LESBRIEF PhET simulatie Zouten en oplosbaarheid PhET simulaties Het PhET, Physics Educational Technology (Universiteit van Colorado) heeft meer dan tachtig simulaties ontwikkeld die het leren van scheikunde, natuurkunde, biologie en aardrijkskunde ondersteunen. Deze interactieve leermiddelen leggen de relatie tussen alledaagse verschijnselen en de wetenschappelijke concepten die deze verschijnselen beschrijven. De simulaties van PhET beelden het onzichtbare uit met behulp van klik- en sleepobjecten, schuiven en radioknoppen. Vaak bevatten de simulaties ook meetinstrumenten als linialen, voltmeters, tellers, thermometers en stopwatches. Het PhET wordt financieel ondersteund door verschillende internationale onderwijsfondsen, vandaar dat de simulaties vrij beschikbaar zijn. Inmiddels zijn alle simulaties in het Nederlands vertaald. U vindt alle vertaalde simulaties op http://phet.colorado.edu/simulations/translations.php. Naast elke simulatie staat een downloadknop. Voor scheikunde zijn o.a. de simulaties ph-schaal, Reactiesnelheid en evenwicht en Zouten en oplosbaarheid beschikbaar en te downloaden. U kunt de gedownloade bestanden opslaan en gebruiken. De simulaties zijn ook goed te demonstreren met het digitale schoolbord. Wij vonden de simulatie Zouten en oplosbaarheid een zinvolle aanvulling op het lesmateriaal over zouten in Curie. Om het werken met de simulatie effectiever te maken hebben we werkbladen gemaakt die u voor verschillende nivo s kunt gebruiken. Technische eisen en ondersteuning De simulaties zijn in java of flash geschreven, daarom moeten op uw computer de macromediaplayer en javaplayer geïnstalleerd zijn. Java software kan gratis gedownload worden van de website: http://www.java.com/en/index.jsp. PhET heeft uitstekende hulp voor docenten. Op de volgende plaats worden alle mogelijke problemen met het afspelen van hun simulaties besproken bij elk besturingssysteem. Er wordt ook uitgelegd wat flash- en javasimulaties zijn http://phet.colorado.edu/tech_support/index.php Simulatie Zouten en oplosbaarheid Bij deze simulatie strooien leerlingen zoutkorrels uit een bus in een vat met water, waarna te zien is wat er met de ionen uit de kristallen gebeurt. Met kranen wordt water toegevoerd en de oplossing afgevoerd. Er kan voortdurend meer zout in het water worden gedaan. Op het vat staat een maatverdeling op microschaal; de leerlingen lezen het volume in een venster nauwkeurig af. Het totale aantal ionen, het aantal ionen in oplossing en het aantal ionen in de niet opgeloste korrels worden ook in vensters aangegeven. Bij de slecht oplosbare zouten wordt het oplosbaarheidsproduct aangegeven. Voor een nieuw zelf te maken zout kan het oplosbaarheidproduct ingesteld worden. Opmerkingen bij de simulatie 1. Alle ionen, ook de samengestelde ionen, worden als een bolletje weergegeven. Watermoleculen zijn niet getekend. 2. Bij de slecht oplosbare zouten worden voor ons ongebruikelijke ionen gebruikt. De formules en lading van deze ionen staan in de werkbladen of moeten de leerlingen in BINAS opzoeken. 3. De volumes van de oplossing en de kristallen zijn extreem klein, omdat zo aantallen ionen geteld kunnen worden. 4. Bij het weergeven van kleine getallen wordt de notatie gegeven die ook op rekenmachines van de leerlingen staat. 1
Werkbladen en handleiding U treft een handleiding en vier werkbladen voor de leerling aan: Werkblad 1 Keukenzout (nivo: 4mhv, 1 lesuur) zout, zoutoplossing, ionrooster, verzadigd en onverzadigd, oplosvergelijking keukenzout Werkblad 2 Verhoudingsformules en oplosvergelijkingen (nivo 4mhv, 1 lesuur) zout, kristal, verhoudingsformules, zoutoplossing, oplosvergelijkingen, naamgeving zouten Werkblad 3 Slecht oplosbare zouten (nivo 4hv, 1 lesuur) goed, matig en slecht oplosbaar, oplosbaarheidsevenwicht, concentratie Werkblad 4 Oplosbaarheidsproduct (nivo 5-6v, rekenen aan evenwichten 1 lesuur) oplosbaarheid, evenwichtsvergelijking, berekenen concentraties en oplosbaarheidsproduct Veel succes met de simulatie! Maria Cornelisse, docent natuur-, scheikunde en NLT, Griftland College, Soest Henk van Lubeck, auteur/redacteur Nu voor Straks, ThiemeMeulenhoff 2
Handleiding simulatie Zouten en oplosbaarheid Voor de simulatie moet je het bestand soluble-salts_nl downloaden en openen. 1. Het bestand soluble-salts_nl staat op de website van Curie bij het hoofdstuk zouten 4H en 4V. 2. Download het bestand en sla het in een map op. 3. Open de map waarin het bestand staat en dubbelklik op het bestand. De simulatie start. De simulatie bevat drie tabbladen. De simulatie geeft na opstarten het eerste tabblad Keukenzout weer. Door op een ander tabblad te klikken, krijg je Slecht oplosbare zouten en Ontwerp een zout. Je voegt zout toe door te schudden met de bus. In de afbeelding staan de knoppen die je bij elk tabblad gebruikt. 1 + 2 Schuiven voor de toevoer van water en afvoer van oplossing. 3 Knop om simulatie stil te zetten. 4 Knop om stilstaande simulatie beeld voor beeld af te spelen. 5 In dit venster lees je het volume af. 6 Aflezen van het aantal ionen in oplossing, het aantal gebonden ionen in kristallen en het totaal aantal ionen. 7 Resetknop om alles te wissen. 8 In het menu opties kun je instellen dat per keer één korrel uit de bus valt. Bij de andere tabbladen kies je in een menu (boven 6) een zout of de ionen van een zout. Bij het tabblad Ontwerp een zout stel je de oplosbaarheidsproduct van het zout (K sp = K s ) in. Let op: - In de simulaties worden alle ionen, ook de samengestelde ionen, als bolletjes weergegeven. Voor de overzichtelijkheid zijn de watermoleculen niet apart getekend. - De kristallen en hoeveelheden oplossing zijn onvoorstelbaar klein weergegeven. Je kijkt als het ware met een supermicroscoop. Dit is gedaan om de aantallen ionen te kunnen tekenen en tellen. - Zeer kleine getallen worden in een verkorte notatie weergegeven: 6 x 10-23 wordt 6E-23. 3
Werkblad 1 Keukenzout (4mhv) Lees de handleiding. Open de simulatie Zouten en oplosbaarheid, tabblad Keukenzout. Oefen met de simulatie tot je het volgende beheerst: stilzetten, beeld voor beeld afspelen, wissen en starten, kranen bedienen, aantallen ionen en volume aflezen. Strooi een zoutkristalletje in het water en let op wat daarmee gebeurt. Voeg steeds een kristalletje zout toe en wacht tot het korreltje is opgelost. Herhaal dat totdat het kristalletje op de bodem blijft liggen. Voer de opdrachten uit en beantwoord de opgaven. A Oplossen van keukenzout Opgave 1 Beschrijf een kristalletje keukenzout. Gebruik daarbij de termen: positief ion, negatief ion, natriumion, chloride-ion en verhouding. Opgave 2 Geef de formule van keukenzout. Opgave 3 Beschrijf wat je ziet als een zoutkristalletje oplost. Opgave 4 De vergelijking voor het oplossen van keukenzout is: NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) Leg uit dat dit klopt met wat je in opgave 3 beschreven hebt. B Ionen in oplossing Wis en start de simulatie opnieuw. Laat één kristalletje in het water vallen. Volg gedurende een minuut één ion. Opgave 5 Teken de baan na van een ion in de oplossing. Opgave 6 Leg met behulp van de beweging van de watermoleculen uit hoe je je een vloeistof als water voorstelt. Hoewel watermoleculen in grootte vergelijkbaar zijn met de ionen in keukenzout, zijn de watermoleculen voor de duidelijkheid niet getekend. Opgave 7 Verklaar de baan van de ionen in oplossing. Gebruik hierbij het antwoord op opgave 6. C Verzadigd en onverzadigd Wis en start de simulatie opnieuw. Strooi enkele korrels keukenzout in de vloeistof en wacht tot de korrels zijn opgelost. Maak een tabel van twee kolommen, zet in de eerste kolom het aantal kristallen en in de tweede het aantal ionen in oplossing. Opgave 8 Hoe zie je dat de zoutoplossing na vier kristallen oplossen nog steeds onverzadigd is? 4
Strooi nog meer zoutkristalletjes één voor één in de oplossing. Als ze zijn opgelost, let dan op het aantal ionen in de oplossing. Ga door met strooien totdat er geen zout meer oplost. Noteer elke keer het aantal ionen in de oplossing. Opgave 9 a. Na hoeveel korrels is de oplossing verzadigd? b. Hoe kun je zien dat de oplossing verzadigd is? c. Hoe zie je aan jouw tabel dat de oplossing verzadigd is? Opgave 10 Geef het verschil aan tussen een verzadigde en een onverzadigde oplossing. D Verzadigd (Extra opdrachten hv) Opgave 11 Welke relatie verwacht je tussen het volume van de vloeistof en het aantal opgeloste ionen in de vloeistof? Licht kort je antwoord toe. Wis en start de simulatie opnieuw. Begin met 5,0 x 10-23 L. Strooi zoutkristallen in het water tot de oplossing verzadigd is. Noteer het aantal positieve en negatieve ionen in de verzadigde oplossing. Herhaal de handelingen voor 3,0 x 10-23 L en 1,0 x 10-23 L. Maak een tabel van vier kolommen en vijf rijen. In de eerste kolom zet je het volume, in de tweede het aantal positieve ionen in de oplossing, in de derde het aantal negatieve ionen in de oplossing en in de vierde het totaal aantal ionen in de oplossing. Maak een diagram waarin je het totaal aantal ionen in de oplossing uitzet tegen de hoeveelheid water waarin het zout is opgelost. Opgave 12 Klopte je voorspelling in opgave 11? Zo niet, leg uit wat er fout was aan je veronderstelling. Opgave 13 Lees in je diagram af hoeveel ionen er in een verzadigde oplossing van 4,0 x 10-23 L zitten. Controleer je antwoord met behulp van de simulatie. 5
Werkblad 2 Verhoudingsformules en oplosvergelijkingen (4 mhv) Voer de opdrachten uit en beantwoord de opgaven. Lees de handleiding. Open de simulatie Zouten en oplosbaarheid, tabblad Ontwerp een zout. Oefen met de simulatie tot je het volgende beheerst: stilzetten, beeld voor beeld afspelen, wissen en starten, kranen bedienen, aantallen ionen en volume aflezen. Klik in het menu opties op Eén kristal. In deze simulatie ontwerp je je eigen zout door de lading van het positieve en het negatieve ion te kiezen. Je kunt zo zouten maken van ionen met lading 1+, 2+, 3+, 1-, 2- en 3-. De notatie voor deze ionen is respectievelijk A +, B 2+, C 3+, O -, P 2- en Q 3- Je kunt met deze ionen negen zouten maken. Je gaat de kristallen en het oplossen van de zouten bestuderen. Kies in het menu rechtsboven in het scherm voor 1+ en 1-. In de bus zitten nu kristallen van het zout met deze ionen. De positieve ionen zijn grijs en de negatieve ionen wit. Schud een kristal uit de bus en zet de simulatie stil voor het kristal in het water valt. Tel hoeveel positieve en negatieve ionen er in het kristal zitten. Schrijf de aantallen ionen in kolom 3 en kolom 4 van de tabel. Schrijf in kolom 5 de verhouding van het aantal positieve ionen ten opzichte van de negatieve ionen. Laat het kristal in het water vallen. Bekijk zo nog twee korrels van het zout en controleer of de verhouding van de ionen in alle kristallen gelijk is. Laat de korrels steeds in het water vallen. Wat is de verhouding tussen het aantal positieve ionen en het aantal negatieve ionen in oplossing? Noteer deze in kolom 7 en vul kolom 6 in. Herhaal deze opdrachten voor de andere acht zouten. 1. Algemene formule positief ion 2. Algemene formule negatief ion 3. Aantal positieve ionen in eerste kristal 4. Aantal Negatieve ionen in eerste kristal 5. Verhouding aantal pos. ionen tot aantal neg. ionen in kristal 6. Algemene verhoudingsformule 7. Verhouding aantal pos. ionen tot aantal neg. ionen in oplossing A + O - : ( ) ( ) : A + P 2- : ( ) ( ) : A + Q 3- : ( ) ( ) : B 2+ O - : ( ) ( ) : B 2+ P 2- : ( ) ( ) : B 2+ Q 3- : ( ) ( ) : C 3+ O - : ( ) ( ) : C 3+ P 2- : ( ) ( ) : C 3+ Q 3- : ( ) ( ) : Opgave 1 Wat valt je op als je de verhouding van de aantallen ionen in het kristal vergelijkt met de verhouding van de aantallen ionen in de oplossing? Geef hiervoor een verklaring. Opgave 2 Geef de oplosvergelijking voor alle negen zouten. Geef daarbij ook de toestand van de deeltjes. Opgave 3 Geef van elke algemene formule uit kolom 6 de verhoudingsformule en naam van twee bestaande zouten. Gebruik in je formules zoveel mogelijk verschillende ionen uit de oplosbaarheidstabel in BINAS. Let op eventuele Romeinse cijfers in de namen van de zouten. Achter de naam van het metaal is een Romeins cijfer nodig als in de tabel met gegevens van de elementen meer dan één lading voor een metaalion gegeven wordt (laatste kolom). 6
Werkblad 3 Slecht oplosbare zouten (4hv) Zouten noem je goed oplosbaar als er per liter meer dan 10 g van dat zout oplost. Zouten noem je matig oplosbaar als per liter minder dan 10 g en meer dan 1 g van dat zout oplost. Zouten noem je slecht oplosbaar als er per liter minder dan 1 g van dat zout oplost. In deze simulatie experimenteer je met kristallen van slecht oplosbare zouten in water. Opgave 1 Welke van de volgende beweringen is waar? I Slecht oplosbaar is een synoniem voor onoplosbaar. II Als korrels van een slecht oplosbaar zout in aanraking zijn met water, gaan er geen ionen in oplossing. III Als je een slecht oplosbaar zout in water doet, kun je niet waarnemen dat er een zeer kleine hoeveelheid van het zout oplost. Opgave 2 a. In welke BINAS tabel staat welke zouten slecht oplosbaar zijn? b. Hoe staat in deze tabel aangegeven dat een zout slecht oplosbaar is? A Zoutformules en oplosvergelijkingen Lees de handleiding van de simulatie Zouten en oplosbaarheid. Open de simulatie en klik op tabblad Slecht oplosbare zouten. Klik linksboven op menu Opties en vink Eén kristal per keer aan. Schud een kristal kwik(ii)bromide uit de bus en zet de simulatie stil voordat het korreltje in het water valt. Bekijk het kristalletje en let daarbij op het aantal positieve en negatieve ionen in het kristalletje. Opgave 3 a. Lees af hoeveel gebonden positieve en negatieve ionen er in het kristalletje zitten. b. Geef de verhouding tussen de aantallen positieve en negatieve ionen. c. Wat betekent het Romeinse cijfer in de naam van het zout? d. Hoe groot is de lading van het negatieve ion? e. Geef de formule van beide ionen. Opgave 4 Beschrijf een kristalletje kwik(ii)bromide. Gebruik daarbij de termen: positief ion, negatief ion, kwik(ii)ion, bromide-ion, verhouding. Opgave 5 Teken een kristalletje na en let daarbij op de verhouding tussen de aantallen positieve en negatieve ionen. Opgave 6 Geef de verhoudingsformule van het zout. Laat het kristalletje in het water vallen en let op wat er met de ionen gebeurt. Laat nog enkele kristallen in het water vallen, let op de aantallen ionen in de oplossing. Opgave 7 Beschrijf wat je ziet als een zoutkristalletje oplost. Opgave 8 Geef de verhouding van de positieve en negatieve ionen in de oplossing. Opgave 9 Geef de formule van beide ionen in oplossing. Opgave 10 Geef de reactievergelijking voor het oplossen van kwik(ii)bromide. 7
Opgave 11 Herhaal de opgaven 3 tot 10 voor de volgende zouten uit het menu: - zilverbromide - thallium(i)sulfide - koper(i)jodide Gebruik BINAS voor het symbool van thallium en de ladingen van de ionen. Opgave 12 Neem de tabel over en vul deze in. Naam zout kwik(ii)bromide zilverbromide thallium(i)sulfide koper(i)jodide Formule positieve ion Formule negatieve ion Verhouding tussen aantallen ionen in het vaste zout Verhouding tussen aantallen ionen in oplossing Verhoudingsformule zout Opgave 13 Zoek in BINAS (tabel met gegevens van de elementen) de ladingen op van alle mogelijke ionen van kwik, zilver, thallium en koper. Neem de tabel over en vul in: Element kwik zilver thallium koper Ionlading(en) van het element Opgave 14 Waarom staat in de naam van het zout achter kwik, thallium en koper wel een Romeins cijfer en achter zilver niet? B Ionen in een verzadigde zoutoplossing Wis de simulatie. Schud zoveel kristallen strontiumfosfaat in het water tot je een verzadigde oplossing hebt met enkele onopgeloste kristallen. Noteer het totaal aantal ionen dat in de kristallen gebonden is. Noteer het totaal aantal ionen in oplossing. Let op wat er gebeurt met de kristallen. Volg vooral de ionen aan de buitenkant van het kristal. Wis de simulatie en maak een verzadigde oplossing van een ander zout. Let ook hier op het aantal ionen in de oplossing en het gedrag van de ionen in de kristallen. Opgave 15 Beschrijf wat je ziet gebeuren bij het kristal. Opgave 16 Welke van de volgende beweringen is waar? Licht steeds je antwoord toe. I In een verzadigde oplossing is het aantal ionen in de oplossing (zo goed als) constant. II In een verzadigde oplossing zijn steeds dezelfde ionen in oplossing. III In een verzadigde oplossing gaan voortdurend ionen van de kristallen in oplossing gaan en slaan ionen op de zoutkristallen neer. 8
Werkblad 4 Oplosbaarheidsproduct (5-6v) Gebruik indien nodig de handleiding van de simulatie Zouten en oplosbaarheid. Open de simulatie en klik op tabblad Slecht oplosbare zouten. De oplosbaarheid is een eigenschap van zouten. Het wordt gedefinieerd als het aantal gram zout dat oplost per liter water. Je kunt ook op andere manieren naar de oplosbaarheid kijken. Bijvoorbeeld naar het aantal mol zout per liter in een verzadigde oplossing (mol/l), of naar het oplosbaarheidsproduct. A Oplosbaarheid en oplosbaarheidsproduct Maak van elk zout (behalve van strontiumfosfaat) een verzadigde oplossing: doe zoveel kristallen in water dat er kristallen onopgelost op de bodem blijven liggen. Noteer bij elk zout het aantal positieve en negatieve ionen in de verzadigde oplossing. Opgave 1 Leg uit dat bij verzadigde oplossingen met kristallen sprake is van evenwicht. Opgave 2 Geef voor elk van de vijf zouten de reactievergelijking van het evenwicht. Opgave 3 Neem de tabel over en vul de eerste drie kolommen in. Rangschik de zouten naar toenemend aantal ionen. Zet dus boven het zout met het kleinste aantal ionen in de oplossing. Naam zout Aantal positieve ionen in 1,0. 10-16 L verzadigde oplossing Aantal negatieve ionen in 1,0. 10-16 L verzadigde oplossing Aantal mol positieve ionen in 1,0. 10-16 L verzadigde oplossing Aantal mol negatieve ionen in 1,0. 10-16 L verzadigde oplossing De omrekening van aantal ionen naar concentraties gaat in twee stappen. Eerst wordt het aantal ionen omgezet in het aantal mol. Je hebt hierbij de constante van Avogadro nodig. Vervolgens moet je het aantal mol ionen in 1,0. 10-16 L omrekenen naar het aantal mol ionen in een liter. Opgave 4 Bereken voor elk zout het aantal mol van beide ionen in de oplossing. Zet deze aantallen in de kolommen 4 en 5. Opgave 5 a. Geef voor elk zout de formule van het oplosbaarheidsproduct. b. Neem de volgende tabel over. Zet in de eerste kolom de zouten van de vorige tabel in dezelfde volgorde. c. Bereken voor elk zout de concentratie van het positieve, van het negatieve ion en het oplosbaarheidsproduct. Zet je waarden in de tabel. Naam zout Concentratie positieve ionen (mol/l) Concentratie negatieve ionen (mol/l) Oplosbaarheidsproduct (K s ) 9
Opgave 6 Twee zouten hebben een even grote oplosbaarheid in mol/l. Leg uit of deze twee zouten ook een even grote oplosbaarheid in g/l hebben. Opgave 7 Twee zouten hebben een even grote oplosbaarheid in mol/l. Leg uit of deze zouten ook een even groot oplosbaarheidsproduct hebben. 10