SCHEIKUNDE 4 VWO GYMNASIUM VOORBEELD TOA-HANDLEIDING

Transcriptie

1 SCEIKUNDE 4 VW GYMNASIUM VRBEELD TA-ANDLEIDING De volledige TA-handleiding staat in het Nova Scheikunde epack havo/vwo/gymnasium bovenbouw (docentlicentie) bij ondersteunend materiaal - handleidingen.

2 Extra aanwijzingen bij de experimenten oofdstuk 1 Microstructuren Experimenten oofdstuk 2 Brandstoffen Experimenten oofdstuk 3 Zouten Experimenten oofdstuk 4 Experimenten oofdstuk 5 Evenwichten Experimenten Integrale tekst van de experimenten uit het boek Experimenten van hoofdstuk 1 Microstructuren Experimenten van hoofdstuk 2 Brandstoffen Experimenten bij hoofdstuk 3 Zouten Experimenten bij hoofdstuk 4 Energie en chemie in beweging Experimenten bij hoofdstuk 5 Evenwichten Eerste editie Malmberg s-ertogenbosch Uitgeverij Malmberg

3 TA-handleiding Experimenten Per hoofdstuk zijn enkele experimenten opgenomen. De hoeveelheid is afhankelijk van het thema dat wordt behandeld. De experimenten zijn over het algemeen 'kookboekpractica' en de leerlingen kunnen er in principe zelfstandig doorheen gaan. Een deel van de proeven zal niet gemakkelijk door de leerlingen zelf uitgevoerd kunnen worden en deze worden aangeduid als demonstratieproeven (DEM). Demonstratieproeven zijn proeven die de docent uitvoert, terwijl de klas toekijkt. Tijdens demonstratieproeven moet de leerling de waarnemingen zelf noteren en een aantal vragen beantwoorden over de proef. iermee wordt passief kijken tegengegaan. Chemiekaarten Waar mogelijk wordt er bij elke te gebruiken stof vermeld welke chemiekaart erbij hoort. Achter stoffen waarvan geen chemiekaart aanwezig is, staan de letters gc. Uitgeverij Malmberg 4

4 Extra aanwijzingen bij de experimenten oofdstuk 1 Microstructuren Experiment 1 Doel van het experiment Nodig Voorbereiding Werkwijze Reactiviteit van metalen (DEM) Bepalen in welke volgorde van reactiviteit de metalen calcium, magnesium en koper geplaatst moeten worden vijf demonstratiebuizen koperkrullen magnesiumlint calciumkorrels demiwater 1 M zoutzuur Zorg dat alles klaar staat aan het begin van de les. Vul drie buizen voor ⅓ met demiwater en twee buizen voor ⅓ met 1 M zoutzuur. Voeg eerst de drie metalen toe aan het demiwater en dan het koper en het magnesiumlint aan het zoutzuur. Laat een leerling voelen aan de buis om de temperatuurstijging waar te nemen. De volgende reacties vinden plaats: Ca(s) (l) Ca 2+ (aq) + 2 (aq) + 2 (g) Mg(s) (aq) Mg 2+ (aq) + 2 (g) Tips De serie kan eventueel afgemaakt worden door, in de zuurkast, een schepje koperkrullen toe te voegen aan een geconcentreerde zwavelzuuroplossing en deze te verwarmen. De volgende reactie zal plaatsvinden en de ontstane koperionen kleuren de oplossing blauw. Cu(s) S 4 (l) (aq) Cu 2+ (aq) (aq) + S 2 (g) Deze proef kan ook als leerlingproef uitgevoerd worden. Magnesiumlint vooraf schuren. Verwerking 1. demiwater 1 M zoutzuur Koperkrullen Er gebeurt niets Er gebeurt niets Magnesiumlint Er gebeurt niets Er treedt een gasontwikkeling op en de Uitgeverij Malmberg 5

5 Calciumkorrels Er treedt een gasontwikkeling op, de vloeistof wordt wit troebel en de buis wordt warm buis wordt warm Deze proef hoeft niet gedaan te worden. Wel gedaan: er komt een gas vrij en de buis wordt warm 2. et metaal heeft gereageerd met water/zoutzuur waarbij metaalionen zijn ontstaan. 3. Je hebt al gezien dat calcium als enige met water reageert en dus het meest onedel is. Conclusie 4. Calcium is het meest onedel want reageert al met water. 5 Koper is het meest edel want reageert helemaal niet. Chemiekaarten: koper C-0964 ; magnesium C-0687 ; calcium C-0611 ; zoutzuur C Uitgeverij Malmberg 6

6 Experiment 2 Doel van het experiment Geleidbaarheid van materialen De leerling leert eigenschappen op macroniveau koppelen aan de kennis die hij heeft opgedaan van de microstructuren van de materialen. Benodigdheden keukenzout (NaCl) Soldeer (een legering van Pb, Sn) kaarsvet (C ) demiwater voedingskast of batterijen 2 koolstofelektrodes 3 elektriciteitssnoertjes 2 krokodillenbekjes 1 12-volts lampje metalen spateltje (of spijker) 2 bekerglaasjes spatel bunsenbrander Voorbereiding Werkwijze Lever de leerlingen bekerglaasjes aan met daarin al soldeer en kaarsvet. Deze kunnen gerecycled worden voor de volgende 4e klassen. Begrenzing van de voedingskastjes beschermt de koolstof elektrodes. et is belangrijk duidelijk tijd in te ruimen voor het invullen van de voorspellingen. Wanneer de voorspelling niet uitkomt, dwingt dat extra tot nadenken. Een korte bespreking van de resultaten heeft zeker meerwaarde. Tips Leerlingen zijn geneigd het vloeibare kaarsvet door de gootsteen te spoelen. Soldeer wordt vaak veel te lang verwarmd, omdat de leerlingen niet zien dat hij al gesmolten is. De meeste theoretische fouten worden gemaakt bij het benoemen van de deeltjes die elektriciteit geleiden. Vaak worden alleen elektronen genoemd of alleen het metaalion bij het opgeloste zout. - Leuk om te laten zien dat ook een potlood de elektrische stroom geleidt. Eventueel kunt u deze proef als demoproef uitvoeren. Uitgeverij Malmberg 7

7 pstelling met potlood opstelling met NaCl-oplossing Resultaten Stof Formule Fase van de stof keukenzout NaCl(s) Vast demiwater 2 (l) Vloeibaar Geleiding elektriciteit prognose: JA/NEE Geleiding elektriciteit waarneming : JA/NEE Nee Nee Welke deeltjes zorgen voor de stroomgeleiding? ijsklontje van demiwater 2 (l) Vast ijzer Fe(s) vast koolstof C(s) vast ja Nee Ja Vrij bewegende elektronen (valentieelektronen) Vrij bewegende elektronen kaarsvet C (s) vast Kaarsvet C (l) vloeibaar Soldeer Pb(s) + Sn(s) Vast Soldeer Pb(l) + Sn(l) vloeibaar keukenzout opgelost in demiwater vrij bewegende Na + en Cl - ionen in 2 Vloeibaar/ opgelost Nee Nee Ja Ja Ja Vrij bewegende elektronen (valentieelektronen) Vrij bewegende elektronen (valentieelektronen) Vrij bewegende ionen Verwerking 1. De vrij bewegende valentie-elektronen zorgen voor de stroomgeleiding bij een metaal. 2. Koolstof is geen metaal en geleidt toch stroom als vaste stof. 3. Evenals bij een metaal vrij bewegende elektronen. 4. Een zoutoplossing bevat vrij bewegende geladen deeltjes (ionen). Uitgeverij Malmberg 8

8 Conclusie 5. Metalen en zouten. 6. Bij metalen: vrij bewegende valentie-elektronen; bij zouten: vrij bewegende ionen. 7. Een metaal geleidt stroom in vaste en vloeibare toestand, een zout in opgelost toestand, een moleculaire stof niet. Chemiekaarten: NaCl C-0558 ; ijzer gc ; koolstof C-0992 ; kaarsvet gc ; soldeer gc. Uitgeverij Malmberg 9

9 Experiment 3 Doel van het experiment Bindingen De leerling leert hoe het verschil tussen een chemische reactie en een faseovergang er op macroniveau uitziet en hoe dat zich op microniveau laat verklaren. Benodigdheden tafelsuiker (C ) keukenzout (NaCl) magnesiumlint stearine (C ) spuitflesje demiwater spatel brander lucifers 6 reageerbuizen horlogeglas reageerbuisknijper tang Voorbereiding Werkwijze Wijs de leerlingen erop niet te lang in de vlam van het brandende magnesium te kijken. Laat leerlingen na elk deelonderzoek eerst de vragen beantwoorden zodat ze duidelijk de relatie met de theorie zien. Tips Vragen Proef Suiker oplossen in water 1. De suiker lost op in het water. oplossen 2. Nee, het blijft de stof suiker: C (s) C (aq) 3. De vanderwaalsbindingen tussen de suikermoleculen worden verbroken en ook de -bruggen tussen de suikermoleculen. Wel ontstaan nieuwe vanderwaalsbindingen en -bruggen tussen de suikermoleculen en de watermoleculen. 4. De atoombindingen in de suikermoleculen blijven intact. Proef Zout oplossen in water 5. De bindingen tussen de ionen in het zout. Wel ontstaan nieuwe bindingen tussen de ionen en de watermoleculen: hydratatie. 6. Suiker opgelost in water: Uitgeverij Malmberg 10

10 C C 2 C C C C C 2 C C C C 2 C Natriumchloride (keukenzout) opgelost in water: Na + Cl - Verhitten van kaarsvet 7. De stearine smelt en wordt een kleurloze vloeistof. 8. De vanderwaalsbindingen blijven nog bestaan alleen zal door de warmtebeweging de vanderwaalsbinding niet meer sterk genoeg zijn om de moleculen op een vaste plaats te houden. Verhitten van suiker 9. De suiker gaat ontleden (thermolyse). 10. De vanderwaalsbindingen tussen en de atoombindingen in de suikermoleculen. Verhitten van keukenzout 11. Nee, lukt niet. De ionbinding tussen de positieve en negatieve ionen is te sterk om door verhitting met een brander te verbreken. Verbranden van magnesium 12. Je ziet het stukje magnesiumlint eerst ombuigen en dan met en fel witte vlam verbranden waarbij een witte rook te zien is. Na afloop is een witte vaste stof gevormd. 13. et magnesium heeft met zuurstof uit de lucht gereageerd: verbranding. 14. Een verbranding of verbrandingsreactie. 15. De metaalbinding tussen de magnesiumatomen en de atoombinding in de zuurstofmoleculen worden verbroken. Gevormd worden de ionbindingen tussen de magnesiumionen en oxide-ionen in magnesiumoxide. Magnesiumoxide in water 16. Nee, het blijft troebel dus het zout lost niet op. 17. De ionbinding tussen de magnesium- en oxide-ionen is veel sterker dan de ionbinding tussen de natrium- en chloride-ionen. Uitgeverij Malmberg 11

11 18. De ladingen van de ionen in magnesiumoxide zijn 2+ en 2-, in natriumchloride 1+ en 1-. De aantrekking tussen 2+ en 2- ionen is veel sterker dan tussen 1+ en 1- ionen. et verklaart daarmee het verschil in oplosbaarheid. oplossen 19. plossen suiker: C (s) C (aq). + plossen natriumchloride: NaCl(s) Na (aq) + Cl (aq). Smelten kaarsvet: C (s) C (l). Verbranden magnesium: 2 Mg(s) + 2(g) 2 Mg(s). Conclusie 20. bij zouten gaan de ionen die in het rooster zitten los van elkaar en worden door watermoleculen door watermoleculen omgeven. Bij suiker gaan de suikermoleculen los van elkaar en worden door watermoleculen omgeven. et verschil is dat bij een zout positieve en negatieve ionen aanwezig zijn en bij suiker complete moleculen Bij verhitten van suiker worden de atoombindingen in de suikermoleculen verbroken en weer nieuwe gevormd. Bij verbranden van een metaal gaan de metaalatomen uit het metaalrooster elektronen afstaan en positieve ionen vormen. De zuurstofmoleculen worden afgebroken en er vormen zich losse zuurstofatomen die elektronen opnemen en negatieve ionen vormen. Chemiekaarten: suiker gc ; NaCl C-0558 ; magnesium C-0687 ; kaarsvet gc. Uitgeverij Malmberg 12

12 Experiment 4 Doel van het experiment Water, een bijzondere stof De leerling ziet welke bijzondere eigenschappen water heeft en leert ze verklaren aan de hand van het deeltjesmodel. Benodigdheden glas of bekertje vol met water punaise, zonder plastic omhulsel afwasmiddel katoenen draad bekerglas met water kam Voorbereiding Werkwijze et is aan te bevelen de proeven even te oefenen. Proef 1:Gebruik een punaise zonder plastic hoedje. ok een naald of zelfs een klein muntje kan op het water "drijven". Laat de druppel wasmiddel langs de rand in het water glijden, anders denken de leerlingen dat de punaise zinkt door de verstoring van het water. Proef 2: Met een beetje oefenen kan een heel bekerglaasje water "overgegoten" worden langs het draadje. Proef 3: Laat ook even zien dat er niets gebeurt wanneer het kammetje nog niet statisch is. Tips Wees bedacht op scepsis. et kan noodzakelijk zijn te demonstreren dat andere stoffen dan water deze eigenschappen niet bezitten. et kan daarom handig zijn wat ethanol of (lamp)olie achter de hand te hebben. Proefonderdeel 1: punaise drijft op water en zinkt als een druppel afwasmiddel wordt toegevoegd. ierdoor wordt de oppervlaktespanning van water verlaagd omdat de zeepmoleculen aan het oppervlak tussen de watermoleculen gaan zitten. Punaise drijft op water Proef 2 Als u een kleurtje aan het water geeft is het duidelijker zichtbaar dat de waterdruppel langzaam langs de draad naar beneden rolt. Proef 3 Dit is een bekende proef vanuit de natuurkunde. Uitgeverij Malmberg 13

13 Vragen Proef 1 punaise op water 1. De punaise drijft op water vanwege de zeer grote oppervlaktespanning van water: aan het oppervlak houden de watermoleculen elkaar heel stevig vast. 2. Na toevoeging van afwasmiddel zinkt de punaise omdat aan het oppervlak de zeepmoleculen tussen de watermoleculen gaan zitten waardoor de oppervlaktespanning sterk verlaagd wordt. Proef 2 3. De zwaartekracht die de watermoleculen naar beneden trekt en de aantrekkingskracht tussen de watermoleculen en de katoenmoleculen uit de draad. 4. Nee, want watermoleculen gaan geen binding aan met de metaalatomen in de metaaldraad. Proef 3 5. De waterstraal buigt af naar de gewreven kam/staaf. 6. De staaf is statisch geladen en wekt in de watermoleculen een tegenlading op waardoor ze elkaar aantrekken Uitgeverij Malmberg 14

14 Experiment 5 Doel van het experiment plosbaarheid van moleculaire stoffen(dem) De leerling leert op basis van de structuurformule van een stof voorspellen of hij mengt met water. Benodigdheden 4 demonstratiebuizen elk voor ⅓ gevuld met water 4 stoppen glycerol octaanzuur hexaan aceton Voorbereiding Werkwijze Laat, voor het starten van de demonstratie, eerst vraag 1 beantwoorden. Bespreek enkele voorspellingen. Schenk steeds een gelijk deel glycerol, hexaan, octaanzuur of aceton bij het water in de buis. Schud goed en zet de buis terug in het rek. Laat de leerlingen de situatie in de buis goed bekijken. Bespreek eventueel ook welke laag de waterlaag is en waarom. Tips et grensvlak kan beter zichtbaar gemaakt worden door wat (voedings)kleurstof aan het water toe te voegen. Dit kan ook pas gedaan worden na afloop van het experiment om te controleren of juist is voorspeld welke laag de waterlaag is. Afhankelijk van de beschikbaarheid op school kan er ook voor andere alcoholen/zuren gekozen worden of kunnen er nog andere moleculaire stoffen gebruikt worden voor deze demonstratieproef. Een alternatief voor hexaan is wasbenzine. Als u geen octaanzuur hebt kunt u als alternatief octaan-1-ol gebruiken. Bespreek voorafgaand aan het experiment de voorspellingen over de oplosbaarheid. Resultaten Stof voorspelling Lost wel op/lost niet op Glycerol Lost wel op exaan / wasbenzine Lost niet op ctaanzuur / octaan- Lost niet op 1-ol Aceton Lost wel op Vragen 1. Je verwacht dat glycerol zeker zal oplossen: verhoudingsgewijs veel -groepen per molecuul. exaan is een apolaire stof en zal dus niet oplossen. ctaanzuur/octaan-1-ol heeft een lange hydrofobe staart en zal dus slecht oplosbaar Uitgeverij Malmberg 15

15 zijn in water. Aceton kan vanwege de C= groep -bruggen ontvangen en dus oplosbaar zijn in water. 2. De voorspellingen kloppen. 3. Zie antwoord bij vraag Ja, zie antwoord bij vraag 1. Chemiekaarten: glycerol C-0347 ; hexaan C-0176 ; octaanzuur gc ; aceton C-0001 Uitgeverij Malmberg 16

16 Experiment 6 Doel van het experiment Verbranden van staalwol De leerling laat staalwol reageren met zuurstof en voert voor het eerst molberekeningen uit aan de uitkomst van een experiment. Benodigdheden stukje staalwol van ongeveer 2 gram horlogeglas brander kroezentang lucifers bovenweger (op honderdste gram nauwkeurig) Voorbereiding Werkwijze Knip alvast stukjes staalwol van ongeveer 2 gram af. Leerlingen staan anders eindeloos stukjes van precies 2,00 gram af te knippen. Wanneer er een te hete vlam gebruikt wordt, kan het staalwol wat spatten. Tips Veel leerlingen zullen de uiterlijke verandering van het staalwol niet opmerken. Laat ze vergelijken met een nieuw stukje staalwol. Werkwijze: horlogeglas breekt bij aanraken met brander! Beter: indampschaaltje! Resultaten Leeg indampschaaltje = 39,786 g Indampschaaltje + staalwol = 41,836 g Indampschaaltje + verbrand staalwol = 41,951 g Massa staalwol = 2,05 g; massa verbrand staalwol = 2,165 g. vragen 1. Je ziet dat het staalwol gaat gloeien en dat de kleur verandert van lichtgrijs naar dofgrijs Fe(s) + 3 2(g) 2 Fe2 3(s) 3. 2,05 g Fe = 2,05/55,85 = 3, mol ijzer. 4. 2,165 2,05 = 0,115 g zuurstof. 5. 0,115/32,00 = 3, mol zuurstof. 6. Zuurstof reageert met ijzer in de molverhouding 3 : 2, dus er heeft ,59 10 = 2,39 10 mol ijzer gereageerd. 7. Nee, er is een groot verschil. 8. Je had 0,0367 mol ijzer waarvan 2, mol heeft gereageerd. Dus 2, , % = 6,52%. 9. Mogelijke verklaringen: alleen de buitenkant van het ijzer in staalwol zal met zuurstof gereageerd hebben. De reactie was nog niet afgelopen. Chemiekaarten: staalwol gc Uitgeverij Malmberg 17

17 oofdstuk 2 Brandstoffen Experiment 1 Doel van het experiment Exotherm en endotherm De leerling ervaart het temperatuur effect van endotherme en exotherme reacties. Benodigdheden ammoniumchloride bariumhydroxide ethanol natriumwaterstofcarbonaat citroenzuur druppelpipetje roerspatel bekerglaasje reageerbuis horlogeglas lucifers Voorbereiding Werkwijze Tips De stoffen kunnen eventueel al in reageerbuizen uitgevuld worden om rijen bij en vervuiling van de voorraadpotten te voorkomen. Wijs de leerlingen op het inleveren van de bariumhydroxide. Wanneer kleine hoeveelheden ammoniumhydroxide en bariumhydroxide worden gebruikt is de hoeveelheid ammoniakgas dat ontstaat gering. Eventueel laat u de leerlingen direct na proef 3 het bekerglaasje wegzetten in de zuurkast. Voor proef 1 kunt u ook goedkoop citroenzuur en bicarbonaat (bakingsoda) van de (tropische) supermarkt gebruiken. Door vooraf een schepje natriumchloride door het ethanol te roeren is de vlam bij proef 2 beter zichtbaar. Proef 1 Voeg een schepje citroenzuur en een schepje natriumwaterstofcarbonaat in een reageerbuis bij elkaar en meet de temperatuur. Voeg daarna een klein beetje (enkele druppels) water toe en meet weer de temperatuur. vragen 1.Waarnemingen: begintemperatuur is 20 C; 2 Eindtemperatuur is 10 C. De buis voelt koud aan. 3. et is een endotherme reactie. 4. E E > 0 Uitgeverij Malmberg 18

18 Proef 2 5. De ethanol brandt met een vrijwel onzichtbare vlam. Dat het brandt kan aangetoond worden door een stukje papier in de vlam te houden (DEM!). 6. et is een exotherme reactie want er komt warmte vrij. 7. E E < 0 Proef 3 Voeg net als bij proef 1 een schepje bariumhydroxide en ammoniumchloride bij elkaar en meet de begintemperatuur. Voeg dan enkele druppels water toe, meng goed en meet de eindtemperatuur. 8. De begintemperatuur is 20 C, de eindtemperatuur is 9 C. et ruikt naar ammoniak en het mengsel in de reageerbuis wordt vochtig. De buis voelt koud aan. 9. et is een endotherme reactie. 10. E E > 0 pmerking: zowel de reactie bij proef 1 als bij proef 3 is een zuurbasereactie. Dit kan echter nog niet gebruikt worden omdat dit onderwerp pas in deel 5havo aan bod komt. De reacties verlopen spontaan ondanks het feit dat het endotherme reacties zijn. De gasontwikkeling is de drijvende kracht achter deze beide reacties, hierdoor neemt de totale entropie toe. Chemiekaarten: citroenzuur C-0988 ; natriumwaterstofcarbonaat C-0567 ; ethanol C ; bariumhydroxide C-0325 ; ammoniumchloride C-0840 Uitgeverij Malmberg 19

19 Experiment 2 Doel van het experiment Vlampunt (DEM) De leerling ziet het verschil in vlampunt van verschillende stoffen en koppelt die verschillen aan de molecuulmassa Benodigdheden smeerolie lampenolie wasbenzine 3 horlozeglazen lucifers bak zand om eventueel te blussen Voorbereiding Werkwijze Tips Probeer de proef een keer uit. et verschil in vlampunt kan kleiner of groter zijn dan u verwacht. Leg duidelijk uit in welk bekerglas wat zit en voer de proef dan uit. Laat de leerlingen vervolgens de vragen maken en bespreek ze. Koppel bij voorkeur het vlampunt aan het kookpunt/traject van een stof. Bespreek het verschil tussen vlampunt en ontbrandingstemperatuur. Vooral de smeerolie en lampenolie kunnen nogal gaan roken. Gebruik niet te veel en hou een blusmiddel achter de hand (geen water). Smeerolie niet aanwezig, wel wasbenzine en lampenolie. Wasbenzine brandt met een gele vlam totdat alles op is. Lampenolie brandt niet maar de lucifer blijft branden totdat de lampenolie op is. De lucifer dient hierbij als lont. Vragen 1. De ontvlambaarheid is afhankelijk van de grootte van de moleculen. Stoffen met kortere ketens hebben een minder sterke vanderwaalsbinding en zullen dus makkelijker in de dampvorm overgaan. Pas in de dampvorm gaat de stof branden. 2. Steenkool is een vaste stof die zeer moeilijk in de gasfase te brengen terwijl aardgas al een gas is. Dus aardgas ontbrandt makkelijker dan steenkool. 3. E E E E < 0 E < 0 E < 0 Wasbenzine Lampenolie Stookolie Ze verschillen in de hoeveelheid activeringsenergie. Ethanol ontbrandt vrij snel: lage activeringsenergie, stookolie ontbrandt niet: zeer hoge activeringsenergie. 4. Ervoor zorgen dat de activeringsenergie verkleind wordt bijvoorbeeld door gebruik te maken van een katalysator. Uitgeverij Malmberg 20

20 5. De lont zuigt de vloeistof op waarna door de hoge temperatuur van de vlam de vloeistof verdampt. In dampvorm brandt de vloeistof dan. 6. De grootte van het molecuul en dus hoe makkelijk de stof damp vormt want alleen de damp gaat branden. Wasbenzine (links) en lampenolie (rechts) Chemiekaarten: wasbenzine gc ; lampenolie gc De volledige TA-handleiding staat in het Nova Scheikunde epack havo/vwo/gymnasium bovenbouw (docentlicentie) bij ondersteunend materiaal - handleidingen. Uitgeverij Malmberg 21