunnen de verwachte elektrolyseverschijnselen ook waargenomen worden bij het uitvoeren van ‘mini-elektrolyse’ in een druppelexperiment? Hoe worden de elektrolyseverschijnselen beïnvloed door de aard van de oplossing die onderworpen wordt aan de elektrolyse? Hoe worden de elektrolyseverschijnselen beïnvloed door de aard van de elektroden die gebruikt worden in de elektrolyse?


16

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel – hypothese – Voorstel werkwijze We voeren de druppelelektrolyse uit op een witte ondergrond die gemakkelijk te reinigen is: bvb. een porseleinen plaatje van ongeveer 10 cm op 10 cm of een wit papier in een plastic mapje. - + Op deze witte ondergrond wordt een druppel van de te elektrolyseren oplossing gelegd. Als energiebron wordt een batterij van 9 Volt gebruikt. Als elektroden worden uitgevouwen paperclips gebruikt, die aan het uiteinde met een tang een paar mm gebogen worden om een goed contact met de druppel te verkrijgen.

Benodigdheden koperdichloride-oplossing CuCl2 1 mol/l pasteurpipetje witte ondergrond (porseleinen plaatje of wit papier in plastic mapje) 9 Volt batterij twee ijzeren paperclips (uitgevouwen en uiteinden wat omgeplooid) Verbinding CuCl2

Gevaarsymbool Xn , N

R-zinnen 22-36/38-50/53

S-zinnen 22-26-60-61

WGK 2

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze - Breng een flinke druppel CuCl2-oplossing aan op de witte achtergrond. - Bevestig één half uitgevouwen paperclip aan de positieve pool (de anode) van de batterij en één half uitgevouwen paperclip aan de negatieve pool (de kathode). Waarneming - Aan de negatieve pool is er een ‘boomvorming’ van roodbruin kopermetaal - De paperclip aan de positieve pool is na verloop van tijd dunner geworden. De oplossing rond de positieve pool kleurt na verloop van gelig.


17

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie Kopermetaal ontstaat door reductie van koperionen aan de kathode. Het ijzermetaal van de anode-paperclip wordt geoxideerd tot ijzer(II)-ionen Fe2+ die de oplossing geel kleuren. Verklaring Er gebeuren onder invloed van de elektrische stroom, geleverd door de batterij, elektrolyseverschijnselen. Deze verschijnselen kunnen verklaard worden via onderstaand schema: Wat is visueel waar te nemen aan de polen? - pool (kathode):

+ pool (anode):

Aanwezige deeltjes zijn: Kandidaat OX (aan de negatieve pool = kathode), hun redoxkoppel met E°-waarde: OX + n e- → RED

Welke van de kandidaat oxidatoren wordt gereduceerd? Schrijf de optredende halfreactie die hoort bij deze reductie. Verklaar hiermee je hoger genoteerde waarneming.

Kandidaat RED (aan de positieve pool = anode), hun redoxkoppel met E°-waarde: OX + n e- ← RED of RED → OX + n e-

Welke van de kandidaat reductoren wordt geoxideerd? Schrijf de optredende halfreactie die hoort bij deze oxidatie. Verklaar hiermee je hoger genoteerde waarneming.

Hoe kan je aantonen dat de Fe-elektrode omzet tot Fe2+-ionen?


18

Waarom is er geen gasvorming te merken aan één of beide polen?

e. Tips voor verder onderzoek Andere oplossingen kunnen ook aan een druppelelektrolyse onderworpen worden. Er kan ook gebruik gemaakt worden van verschillende elektroden (koperen paperclips, grafietstaafjes …). Eenzelfde mini-elektrolyse kan uitgevoerd worden met verschillende indicatoren in de oplossing. Volgens de hogere werkwijze voeren we de volgende elektrolyses als druppelexperiment uit: a. elektrolyse van Na2SO4-oplossing (met broomthymolblauw) met ijzeren paperclips b. elektrolyse van Na2SO4-oplossing (met methylrood) met ijzeren paperclips c. elektrolyse van Na2SO4-oplossing (met methylrood) met koperen paperclips d. elektrolyse van CuSO4-oplossing met ijzeren paperclips

f. Bronnen Mahieu, K. (PB Chemie - bisdom Antwerpen 2007) - Stauffer Mark T. and Fox Justin P. , Yet Another Variation on the Electrolysis of Water at Iron Nails, Journal of chemical education (2008), 85, p. 523; http://forums.divched.org:8000/JCE/DigiDemos/Demos/JCE2008_Stauffer_Fox Auteur: Paul Degreef


19

7. Onzichtbare inkt Plaats in de leerplannen VVKSO leerplan tweede graad ASO – Chemie LICAP – Brussel D/2006/0279/039: - De pH-schaal in relatie kunnen brengen met zuur, basisch of neutraal karakter van een waterige oplossing - Neerslagreacties uit de leefwereld kunnen herkennen als het gevolg van bepaalde ionencombinaties tot stoffen die weinig oplosbaar zijn in water en bezinken - Zuur, neutraal en basisch midden kunnen interpreteren in functie van de aanwezige hoeveelheden H1+ en OH1—ionen

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Herhaal de theoretische aspecten over neerslagreacties. Zoek het kleuromslaggebied en de kleur van de indicator thymolftaleïne. (omslaggebied tussen pH 9,3 en 10,5 - pH > 10,5 : blauw – pH < 9,3 kleurloos). Probleemstelling en onderzoeksvragen Een blauwe oplossing van thymolftaleïne kan als inkt worden gebruikt. Na verloop van tijd verdwijnt de geschreven tekst. Waarom verdwijnt de tekst? Kunnen we de tekst weer zichtbaar maken?

b. Voorbereiden Hypothese - onderzoeksvoorstel Vermoedelijk reageert NaOH met CO2 uit de lucht en wordt Na2CO3 gevormd. In dat geval wordt de ‘inkt’ op het witte papier minder basisch en dus onzichtbaar. De indicator is echter nog aanwezig. Indien deze hypothese (onderstelling) klopt dan zal de tekst opnieuw verschijnen door het papier te bevochtigen met een basische oplossing. - Een oplossing van thymolftaleïne bereiden en blauw kleuren door toevoeging van voldoende druppels NaOH 3 mol/l. Met deze ‘inkt’ op papier of stof schrijven. Nagaan of de tekst verdwijnt. Met een basische oplossing over het papier gaan en observeren of de tekst weer verschijnt. Benodigdheden - Thymolftaleïne-oplossing: Thymolftaleïne, ethanol, maatkolf 100 ml, balans - Wit papier, penseel NaOH-oplossing geconcentreerd (bv 3 mol/l) en verdund (0,1 mol/l) Verbinding Thymolftaleïne Ethanol NaOH 3 mol/l

Gevaarsymbool F C

R-zinnen 11 35

S-zinnen 22-24/25 7 - 16 26-37/39-45

WGK 1 1

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze - Bereiding van de thymolftaleïne-oplossing:


20

o Breng 0,10 g thymolftaleïne in een maatkolf van 100 ml. Breng 10 ml ethanol in de maatkolf en schud om het thymolftaleïne op te lossen. Leng de oplossing aan met water tot een volume van ongeveer 90 ml. De oplossing wordt melkachtig wit. o Voeg dan 1 ml NaOH-oplossing 3 mol/l toe (= 20 druppels) aan de thymolftaleïneoplossing totdat deze oplossing donkerblauw kleurt. Leng verder aan met water tot aan de maatstreep. - Schrijf met een penseel en de blauwe oplossing een tekst op een blad wit papier of een stukje stof. - Laat dit even drogen. Waarneming - Bij het aanbrengen van de inkt op het papier verdwijnt de blauwe kleur van de inkt en de inkt droogt op. - Na het aanbrengen van NaOH-oplossing over de tekst kleurt de tekst weer blauw. - Na enige tijd wordt de tekst weer onzichtbaar

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie De blauwe tekst ontkleurt en kan terug zichtbaar worden gemaakt door toevoeging van een basische oplossing. Verklaring Thymolftaleïne is een indicator die bij pH > 10,5 blauw kleurt. Als de thymolftaleïneoplossing voldoende basisch gemaakt wordt met een geconcentreerde NaOH-oplossing (3 mol/l) kleurt ze donkerblauw. Wanneer met deze oplossing een tekst wordt geschreven verdwijnt de tekst omdat NaOH reageert met CO2 uit de lucht en hierbij wordt een witte neerslag gevormd van Na2CO3 wordt gevormd, onzichtbaar op het witte papier. 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O Door het verdwijnen van NaOH uit de ‘inkt’ wordt de oplossing minder basisch en verdwijnt de blauwe kleur. Wanneer met NaOH 0,1 mol/l over de tekst wordt gegaan, verschijnt de blauwe kleur weer.


21

e. Tips voor verder onderzoek - Uitproberen met ‘inkt’ van andere kleuren: fenolftaleïne of met mengsel van thymolftaleïne en fenolftaleïne (concentratie: zie bron) en verschil in reactiesnelheid bestuderen. Tekst terug zichtbaar maken met een zeepoplossing? Welk zeep best?

f. Bronnen Katz D. (2006). Disappearing ink. Beschikbaar op: http://www.chymist.com/Disappearing%20Ink.pdf [3/7/2010]. Auteur: Helen Haest Ook getest door Paul Degreef


22

8. Regenboogindicatoren Plaats in de leerplannen Zuur-base-indicatoren Doel 1 Een regenboog van kleuren maken met mengsels van indicatoroplossingen in een soda oplossing. 2 Deze basische indicatoroplossingen gebruiken om een neutralisatiereactie aan te tonen bij zure hosties.

a. Oriënteren Achtergrondinformatie - opdracht Zoek de pKa waarde en het omslaggebied van de pH indicatoren fenolftaleïne, thymolftaleïne en 4- nitrofenol. Tabel 1: overzicht omslaggebied van de indicatoren

indicator thymolftaleïne fenolftaleïne 4-nitrofenol

pKa 9,9 9,3 7,08

omslaggebied 9,2 – 10,5 8,2 – 9,8 5,4 – 6,8

kleuromslag Kleurloos - blauw Kleurloos - violet Kleurloos – geel

b. Voorbereiden Benodigdheden Materiaal: 3 maatkolfjes van 100 ml met stop, 6 maatcilinders van 100 ml, 6 bekers van 250 ml of 1 nuclonschaaltje 6 of 6 kleine petrischaaltjes, 3 knijppipetjes, 1 glazen staaf, UI-papier Chemicaliën: sodaoplossing 2 g/l - pH-indicatoren in vaste vorm: fenolftaleïne, thymolftaleïne, 4-nitrofenol - ethanol 95% - gedestilleerd water. Andere: 12 zure hosties Bereiding indicatoroplossingen: 0,5 % fenolftaleïneoplossing in alcohol Los 0.5 gram fenolftaleïne op in 25 ml ethanol 95% in een maatkolf van 100 ml en leng aan met ethanol 95%. Homogeniseer de oplossing. 0,5 % thymolftaleïneoplossing in alcohol Los 0.5 gram thymolftaleïne op in 25 ml ethanol 95% in een maatkolf van 100 ml en leng aan met ethanol 95%. Homogeniseer de oplossing. 1 % nitrofenoloplossing in alcohol Los 1 gram 4-nitrofenol op in 25 ml ethanol 95% in een maatkolf van 100 ml en leng aan met ethanol 95%. Homogeniseer de oplossing. Bereiding sodaoplossing: Los 2 gram soda (Na2CO3) op in 250 ml water in een bekerglas van 1 liter en leng aan tot 1 liter oplossing. Homogeniseer de oplossing. Indien je werkt met bekers: verdeel deze oplossing gelijkmatig over 6 bekerglazen van 250 ml. Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

23

Indien je werkt met Nunclonschaaltjes of petrischaaltjes: verdeel de oplossing over 6 schaaltjes.

c. Uitvoeren – Soda regenboog Werkwijze - Neem een nuclonschaaltje en vul elk compartiment met ongeveer 5 ml sodaoplossing. - Voeg daarna de pH-indicatoren toe in de verhouding zoals weergegeven in Tabel 2. Indien een mengsel van indicatoren gebruikt wordt, voeg dan eerst die indicator toe waarvan het omslaggebied plaatsvindt bij de hoogste pH-waarde (thymolftaleïne > fenolftaleïne > 4-nitrofenol). Meet en noteer de pH van de oplossing. De oplossing heeft een pH-waarde boven 7 en is dus basisch. In de oplossing ontstaan hydroxide ionen. Tip: indien de kleur te licht of te donker is, kan je nog enkele druppels van één van de indicatoroplossingen toevoegen zodat je de gewenste kleur bekomt. Tabel 2: samenstelling van de pH-indicatoren Kleur Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet

Thymolftaleïne / / / 3 20 4

Indicator ( # druppels) Fenolftaleïne 16 3 / / / 16

4-Nitrofenol 4 17 20 17 / /


24

Neutralisatie van de soda-indicatormengsels door zure hosties Werkwijze Plooi de hostie zodanig dat ze in de maatcilinder past. De beste manier is om de hostie wat in te deuken aan één kant. Let wel op dat de hostie niet breekt opdat het zuur niet uit de hostie valt. Gebruik een glazen roerstaaf om de hostie tot op de bodem van de maatcilinder te krijgen. Breng daarna op dezelfde wijze een tweede hostie in de maatcilinder (zie figuur 2). Herhaal de bewerking voor maatcilinder 2 tot en met 6 en nummer alle maatcilinders.

Figuur 8: links: twee zure hosties - midden: geplooide zure hostie - rechts: zure hosties in maatcilinder.

Gebruik de 6 soda oplossingen om de regenboogkleuren te maken: nummer de bekerglazen met 150 ml sodaoplossing van 1 tot en met 6 en voeg telkens een ander indicatormengsel toe zoals beschreven in tabel 2. Voeg 100 ml van de rode soda-indicatoroplossing 1 toe aan maatcilinder 1. Herhaal deze handeling voor de overeenkomstige cilinders en bekerglazen. Plaats de overgebleven soda-indicatoroplossing voor de overeenkomstige maatcilinder en neem de trage kleuromslag waar.

Figuur 9: Toevoegen van de blauwe soda-indicatoroplossing aan de maatcilinder met zure hosties.

Figuur 10: Langzame ontkleuring van de blauwe oplossing in de maatcilinder.

d. Rapporteren – reflecteren Wat gebeurt er met de hosties als de soda-indicatoroplossing toegevoegd worden? De wand van de hostie breekt open en het zuur ontsnapt uit de hosties. Vervolgens lost het zuur geleidelijk op in het water. Wat gebeurt er vanaf dat moment met de kleur van de soda-indicatoroplossing? De kleur verandert, de oplossing wordt kleurloos.


25

Vergelijk de pH-waarden van de oplossingen in de maatcilinders met de pH-waarden van de overeenkomstige soda-indicatoroplossingen in de bekerglazen. Wat kan je besluiten? De pH-waarde is gedaald. Wat kan je uit bovenstaande waarneming besluiten? Zure hosties zetten protonen vrij in water. De protonen reageren met de hydroxide-ionen van de basische oplossing: H1+ + OH1- ⇄ H2O Hosties zijn gekleurd. Kan de kleur van de hostie zorgen voor de kleuromslag? Onafhankelijk van de kleur van de hostie gebeurt er steeds een ontkleuring.

e. Bronnen Proksa, M., The sodium rainbow, Journal of chemical education, 1997, 74 (8), p. 942. Anoniem, Kleuren van de indicatoren. internet, 28-02-06, (http://www.thuisexperimenteren.nl/infopages/indicatoren.htm) Anoniem, pH mesurements with indicators internet, 2005, (http://www.ph-meter.info/pH-measurements-indicators) Wikipedia,pH indicator, internet, 3 october 2003 (http://en.wikipedia.org/wiki/PH_indicator)

Auteur:Sil Wellens Mede getest door: M-J Smits


26

9. Bietenrood Plaats in de leerplannen - Wetenschappelijke kennis verbinden met dagelijkse waarnemingen en concrete toepassingen - Mengsels en zuivere stoffen onderscheiden - Soorten mengsels en scheidingstechnieken: extractie - De oplosbaarheid van anorganische en organische stoffen in water en in andere solventen voorspellen steunend op interacties tussen polaire en/of apolaire stoffen.

a. Oriënteren Achtergrondinformatie Lees volgende informatie: De kleur van rode biet is niet afkomstig van carotenoïden zoals bij tomaten of anthocyanen zoals bij rode kool maar van betalaïnen. Betalaïnen worden in twee groepen ingedeeld; betacyanines met rode kleur en betaxanthinen met gele kleur. In de rode biet is dat respectievelijk de kleurstof betanine (rood-paars) en de vulgaxanthinen (geel).

De levensmiddelenkleurstof E162 of bietenrood betanine is een waterig extract van de betalaïnen. Dit extract is stabiel tussen pH 3,5 en 7 en is dus geschikt voor kleuring van de meeste levensmiddelen. De stabiliteit vermindert in licht, in zuurstofrijke omgeving en bij verhitten. De poedervorm is stabieler en wordt gebruik in dranken. Omdat de kleur door suikers gestabiliseerd wordt, wordt het poeder gebruikt om snoepjes en fruitvullingen te kleuren.

Onderzoeksvraag Komt het bietenrood ook voor in de bladeren van rode biet en kan je het scheiden van het bladgroen?

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel – hypothese – Voorstel werkwijze We observeren de kleuren van de bladeren van rode biet. Om een extractie uit te voeren, moeten we eerst de bladeren verkleinen. Uit voorgaande tekst weten we dat de betalaïnes een waterig extract kunnen vormen. We zullen dus twee verschillende oplosmiddelen moeten gebruiken: eerst een oplosmiddel om de kleurstoffen te extraheren(zowel polaire als apolaire); nadien een oplosmiddel om het bietenrood te scheiden van het bladgroen. Benodigdheden - water, aceton, petroleumether - grote en kleine beker, schaar, proefbuis en proefbuishouder, trechter, knijppipetje, waterkoker Verbinding aceton petroleumether

Gevaarsymbool F, Xi F, Xn, N

R-zinnen 11-36-66-67 11-38-48/2051/53-62-6567

S-zinnen 9-16-26 16-33-36/37-61-62


WGK 1 1

27

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze - Versnipper de bladeren van de rode biet zo fijn mogelijk in een bekertje. - Voeg aceton bij de versnipperde blaadjes. - Zet het bekertje even in een warmwaterbad en prak de blaadjes goed fijn in de aceton. - Giet de vloeistof van uit het bekertje in een proefbuis. - Giet 2 ml petroleumether bij het mengsel. - Schud en laat het mengsel even rusten. Waarneming - In de bladeren van de rode biet zie je rode nerven. - Kleurstoffen lossen op in de aceton; de oplossing is groen-bruin. - Na toevoegen van petroleumether worden er twee lagen gevormd: een onderste rode laag en een bovenste groene laag.

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie In bladeren van rode biet zitten rode en groene kleurstoffen. De rode kleurstoffen zijn oplosbaar in polair solvent, het bladgroen is oplosbaar in apolair solvent. Verklaring Aceton is een universeel oplosmiddel met een polaire carbonylgroep en twee korte apolaire staartjes. Algemene regel bij oplossen:”soort zoekt soort.” De rode kleurstoffen zijn oplosbaar in aceton en niet in petroleumether dus bietenrood is eerder polair. De groene kleurstoffen zijn oplosbaar in aceton en in petroleumether dus het bladgroen is eerder apolair.


28

e. Tips voor verder onderzoek Je kan onderzoek verrichten op andere planten met rood getinte bladeren zoals “vlijtig liesje” met bladeren die rood zijn aan de onderkant, begonia met rode bladeren of rode beuk. De rode kleurstof is dan geen bietenrood.

f. Bronnen - Wikibooks, Magische wetenschappen: Bladgroen, internet , 18 jan 2009, (http://nl.wikibooks.org/wiki/Magische_wetenschap/Bladgroen ,vrijgegeven onder de GNU Free Documentation License (GFDL) Wikipedia,Betalaïne,internet, 30 mei 2010, (http://nl.wikipedia.org/wiki/Betala%C3%AFne) onder de licentie Creative Commons Naamsvermelding/Gelijk delen) - Anoniem, Kleurstoffen in voedingsmiddelen, internet, (9 mei 2010), (http://www.chemischefeitelijkheden.nl/Uploads/Magazines/h084-Kleurstoffen-invoedingsmiddelen.pdf) - Wageningen University, E 162 Bietenrood, internet, 31 maart 2010,( http://www.foodinfo.net/nl/e/e162.htm) met als bronnen: - Lauro, G.J. and Francis, F. J. (Eds) Natural Food colours, Science and technology. IFT Basic Symposium Series 14, Marcel Dekker, 2000. - Delgado-Vargas, F. and Paredes-López, O. (Eds): Natural colorants for food and nutraceutical uses. CRC Press, 2003. - Anoniem, Omschrijving additief E-162 Bietenrood. Groep: kleurstoffen Internet,(2 april 2010) (http://www.devlamindepan.nl/e-nummers/e100-199.htm)

Auteur: M-J Smits


29

10. Beilsteintest en vlamproeven: onderzoek Plaats in de leerplannen Vlamproeven in het kader van het atoommodel Identificatie van zouten Identificatie van PVC Onderzoekscompetentie Aanleiding voor het onderzoek De beilsteintest is een testreactie op de aanwezigheid van halogenen (meestal chloor) in organische verbindingen zoals PVC. De te onderzoeken stof wordt op een koperen draad aangebracht en wordt in de warme vlam van een bunsenbrander gehouden. Een groene vlam bevestigt de aanwezigheid van een halogeen. (zie: http://www.answers.com/topic/beilstein-s-test#ixzz1Brr3l1VW) Volgens http://ull.chemistry.uakron.edu/organic_lab/beil/ beilsteintest voor: chloorverbindingen: groen broomverbindingen: blauwgroen joodverbindingen: blauw

is

de

vlamkleur

bij

de

Achtergrondinformatie Hoe is de groene vlamkleur voor de beilsteintest op organische chloorverbindingen te verklaren? Reactievergelijkingen: 2 Cu + O2

2 CuO

→

CuO + 2 R-Cl

→

CuCl2 + R2O

Het CuCl2 veroorzaakt de typische groene kleur van de vlam. Probleemstelling De eerste bron meldt geen kleurverschil voor de verschillende halogenen, de tweede wel. De vraag rijst: “Kunnen we organische chloriden, bromiden en jodiden onderscheiden door de beilsteintest?” Omdat we niet beschikken over een collectie organische halogeniden wordt dit onderzocht voor anorganische halogeniden.

a. Oriënteren Onderzoeksvragen Beïnvloedt enkel de aard van het metaalion de vlamkleur? Hypothese 1: Als het metaalion bepalend is dan verwachten we voor de vlamproef van KCl, CaCl2 en CuCl2 met een koperdraad telkens een verschillende kleur en voor KCl, KBr en KI met een koperdraad telkens eenzelfde vlamkleur. Beïnvloedt enkel de aard van het niet-metaalion de vlamkleur? Hypothese 2: Als het nietmetaalion bepalend is dan verwachten we voor de vlamproef van KCl, KBr en KI met een koperdraad telkens een verschillende vlamkleur en voor KCl, CaCl2 en CuCl2 met een koperdraad telkens een groene vlamkleur.

b. Voorbereiden Onderzoeksvoorstel – hypothese – Voorstel werkwijze De vlamproeven uittesten met verschillende anorganische zouten met hetzelfde kation of hetzelfde anion en met verschillende metaaldraden. Benodigdheden koperdraad en ijzeren spijkers aan een kurk bevestigd glazen petrischaaltjes bunsenbrander, lucifers HNO3 (aq) Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

30

CaCl2(v), CuCl2(v), CuBr2(v), KCl(v),KBr(v),,KI(v),

c. Uitvoeren Gegevens verzamelen - waarneming Werkwijze De metalen draden wordt schoongemaakt door onderdompeling in HNO3 (onder de trekkast) en goed naspoelen met gedestilleerd water. Van elk zout wordt een hoeveelheid in een petrischaal gebracht en met een weinig water tot een pasta omgeroerd, waarvan een kleine hoeveelheid op een metalen draad wordt aangebracht die in de vlam wordt gehouden. Waarnemingen Zout CaCl2 CuCl2 KCl KBr KI

met koperdraad met koperdraad met koperdraad met koperdraad met koperdraad

Kleur van de vlam dieprood overgaand naar groen felgroen roosviolet lichtviolette kern met brede oranjegele rand blauwviolet

d. Rapporteren – reflecteren Gegevens verwerken – conclusie en verklaring Conclusie De vlamkleur wordt niet alleen veroorzaakt door de metaalionen maar ook door de combinatie met niet-metaalionen. Voor CaCl2 merken we met een koperdraad eerst een rode vlam en nadien een groene. Dit doet vermoeden dat de koperdraad beïnvloedt. Nieuwe hypothese Wordt de vlamkleur ook bepaald door de aard van de metaaldraad? Voor de Beilsteintest wordt per definitie een koperdraad gebruikt. Indien de aard van de metaaldraad beïnvloedt dan verwachten we voor CaCl2 met een koperdraad een andere vlamkleur met een ijzerdraad. Nieuw onderzoek We voeren de vlamproef uit met een koperdraad en met een ijzeren spijker. Waarnemingen Zout CaCl2 met koperdraad met ijzeren spijker CuCl2 met koperdraad met ijzeren spijker CuBr2 met koperdraad

Kleur van de vlam dieprood overgaand naar groen dieprood felgroen felgroen blauwgroen

Eindconclusie De vlamkleur wordt niet alleen veroorzaakt door de metaalionen maar ook door de combinatie met niet-metaalionen en de aard van de metaaldraad. Verder onderzoek Ook andere halogeniden en metaaldraden uittesten. Auteur: Annie Wellens Vlaams Congres Leraars Wetenschappen - KUL – SLO Natuurwetenschappen – optie Chemie Kleurrijke chemie - 19 november 2011

31

Kleurrijke chemie. Paul Degreef Marie-Josée Smits Annie Wellens - Marie-Josée Janssens

Recommend Documents