HOE ZIT DAT?! - Technopolis, het Vlaamse doe-centrum voor … · 2019. 10. 16. · 3 Dit educatief...

Educatief pakket

HOE ZIT DAT?!

Zes eenvoudige experimenten die Technopolis naar je klas brengen!

ColofonDit educatief pakket werd gerealiseerd door Technopolis®, het Vlaamse doe-centrum voor wetenschap en technologie in Mechelen.

Technopolis® brengt in opdracht van de Vlaamse regering wetenschap en technologie dichter bij de mens.

Wees altijd voorzichtig! Technopolis® kan niet verantwoordelijk gesteld worden voor gebeurlijke schade of ongevallen tijdens het uitvoeren van de experimenten. Minderjarigen dienen de experimenten steeds uit te voeren onder toezicht van een volwassene.

Check ook www.experimenteer.be en ontdek verrassende experimenten om zelf in de klas te doen.

Voor meer informatie over het volledige aanbod: www.technopolis.be.

Het Technopolis®-team

Technopolis® - 2011 Alle rechten voorbehouden. Het educatief pakket mag enkel gebruikt worden voor educatieve doeleinden en mits correcte bronvermelding (© Technopolis®). Het pakket mag onder geen beding gebruikt worden voor commerciële doeleinden.

3

Dit educatief pakket is een aanvulling bij de interactieve quiz “Hoe zit dat?!” (voor leerlingen van de 3de graad van het secundair onderwijs) die bovenop uw bezoek aan Technopolis® wordt aangeboden. Het educatief pakket helpt u uw bezoek aan Technopolis® en de wetenschapsquiz voor te bereiden. Het kan ook dienen om na uw bezoek in de klas verder in te gaan op wat de leerlingen tijdens hun bezoek hebben ervaren.

In de wetenschapsquiz “Hoe zit dat?!” moeten de leerlingen de afloop van ieder ex-periment trachten te voorspellen. Dat stimuleert wetenschappelijk denken: observeer, analyseer, beredeneer, voorspel, controleer.

In het educatief pakket staat een omschrijving van het experiment zoals het door de edutainer werd uitgevoerd, aangevuld met een wetenschappelijke verklaring. Bij ieder uitgevoerd experiment wordt een gelijkaardig of aanvullend proefje voorgesteld dat u samen met de leerlingen in de klas met eenvoudige materialen kunt uitvoeren. Alle experimenten hebben ook een link naar een opstelling in Technopolis® waarnaar u de leerlingen kunt verwijzen tijdens hun bezoek. Voor de leerkracht is er ook achtergrond-informatie toegevoegd.

In elk hoofdstuk wordt aangeduid welke specifieke eindtermen behaald worden bij het behandelen van de betreffende wetenschappelijke thema’s. Achteraan het pakket vindt u nog enkele meer algemene eindtermen terug, die de scholenshow en het edu-catief pakket kunnen helpen realiseren.

We wensen u veel plezier met dit educatief pakket!

VOORWOORD

4

Colofon ..........................................................................................................................................2

Voorwoord .....................................................................................................................................3

Inhoud............................................................................................................................................4

1. Met een snuifje zout ................................................................................................................5

2. Tennisbal en volleybal ............................................................................................................8

3. Zingende wijnglazen .............................................................................................................11

4. In vuur en vlam ......................................................................................................................14

5. H₂O₂ wordt H₂O ......................................................................................................................17

6. Brandbaar gas .......................................................................................................................19

Eindtermen ..................................................................................................................................22

Technopolis® ................................................................................................................................23

5

1.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:UITEENGERAFELD LICHTWat gebeurt er als je licht in al zijn kleuren splitst? Dan kom je te weten waarvan sterren zijn gemaakt. Kom het maar uitproberen.

MET EEN SNUIFJE ZOUT

1.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: GEKLEURDE VLAMMEN

WAT IS DE WETENSCHAPPELIJKE VERKLARING?Keukenzout of NaCl bestaat in opgeloste vorm uit Na -ionen en Cl -ionen. Het zijn de natriumionen die voor de speciale kleur zorgen. Wanneer metaalionen (zoals Na ) verhit worden, springen de elektronen naar een hogere baan. Als zo’n geëxciteerd elektron nu terugvalt naar zijn oorspronkelijke baan, dan zendt het licht uit van een bepaalde golflengte. Enkel wanneer die golflengte binnen het voor ons zichtbare spec-trum valt, kunnen we een gekleurde vlam waarnemen. De oranjegele kleur die je in dit experiment te zien krijgt, herken je misschien van de gasontladingslampen die langs onze snelwegen staan.

Vuurwerk dankt zijn mooie kleurtjes aan de verschillende metaalzouten die door verhitting bepaalde vlamkleuren veroorzaken. Zo krijg je een groene kleur bij boraten, kleurt een vlam met koper blauwgroen, levert strontiumchloride een rode kleur op en geeft kalium een paarse vlam.

Als je de precieze golflengte kent, waarbij elk element licht uitstuurt, kan deze me- thode ter identificatie van elementen gebruikt worden. Je hebt dan wel een apparaat nodig dat de golflengtes tot op de nanometer nauwkeurig kan bepalen. Allerlei spec-troscopische methoden zijn op deze wetenschap gebaseerd.

De edutainer doet wat ethanol op een schaaltje en steekt de vloeistof in brand. Bij de verbranding van pure ethanol verschijnt een blauwe vlam, een typische eigenschap van ethanol.

In een tweede schaaltje zit ook ethanol. Maar er is een beetje keukenzout (NaCl) toegevoegd aan de ethanol. Wanneer de edutainer de oplossing in brand steekt, zie je een oranjegele vlam verschijnen.

Links en rechts van de lamp zie je een regenboog van kleuren – of slechts enkele kleuren van de regenboog, met daartussen zwart.

Voor de lampen zit een strook speciale folie, die licht uiteenrafelt tot een regenboog van kleuren. Een kleurenspectrum heet dat, onder wetenschappers. In het midden van het scherm is de folie weggelaten, zodat je het licht van de lampen ook in onvervormde toestand kunt zien. Elke stof heeft haar eigen typische kleurenspec-trum. Astronomen bepalen het spectrum van sterren, om te zien welke chemische samenstelling ze hebben. Bovendien kunnen ze uit het spectrum afleiden wat de leeftijd, temperatuur en de massa van een ster zijn. Zo zijn ze te weten gekomen dat de Zon zo’n 4,6 miljard jaar oud is, een oppervlaktetemperatuur heeft van ongeveer 5 500°C en wel 333 000 keer meer weegt dan de Aarde.

• Gloeilamp • Kwikdamplamp (Hg) • Neonlamp (Ne) • Heliumlamp (He)

Duw op een knop naar keuze:

6

1.3 DOE HET ZELF… MAAR DAN ANDERS:

• Een koperdraad bevestigd aan een kurken stop• Een bunsenbrander• Een lucifer• Een stukje PVC• Twee stukjes plastic van een andere soort (bijvoorbeeld polyetheen, polystyreen, polypropeen)

Opgelet: Voer dit experiment uit onder een zuurkast!

Verhit een stukje koperdraad in de vlam van een bunsenbrander. Hou de koperdraad vast met een kurken stop. Zie je een groene vlam? Hou de koperdraad dan in de vlam tot de kleur verdwenen is. Neem een van de stukjes plastic en hou de hete koperdraad er even tegenaan. Het plastic smelt en blijft aan de koperdraad hangen. Hou de koperdraad opnieuw in de vlam en bekijk de kleur van de vlam. Hou de koperdraad in de vlam totdat alle kleur verdwenen is. Neem nu een volgend stukje plastic en doe hetzelfde.

DE BEILSTEINTEST

AAN DE

Enkel bij PVC kleurt de vlam groen. PVC of polyvinylchloride is een polymeer van chlooretheen en bevat dus chloor. Door de koperen draad op te warmen, ontstaat er een dun laagje koperoxide aan de oppervlakte van de draad. Wanneer het koperoxide in contact komt met een chloorverbinding, ontstaat er een verbinding tussen het koper en het chloor: koper(II)chloride. Dit chloride geeft bij verhitting een typische, groenblauwe vlam.


7

1.4 ACHTERGRONDINFORMATIE

1.5 EINDTERMENBij het hoofdstuk ‘Met een snuifje zout’ past volgende eindterm:

Natuurwetenschappen – chemie• C4: De leerlingen kunnen de aanwezigheid van een stof vaststellen met behulp van een gegeven identificatiemethode.

De ‘Beilsteintest’, die een groene vlamkleur geeft bij aanwezigheid van chloor, werd al in 1872 ontwikkeld door de Russische chemicus Friedrich Konrad Beilstein. Niet om plastics te determineren, maar om halogenen op te sporen. Halogenen zijn de elementen die in de voorlaatste kolom van de tabel van Mendelejev staan: fluor, chloor, broom, jood en astaat.

In principe is het met de Beilsteintest mogelijk om verschillende halogeniden van elkaar te onderscheiden. Koperchloride kleurt de vlam groen, koperbromide groen-blauw en koperjodide blauw. In de praktijk zijn de verschillen echter moeilijk zichtbaar. Bovendien krijgt de kleur van het licht uitgezonden door andere ionen uit de verbinding de bovenhand, zodat de resultaten onbetrouwbaar worden.


8

2.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: SAMEN BOTSEN

WAT IS DE WETENSCHAPPELIJKE VERKLARING?

TENNISBAL & VOLLEYBAL De edutainer neemt een tennisbal en een volleybal en houdt beide ballen in de lucht,

tegen elkaar aan en met de tennisbal bovenaan. Wanneer hij de ballen gelijktijdig loslaat, raakt de volleybal als eerste de grond. De volleybal blijft roerloos liggen en de tennisbal botst dubbel zo hoog op.

Wanneer je een bal vasthoudt, ondervindt die invloed van de zwaartekracht. Men zegt dan dat de bal ‘zwaartekrachtenergie’ of ‘potentiële energie’ bezit. Tijdens het val-len wordt de potentiële energie van de bal gradueel omgezet in ‘bewegingsenergie’ of ‘kinetische energie’. Hoe dichter bij de grond, hoe hoger de kinetische energie. Op de grond aangekomen heeft de bal geen potentiële energie meer over, maar is zijn kinetische energie maximaal. De bal verandert nu van richting en stuitert op. De kinetische energie van de bal daalt nu gradueel, om nul te worden op zijn hoogste punt. Dan is de potentiële energie maximaal. Onderweg verliest de bal wat energie ten gevolge van wrijving.

In het experiment dat de edutainer uitvoerde, heb je twee ballen die potentiële ener-gie omzetten in kinetische energie. Wanneer de volleybal de grond raakt wil hij zijn kinetisch energie gebruiken om weer op te botsen. De tennisbal zit echter in de weg. Maar energie kan niet zomaar verdwijnen (vandaar de wet van behoud van de ener-gie). De volleybal geeft dus zijn energie door aan de tennisbal die er vlak boven zit. De volleybal heeft al zijn energie afgegeven en valt bijgevolg volledig stil. De tennisbal heeft nu dubbel zoveel energie (de eigen energie en die van de volleybal) en springt dus dubbel zo hoog op.

9


• Een bowlingbal (of een andere, grote bal)• Een stuk staaldraad of een stevig, niet-elastisch touw • Een constructie om de bal-met-touw aan op te hangen

SLINGERENDE BOWLINGBAL

AAN DE

2.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:KOGELS DIE KUNNEN TELLEN?

Laat aan één kant de uiterste kogel van de rij tegen de andere kogels botsen. Kijk ook wat er gebeurt als je twee of drie kogels tegelijk laat vallen.Er zullen aan de andere kant van de rij telkens evenveel ballen wegkaatsen als jij er vooraan losliet

Laat aan één kant de uiterste kogel van de rij tegen de andere kogels botsen. Kijk ook wat er gebeurt als je twee of drie kogels tegelijk laat vallen. Aan de andere kant van de rij wijken evenveel kogels uit als jij hebt laten vallen.

Wanneer die terugvallen, gebeurt hetzelfde, maar nu weer aan jouw kant. De ‘wiegende’ beweging blijft nog een tijdje doorgaan.

Bij elke botsing tussen de kogels wordt bijna alle beweging van de kogel doorgegeven aan de volgende kogel in de rij, en zo tot bij de laatste. Bij elke tik wordt een klein deel van de energie omgezet in geluid – je hoort de tik! – en in wrijvingswarmte. Hierdoor zullen de kogels na een tijdje stilvallen.

Opgelet: deze proef voer je als leerkracht best zelf uit!Maak één uiteinde van de staaldraad/het touw stevig vast aan de bowlingbal. Hang de bowlingbal-met-touw op in de hoogte. Zorg dat de bal ongeveer op heuphoogte hangt en vrij kan bewegen in alle richtingen (geen breekbare spullen in de buurt!). Zorg dat de constructie stevig is en geen zwakke punten vertoont. Ga op ongeveer anderhalve meter van de bal staan en breng de bal naar je toe. Hou de bal enkele centimeters voor je kin of je neus en laat de bal los (geef geen duwtje!). Blijf onbeweeglijk staan. Ga niet voorover leunen.

TENNISBAL & VOLLEYBAL

10

De bowlingbal slingert van je weg en komt dan terug naar je toe, tot op enkele centimeters van je kin/neus.

De potentiële energie van de bowlingbal wordt omgezet in kinetische energie en omgekeerd. Maar er kan nooit extra energie bijkomen. Bij elke slingerbeweging verliest de bowlingbal ook een beetje energie, door wrijving met de lucht en met het aanhechtingspunt van de bal aan het touw en het touw aan de draagconstructie. Hoe dicht je de bal ook bij je hoofd houdt, hij zal nooit hoger dan dat komen bij het terugsling- eren. TENNISBAL

& VOLLEYBAL 2.4 ACHTERGRONDINFORMATIE

2.5 EINDTERMENBij het hoofdstuk ‘Tennisbal en volleybal’ passen volgende eindtermen:

Natuurwetenschappen – Fysica• F2: De leerlingen kunnen het belang van behoudswetten illustreren (energie en lading). • F3: De leerlingen kunnen met voorbeelden uitleggen dat opeenvolgende energie omzettingen, met de daarmee gepaard gaande degradatie van energie, de evolutie van het fysische systeem bepaalt.• F10: De leerlingen kunnen de wet van behoud van energie toepassen.

Je laat een kogel vallen tegen een rijtje bollen, en de laatste kogel van dit rijtje schiet plotseling weg. Hoe komt dit ? Het antwoord is eenvoudig: de kogel die tegen de an-dere kogel kaatst, heeft een bepaalde massa en een bepaalde snelheid. We noemen dit de impuls. Wanneer hij nu tegen de andere kogels kaatst, wordt hij in zijn vaart plotseling gestopt: er is een obstakel op de weg. De impuls die de kogel had, wordt echter doorgegeven naar de tweede kogel. Deze wordt op zijn beurt gehinderd door de derde kogel, dus wordt de impuls doorgegeven aan de derde kogel. De impuls plant zich voort, tot aan de laatste kogel. Die wordt door niemand gehinderd, dus schiet de laatste kogel weg. Aangezien alle kogels even zwaar zijn, zal de laatste ko-gel met dezelfde snelheid wegschieten als waarmee de eerste kogel tegen de andere botste.

Anders gezegd: Wanneer je 1 bal vasthoudt, ondervindt deze invloed van de zwaartekracht. Dit is zwaartekrachtenergie of potentiële energie. Tijdens het vallen wordt zwaartekrachtenergie omgezet in bewegingsenergie of kinetische energie. Wan-neer de vallende kogel de rij stilstaande ballen raakt, geeft deze zijn energie door aan de volgende. Wanneer deze vrij zou hangen zou deze verder botsen. Er hangt echter een bal in de weg dus ook bal 2 geeft zijn energie weer door aan bal 3, enz. De bal-len die hun energie doorgaven hebben geen energie meer en blijven dus stilhangen. Uiteindelijk ontvangt de laatste bal de energie van bal 1 die steeds werd doorgegeven.

Omdat de impuls nooit kleiner of groter kan worden, zou dit systeem in theorie eeuwig kunnen blijven botsen. Toch zullen de kogels na een tijdje stilvallen. Dat komt omdat bij elke botsing een deel van de energie wordt omgezet in geluidsgolven (de tik die je hoort), in warmte (door wrijving) en in vervorming (bij elke bots worden de kogels een heel klein beetje ingedeukt). Daardoor wordt de impuls bij elke botsing een fractie kleiner.

11

3.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:UITEENGERAFELD LICHT

3.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: TRILLENDE GLAZEN


ZINGENDE WIJN- GLAZEN De edutainer wrijft met een natte vinger over de rand van een wijnglas, gevuld met

water. Het wijnglas – inclusief water – begint te trillen en er klinkt een toon. Nu neemt de edutainer een glas gevuld met hetzelfde volume methanol. De resulterende toon is hoger.

Geluid is een trilling. Door je vinger nat te makken ontstaat er wrijving tussen de rand van het glas en je vinger. Deze wrijving laat de kelk van het glas trillen. Het experi-ment lukt dus enkel wanneer je het wijnglas bij de voet vasthoudt waardoor de kelk de mogelijkheid heeft om te trillen.

De toonhoogte die “een instrument” produceert is afhankelijk van de totale massa. Hoe meer massa je aan het trillen brengt, hoe lager de toon die je produceert. Zo pro-duceert een grote trom een lagere toon dan een kleine, een contrabas een lagere toon dan een viool,… omdat je meer massa moet laten trillen.

Het is verassend te horen dat een glas gevuld met water een lagere toon produceert dan een identiek glas dat even hoog gevuld werd met methanol. Methanol heeft namelijk een kleinere dichtheid dan water. Dat betekent dat de deeltjes verder uit elkaar zitten. Een bepaald volume methanol (dichtheid 0,79 g/ml) heeft een massa die ongeveer een vijfde kleiner is dan datzelfde volume aan water (dichtheid 1 g/ml). Het glas water heeft dus meer massa dan het even volle glas methanol. Bij het glas methanol breng je in totaal minder massa aan het trillen, waardoor de toon van dit glas hoger klinkt.

Hoe dunner een snaar, een xylofoonplaatje, een trillende luchtkolom, hoe ho-ger de toon die het voortbrengt. Als je metalen staafjes op verschillende lengte zaagt, heb je in allemaal een andere hoeveelheid metaal om te trillen, en dus een andere toon. Nu nog in een leuke volgorde leggen, en je hebt muziek. In Technopolis® is er een spijlenhek. Als je er met een stok langsloopt en elke spijl aantikt, krijg je een bekende melodie.

Loop langs het hek terwijl je stok tegen de spijlen tikt.

Je hoort Broeder Jacob. Elke staaf die je aanslaat, gaat trillen.

De frequentie (toonhoogte) waarmee de staaf trilt, hangt af van zijn dikte en van zijn lengte (en van de soort metaal). De lengtes van de staven die een mooie toon produceren, verhouden zich als eenvoudige breuken (2/3, 3/4, 8/9 …).

12

ZINGENDE WIJN- GLAZEN


• Een dozijn glazen flessen• Water• Een stokje

FLESSENXYLOFOON

AAN DEVul een rij flessen met steeds meer water. De laatste fles is een volle fles. Tik ertegen en regel de waterstand bij tot je een mooie toonladder hebt. Je kan eventueel een muziekinstrument gebruiken om de flessen te stemmen.

Speel nu een eenvoudig melodietje op de flessen, door erop te tikken.

De noten van je flessenxylofoon lopen van laag naar hoog. Hoe meer water in de fles, hoe meer massa je stokje doet trillen en hoe lager de toon.

De flessen klinken mooier als je ze ophangt aan touwtjes. Dan kunnen ze vrij trillen, zonder gehinderd te worden door het tafelblad. Al hun trillingsenergie gaat dan naar de omringende lucht, en zo naar je oor.Het loont de moeite flessen van verschillende dranken te gebruiken. Ook al lijken ze op het eerste gezicht even groot, en zouden ze dus hetzelfde moeten klinken, in de praktijk is dat niet zo. Wanddikte, vorm en soort glas spelen ook een rol. Ook op het oog identieke flessen hebben daardoor een iets andere toon. Hoe meer soorten flessen je verzamelt, hoe groter je totaalbereik zal zijn.Blaas ook eens over de flessen, zoals bij een panfluit. Blaas ongeveer, maar net niet helemaal, horizontaal over de nek. Met wat oefening krijg je zo een orgeltoon uit de flessen. Op dezelfde manier halen dwarsfluitisten en panfluitspelers klank uit hun instrumenten. Nu neem je het omgekeerde waar: hoe meer water in de fles, hoe hoger de toon. Nu doe je immers niet de fles en het water trillen, maar de lucht die in de fles zit. Hoe meer lucht je lippen doen trillen, hoe lager de toon. En een fles met veel water erin, bevat maar weinig lucht.

Instrumentenbouwers regelen massa en volume van hun instrumenten nauwkeurig af, om er een mooie klank uit te krijgen. Dat gebeurt ook met de onderdelen van je auto, maar nu om te vermijden dat ze gaan ‘zingen’. Soms gebeurt het dat je tv-toestel begint meet te trillen bij bepaalde frequenties tijdens een uitzending.

EXTRA’S

TOEPASSINGEN

13

ZINGENDE WIJN- GLAZEN


3.5 EINDTERMENBij het hoofdstuk ‘Zingende wijnglazen’ passen volgende eindtermen:

Natuurwetenschappen – Fysica• F14: De leerlingen kunnen de oorzaak en eigenschappen van een harmonische trilling omschrijven en in concrete voorbeelden illustreren.• F16: De leerlingen kunnen de energieoverdracht door mechanische en elektromag- netische golven aan de hand van verschillende verschijnselen, waaronder resonan- tie, illustreren.

Geluid is een trilling van de lucht. In sommige muziekinstrumenten breng je de lucht rechtstreeks aan het trillen, in andere gevallen breng je eerst snaren aan het trillen, of andere onderdelen van je instrument, die dan op hun beurt de lucht doen trillen.

Muziekinstrumenten maken niet enkel geluid, ze maken ook nog eens geluid waarin duidelijk een toonhoogte te herkennen is, en dat bovendien fraai klinkt. Toonhoogte is een ander woord voor frequentie, en de frequentie van geluid is het aantal trillingen per seconde. Hoe sneller de trillingen, hoe hoger de toon. Als je op een blok hout slaat, hoor je een doffe slag. Dat is een mengsel van trillingen van allerlei frequenties, en er is geen dominerende toonhoogte in te herkennen. Bij de houten plankjes van een xylofoon, is er wel een toon te herkennen. Idem voor een klomp metaal: dat klinkt vaak helderder dan hout, maar meestal komt er ook geen duidelijke toon te voorschijn, tenzij het metaal een goedgekozen vorm heeft, zoals in de plaatjes van een metallo-foon, of een klok, of de buizen van buisklokken en van het muziekhek in Technopolis®.

In dat geval is het trillende voorwerp zo gevormd dat één toonhoogte, één frequentie, wordt gestimuleerd. Dat is een kwestie van het trillende voorwerp de juiste lengte en massa te geven, maar heeft ook te maken met de precieze vorm, en met de gebruikte materie (onder andere de densiteit en de stijfheid).

Een muzikale toon bevat altijd meer dan één frequentie. Automatisch ontstaan ook ‘boventonen’, trillingen met dubbele, driedubbele en andere frequenties die zich als gehele getallen verhouden tot de ‘grondtoon’. Het aantal en de sterkte van de boven-tonen bepaalt de ‘klankkleur’ van het instrument. Sommige boventonen klinken fraai samen, andere niet.

Het bekendste en meest gebruikte slaginstrument waarmee je duidelijke tonen pro-duceert, is de xylofoon. Xylofoonplaatjes worden aan de onderkant speciaal uitgehold om gewenste boventonen te stimuleren, en andere te dempen. De vorm is voor een goed deel berekenbaar (tonen waarvan de halve golflengte een geheel aantal keer in een afmeting van het plaatje past, worden gestimuleerd) maar de laatste afwerking is toch een kwestie van gevoel en een goed gehoor.

14

4.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: DE ONBRANDBARE DOEK


IN VUUR&VLAM De edutainer drenkt een wit katoenen doekje in een mengsel van 50% water en 50%

ethanol. Vervolgens steekt hij het doekje in brand. Na een tijdje wordt het vuur ge-doofd door het brandende doekje in water te gooien. Wanneer de edutainer het doekje weer tevoorschijn haalt, is het ongeschonden en nog steeds sprankelend wit.

Katoen brandt pas bij een voldoende hoge temperatuur (ongeveer 400°C), terwijl alcoholen al bij een veel lagere temperatuur kunnen branden. Alcoholen hebben dan ook een erg laag vlampunt, voor ethanol is dat 12°C. Het vlampunt is de laagste temperatuur waarbij een stof nog voldoende damp afgeeft om te kunnen ontbranden wanneer er een vlam of vonk in de buurt gebracht wordt. Omdat het vlampunt van alcoholen een pak lager is dan de normale kamertemperatuur, worden die stoffen licht ontvlambaar genoemd.

Toch kan de temperatuur van brandende alcohol erg oplopen. Daarom wordt in dit ex-periment een mengsel van alcohol en water gebruikt. Water heeft een hoge soortelijke warmte en kan dus veel warmte opnemen zonder dat de temperatuur ervan veel stijgt. Het water in het mengsel neemt dus een grote hoeveelheid van de geproduceerde warmte op. Een deel van het water zal ook verdampen door de stijgende temperatuur. Op die manier onttrekt het warmte aan het briefje. Het water zorgt er dus voor dat de temperatuur van het geldbriefje lager blijft dan de ontstekingstemperatuur van papier.

De verhouding ethanol t.o.v. water is erg belangrijk in dit experiment. Als je een meng-sel gebruikt met een hoger percentage alcohol, kan het zijn dat het stukje stof toch beschadigd raakt, omdat het water niet genoeg warmte kan afvoeren.

15


• Een mengsel van 50% water en 50% alcohol (isopropanol of ethanol)• Maatbeker• Tang• Lucifer of aansteker• Kaars• Veiligheidsbril• Brandwerende handschoenen• Biljet van vijf of tien euro (of meer als je durft!). Je kan ook een stukje gewoon papier gebruiken.• Bakje met water

BRANDEND BANKBILJET

AAN DE

4.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:GLAASJE OP, KUN JE RIJDEN?

Leerlingen met een rijbewijs kunnen plaatsnemen in de rijsimulator. De simulator is een echte auto, maar voor alle veiligheid gebeurt het rijden ter plekke. Wat je meteen toelaat om enkele virtuele glaasjes te drinken. Kies je aantal glazen drank en het weer, van zon tot sneeuw. Blijf je zonder brokken op de weg? Een ontnuchterende ervaring.

Als je in het bezit bent van een rijbewijs, neem dan plaats achter het stuur. Volg de instructies op het scherm.

Wanneer je alcohol drinkt, verminderen o.a. je reactievermogen, je zicht en je vermogen om afstanden te schatten. De kans op een ongeval is dan erg groot.

Hoe meer alcohol in je bloed, hoe sterker het effect op je hersenen. Bij een kleine dosis voel je je gelukkig en minder geremd. Bij een grotere dosis verminderen je waarneming, je reactiesnelheid en je coördinatie- en oriëntatievermogen sterk. Na een zeer hoge dosis kun je zelfs in coma vallen. In deze simulator ben je dertig jaar en van gemiddelde gestalte. Je bent, met een halfvolle maag, rond zeven uur ’s avonds het café bin-nengestapt, waar je rustig de bestelde glaasjes hebt genuttigd om dan rond tien uur verder te rijden.

IN VUUR&VLAM

Je kan hetzelfde, spectaculaire experiment in de klas nog eens overdoen met papier. Dat brandt minder fel en dooft sneller. Nog spectaculairder wordt het wanneer je een eurobiljet gebruikt.

Dompel het bankbiljet in een maatbeker met het water-alcohol-mengsel. Steek de kaars aan met een lucifer of aansteker. Haal het doorweekte biljet met een tang uit het mengsel. Hou het biljet even in de kaarsvlam. De alcohol rondom het biljet gaat aan het branden. Als het vuur dooft, is het biljet bijna weer droog. Als het biljet blijft branden, steek het dan snel in een bakje met water.

16


4.5 EINDTERMENBij het hoofdstuk ‘In vuur en vlam’ passen volgende eindtermen:

Natuurwetenschappen – Fysica• C7: De leerlingen kunnen koolstofverbindingen aan de hand van een gegeven structuurformule of naam toewijzen aan een stofklasse met behulp van een determi- neertabel.• C18: De leerlingen kunnen van ethanol een typische toepassing of eigenschap aangeven

Net zoals katoen, brandt papier bij een veel hogere temperatuur (ongeveer 230°C) dan alcohol. Omdat papier minder vloeistof absorbeert dan een stuk katoen, krijg je een minder felle vlam die sneller dooft.

Tegenwoordig hoor je wel eens over bio-ethanol, ethanol die verkregen wordt door microbiële fermentatie van suikers. Producten zoals suikerbieten, suikerriet, tarwe, rogge, maïs en gerst worden vergist, waarbij suikers omgezet worden in alcoholen. De ethanol wordt gedestilleerd en komt op de markt als bio-ethanol. Deze alcohol is zodanig behandeld dat hij niet geschikt is voor menselijke consumptie.

Bio-ethanol is een schone energiebron. Het restproduct dat ontstaat bij de productie ervan, wordt gebruikt als veevoeder. De uitstoot van wagens die rijden op een meng-sel van bio-ethanol en benzine, is lager dan die van andere wagens. Bij de volledige verbranding van ethanol ontstaat wel CO₂ (de reactievergelijking ziet er als volgt uit: C₂H₅OH + 3O₂ => 2 CO₂ + 3 H₂O), maar in theorie werd die CO₂ oorspronkelijk door de planten, waarvan de bio-ethanol gemaakt werd, uit de atmosfeer gehaald tijdens de fotosynthese. Netto komt er dus geen extra CO₂ in het milieu terecht. Helaas is voor de productie van bio-ethanol ook extra energie nodig, die meestal afkomstig is van fossiele brandstoffen. Het is een moeilijke evenwichtsoefening, om ervoor te zor-gen dat de nettowinst rendabel én goed voor het milieu is.

Ook op andere vlakken is ethanol een schone brandstof. Bij de onvolledige verbranding van ethanol ontstaan weliswaar kleine hoeveelheden stikstofoxiden, koolwaterstoffen en zwavelverbindingen, maar het aandeel aan zwavelverbindingen is veel lager bij ethanol. Er komen dus minder schadelijke gassen in de atmosfeer terecht.

IN VUUR&VLAM

17

5.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: WARM WATER


H2 O2

WORDT H2O

De edutainer voegt kaliumjodide (KI) toe aan een mengsel van waterstofperoxide (H₂O₂) en zeepsop. Daardoor start een chemische reactie. Er ontstaat een gigantische schuimberg.

Kl

KI is in deze reactie de katalysator die het proces waarbij H₂O₂ wordt omgezet in wa-ter (H₂O), versnelt. Op zeer korte tijd komt er veel zuurstofgas vrij. Dat zuurstof vormt belletjes in het zeepsop met overvloedige schuimvorming tot gevolg.

De reactievergelijking ziet er als volgt uit (KI is een zout dat in oplossing voorkomt als de ionen K en I ):

H₂O₂ + I H₂O + OI

H₂O₂ + OI H₂O + O₂ + I

Omdat het I -ion netto niet weg reageert, noemt men KI een katalysator.

Dit is een exotherme reactie. Dat betekent dat er bij deze chemische reactie warmte vrijkomt. Er bestaan ook reacties waar net het omgekeerde gebeurt, dan wordt heel veel koude afgegeven (m.a.w. warmte opgenomen). Sommige chemische reacties produceren rook, gaan gepaard met een knal of geven zelfs licht!

5.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:WATERSTOFRAKETMaak zelf waterstof en zuurstof, meng ze tot knalgas en doe daar een elek-trische vonk bij. Knalt je raket tot tegen het plafond? Niet meteen iets dat je veilig thuis kunt doen, maar bij ons kan het wel.

Draai aan de hendel om brandstof te maken. Volg het brandstofpeil op de me-ter. Als de knop VUUR oplicht, druk je hem in.

Je maakt elektriciteit, waarmee je het water omzet in waterstofgas en zuurstof-gas. Wanneer je vuurt, worden de gassen gemengd en aangestoken.

Waterstof wordt in verschillende types raketten als brandstof gebruikt. Omdat zulke raketten ook in het luchtledige moeten kunnen vliegen, worden ze aan het begin van hun ruimtereis voorzien van voldoende zuurstof. De grote, roest-bruine brandstoftank waarop de Space Shuttle is bevestigd, is gevuld met vloeibaar zuurstof en vloeibaar waterstof. Bij het lanceren worden die vloeistof-fen naar de hoofdmotoren gepompt, waar ze verdampen en met elkaar reage- ren. Zo’n 9 minuten na de lancering wordt de lege brandstoftank afgeworpen.

18


• Twee suikerklontjes• Twee vuurvaste schaaltjes• As (bijvoorbeeld van de barbecue of uit de haard)• Lucifers

SUIKER IN BRAND

AAN DELeg de suikerklontjes elk op een schaaltje. Neem een lucifer en probeer het eerste klontje in brand te steken. Dat lukt niet. Strooi nu wat as over het tweede klontje en neem opnieuw een lucifer om het klontje in brand te steken. Er verschijnt een blauwe vlam en het klontje brandt op. Het is niet de as die brandt, maar wel degelijk het klontje suiker. De as blijft onveranderd en doet dus dienst als katalysator.


5.5 EINDTERMEN

Een katalysator is een stof die een chemische reactie versnelt, zonder zelf op te raken. Dat wil niet zeggen dat de katalysator zelf geen chemische reactie ondergaat. De katalysator reageert wel degelijk tijdens het chemisch proces. Daarbij wordt een tussenproduct gevormd. Dat tussenproduct reageert op zijn beurt, waarop terug de oorspronkelijke katalysator gevormd wordt. Om die reacties te laten plaatsvinden, is veel minder energie nodig dan om de reactie zonder katalysator te laten doorgaan. Daardoor gaat het proces veel sneller.

Katalysatoren zijn onmisbaar voor ons leven. Want in ons lichaam worden ook suikers (koolwaterstoffen) verbrand. En dat bij een temperatuur van slechts 37°C. Hoger ver-dragen wij immers niet. De katalysatoren die in ons lichaam voor de verbranding van voedingsstoffen zorgen, en dus voor het winnen van energie, noemt men ‘enzymen’.

Bij het hoofdstuk ‘H₂O₂ wordt H₂O’ passen volgende eindtermen:

Natuurwetenschappen - chemie • C15: De leerlingen kunnen de invloed van snelheidsbepalende factoren van een reactie verklaren in termen van botsingen tussen deeltjes en van activeringsenergie. • C16: De leerlingen kunnen het onderscheid tussen een evenwichtsreactie en een aflopende reactie beschrijven. • C18: De leerlingen kunnen van waterstofperoxide een typische toepassing of eigenschap aangeven.

H2 O2

WORDT H2O

19

6.1 WAT LEERDE JE IN DE SHOW?EXPERIMENT: METHAANKNAL IN VERFBLIK


BRAND-BAAR GAS

De edutainer vult een verfblik met een gaatje in het deksel met methaan. Ook onder-aan het blik zit een gaatje. Het methaangas ontsnapt langs het bovenste gaatje. De edutainer steekt het brandbare methaangas aan, waardoor er een vlam verschijnt.

De vlam van de methaankaars is eerst geel. De vlam wordt steeds kleiner en krijgt een blauwe kleur. Na een poos verdwijnt de vlam in het blik… met een explosie.

methaangas

Methaan is lichter dan lucht en ontsnapt langs het gaatje in het deksel. Maar omdat methaan een kleurloos en reukloos gas is, kan je dat niet zien. Methaan is ook een brandbaar gas. Wanneer je het langs het deksel ontsnappende methaan in brand steekt krijg je een heuse methaankaars. Volgende reactie vindt plaats: CH₄ + O₂ => CO₂+ 2 H₂O

Door het methaan aan te steken, verdwijnt het gas stilaan langs boven. De verbran- dingsreactie gebruikt het gas sneller op dan dat er nieuw methaangas aangevoerd kan worden. Daarom wordt de vlam steeds kleiner.

In het begin van het experiment is de vlam geel, ten gevolge van een (gedeeltelijke) onvolledige verbranding. Dat komt omdat er niet voldoende zuurstof in de verfpot aan-wezig is. De onvolledige verbranding van CH₄ ziet er als volgt uit:2CH₄+ 3O₂ => 2CO + 4H₂O

Doordat het methaan langs boven ontsnapt en opbrandt, wordt er onderaan gewone lucht ‘aangezogen’. Van zodra er voldoende zuurstof voor een volledige verbranding in het blik aanwezig is, krijgt de vlam een typisch blauwe kleur.

Op het einde verdwijnt de vlam in het blik en volgt een explosie. Dat komt doordat het mengsel van methaan en zuurstof (in de lucht) op dat moment een optimale verhouding bereikt heeft om te ontploffen.

Ontploffingen in mijnen en riolen zijn vaak het gevolg van een mix van methaangas met lucht. Daarom namen mijn-werkers vroeger vaak een kanarie mee de mijn in, die ze zo hoog mogelijk in een kooi zetten. Omdat methaangas opstijgt, was een dode kanarie het teken om je zo snel mogelijk uit de voeten te maken.

20


• Bunsenbrander

DE KLEUR VAN EEN VLAM

AAN DE

6.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®:HOE WERKT EEN VIERCILINDERMOTOR?

BRAND-BAAR GAS

Het ontploffen van een gas kan handig gebruikt worden. Bijvoorbeeld in een ontploffingsmotor. Zo rijden er auto’s op LPG (liquefied petroleum gas). Heb je thuis een opengezaagde motor? Zoniet, dan kun je altijd een keertje in Tech-nopolis® langskomen.

Beweeg de rode zuigers op en neer in de cilinders, of draai aan het grote zwarte wiel.

Als je de zuigers op en neer beweegt, zie je onderaan de motor hoe de krukas begint rond te draaien. Als je zelf de krukas ronddraait, dan zie je hoe de zuigers in de cilinders op en neer bewegen.

In de cilinders van en verbrandingsmotor wordt thermische energie (ontploffing van de brandstof) omgezet in mechanische energie (be-weging van de zuigers). Bij een viertaktmotor doorloopt iedere cilinder vier fasen: inlaatslag, compressieslag, arbeidsslag en uitlaatslag. Drijf-stangen zetten de op- en neergaande beweging van de zuigers om in een draaiende beweging van de krukas. De krukas drijft op haar beurt de wielen aan.

De methaankaars in de quiz was niets anders dan een eenvoudige bunsen-brander, maar dan zonder constante methaantoevoer. Het principe van volledige en onvolledige verbranding kan ook met een gewone bunsenbrander aangetoond worden. De gas- en de luchttoevoer van een bunsenbrander kan je afzonderlijk regelen. De gastoevoer (aardgas) regel je met het kraantje van de gasfles (of op de labotafel) en het kraantje op de gasslang.

Wanneer je de bunsenbrander aansteekt, draai dan steeds eerst de lucht-toevoer (onderaan de bunsenbrander) dicht. Je ziet nu een gele vlam, een gevolg van onvolledige verbranding. De temperatuur van deze vlam is relatief laag. Een gele vlam is ideaal om de bunsenbrander te laten branden, zonder dat je ermee aan het werk gaat. Wanneer je iets verwarmt met een gele vlam, zal er roet ontstaan.

Wanneer de luchttoevoer geopend wordt, krijg je een hete, blauwe vlam. Hier is nagenoeg geen roetontwikkeling. De verbranding is volledig en er ontstaat CO₂ en water. Dat maakt methaan een van de schoonste fossiele brandstoffen. Het topje van de vlam is het warmst en kan temperaturen tot meer dan 1500°C bereiken.

Aardgas bestaat hoofdzakelijk uit methaan. Afhankelijk van waar het aardgas gewonnen werd, zitten er nog andere gassen, zoals stikstof en CO₂, in het gasmengsel. Er wordt ook een geurstof aan aardgas toegevoegd, zodat lekken sneller opgemerkt worden.

21

6.2 DOE-OPSTELLING IN TECHNOPOLIS®: BRAND-BAAR GAS


6.5 EINDTERMEN

Methaan is net als CO₂ een broeikasgas. Samen zijn deze gassen het meest verant-woordelijk voor de opwarming van de aarde. Methaan zorgt er dus samen met CO₂ voor dat de aarde een serre, een broeikas wordt. Broeikasgassen laten de schadelijke zonnestralen die weerkaatsen op de aarde niet meer ontsnappen uit onze atmosfeer, waardoor de aarde dus steeds meer opwarmt.

De grootste producent van methaangas zijn koeien. Koeien eten veel gras of hooi. Bij het verteren daarvan, krijgen ze de hulp van bacteriën. Een bijproduct van dat bacteriële verteringsproces is methaan. Dat vindt zijn weg langs buiten via boeren en scheetjes. Mensen hebben hetzelfde probleem bij het eten van kolen, uien en bonen. Maar in onze scheetjes zit, in tegenstelling tot die van koeien, niet altijd methaan. Slechts 1/3 van de mensen produceert methaan in zijn scheetjes.

Zoals je kon zien in de reactievergelijking, ontstaat er bij de verbranding van methaan twee keer zoveel water dan CO₂. Je zou je dus kunnen afvragen, of ook dat water (het bijproduct van de verbranding van fossiele brandstoffen) bijdraagt tot de wereldwijde stijging van de zeespiegel.

Niets is echter minder waar. Wetenschappers schatten – exacte cijfers zijn hierover moeilijk te achterhalen – dat we sinds het begin van de industrialisering tot en met het jaar 2000 ongeveer 110 gigaton (Gt, een miljard ton) aardolie, 47 Gt aardgas en 250 Gt steenkool opgebruikten.

Als we ervan uitgaan dat alle waterstofatomen in die brandstoffen door oxidatie uitein-delijk in een watermolecule (H₂O) terechtkwamen, dan hebben we op die honderd jaar zo’n 140 Gt water gegenereerd door de verbranding van aardolie, 105 Gt water ten gevolge van aardgasgebruik en 90 Gt door de verbranding van steenkool.

Samen komt dat neer op 335 miljard ton water, of 335 kubieke kilometer. Dat lijkt heel wat, maar de aarde is dan ook gigantisch groot. De oppervlakte van alle oceanen, zeeën, meren en rivieren tezamen, bestrijkt maar liefst 360 miljoen vierkante kilometer. Als je al het water dat de afgelopen eeuw ontstond bij de verbranding van fossiele brandstoffen uitspreidt over die oppervlakte, dan zou de zeespiegel gestegen zijn met… ongeveer één millimeter. Schattingen die rekening houden met het toenemende brandstofverbruik, komen uit op 4 mm tegen het einde van de 21ste eeuw.

Niets om je zorgen over te maken? Toch wel. Want de zeespiegel zàl stijgen. Al zal dat niet rechtstreeks gebeuren door de verbranding van fossiele brandstoffen, maar onrechtstreeks door de opwarming van de aarde die daarmee gepaard gaat.

Bij het hoofdstuk ‘Brandbaar gas’ passen volgende eindtermen:

Natuurwetenschappen – Fysica• C14: De leerlingen kunnen voor een aflopende reactie, waarvan de reactievergelijking gegeven is, en op basis van gegeven stof hoeveelheden of massa’s, de stof- hoeveelheden en massa’s bij de eindsituatie berekenen.• C16: De leerlingen kunnen het onderscheid tussen een evenwichtsreactie en een aflopende reactie beschrijven.• C17: De leerlingen kunnen de evolutie van een reactie in evenwicht voorspellen na een verstoring van het evenwicht door verandering van temperatuur of van concen- tratie.• C18: De leerlingen kunnen van methaan een typische toepassing of eigenschap aangeven.

22

NATUURWETENSCHAPPEN

In elk hoofdstuk werd reeds aangeduid welke specifieke eindtermen behaald worden bij het behandelen van de betreffende wetenschappelijke thema’s. Hieronder staan nog enkele meer algemene eindtermen die de scholenshow en het educatief pakket kunnen helpen realiseren.

GEMEENSCHAPPELIJKE EINDTERMEN VOOR WETENSCHAPPEN:1.ONDERZOEKEND LEREN/LEREN ONDERZOEKEN

Met betrekking tot een concreet wetenschappelijk of toegepast wetenschappelijk probleem, vraagstelling of fenomeen kunnen de leerlingen

2: een eigen hypothese (bewering, verwachting) formuleren en aangeven hoe deze kan worden onderzocht.

5: omstandigheden die een waargenomen effect kunnen beïnvloeden, inschat- ten.

6: aangeven welke factoren een rol kunnen spelen en hoe ze kunnen worden onderzocht.

7: resultaten van experimenten en waarnemingen afwegen tegenover de ver- wachte, rekening houdend met de omstandigheden die de resultaten kunnen beïnvloeden.

9: experimenten of waarnemingen in klassituaties met situaties uit de leefwereld verbinden.

10: doelgericht, vanuit een hypothese of verwachting, waarnemen.

12: alleen of in groep, een opdracht uitvoeren en er een verslag over uitbrengen.

2. WETENSCHAP EN SAMENLEVING

De leerlingen kunnen met betrekking tot de vakinhoudelijke eindtermen

15: de wisselwerking tussen de natuurwetenschappen, de technologische ont- wikkeling en de leefomstandigheden van de mens met een voorbeeld illustreren.

16: een voorbeeld geven van positieve en nadelige (neven)effecten van natuur wetenschappelijke toepassingen.

3. ATTITUDES

22*: zijn gemotiveerd om een eigen mening te verwoorden.

23*: houden rekening met de mening van anderen.

25*: zijn bereid om samen te werken.

26*: onderscheiden feiten van meningen of vermoedens.

27*: beoordelen eigen werk en werk van anderen kritisch en objectief.

28*: trekken conclusies die ze kunnen verantwoorden.

30*: zijn ingesteld op het veilig en milieubewust uitvoeren van een experiment.

31*: houden zich aan de instructies en voorschriften bij het uitvoeren van op- drachten.

EINDTERMEN

De leerlingen

Fietsen op een kabel op vijf meter hoogte? Zelf een vliegtuig veilig aan de grond zetten? Een dutje doen op een spijkerbed? Wandelen op de maan? Je beleeft het allemaal in Technopolis®, het Vlaamse doe-centrum voor wetenschap en technologie.

Aankomen moétHier voel je, probeer je en ervaar je alles helemaal zélf. Want wat je zélf doet, begrijp je beter! Zo leer je op een toffe, spannende manier iets bij over wetenschap en technologie. Je zal al snel merken dat wetenschap allesbehalve saai is. En dat wordt het ook nooit, want het aanbod van Technopolis® verandert voortdurend, waardoor je bezoek telkens anders verloopt.

Wetenschappe-leukTechnopolis® is niet alleen leerrijk, het is ook leuk en spannend. Je wordt er verrast met toffe shows en demo’s, waarin de edutainers van Technopolis® je de wondere wereld van de wetenschap doen ontdekken. Laat ze bijvoorbeeld je haren rechtop zetten. Neen, niet met gel of haarlak, maar met … statische elektriciteit!

Nieuwsgierig? Dat zijn we allemaal!Technopolis® is er voor jonge ontdekkers én oudere onderzoekers. Iedereen maakt er kennis met de technologie en wetenschap die achter dagdagelijkse zaken schuilgaan.

Leren is nooit saaiBasis- en secundaire scholen ruilen hun schoolbanken in voor een educatieve dag vol wetenschap én plezier in Technopolis®. Leerlingen gebruiken hun zoekboekje als houvast, of volgen tijdens de e-rally een interactieve themaroute. Ze worden – figuurlijk – van hun sokken geblazen in het Lab met chemische proefjes en in het Atelier vol technologische snufjes. En natuurlijk is er ook een tot de verbeelding sprekende wetenschapsshow. Achteraf zetten leerkrachten de pret gewoon verder met het gratis educatief lesmateriaal van Technopolis®, te downloaden via www.technopolis.be. Of je haalt met de spectaculaire scholenshow een lading wetenschappelijke fun en technische kennis gewoon naar jouw klas!

Technologielaan B-2800 Mechelen

+32 15 34 20 00 [email protected] www.technopolis.be

Volg ons overal!

HOE ZIT DAT?! - Technopolis, het Vlaamse doe-centrum voor … · 2019. 10. 16. · 3 Dit educatief...

Documents

Transcript of HOE ZIT DAT?! - Technopolis, het Vlaamse doe-centrum voor … · 2019. 10. 16. · 3 Dit educatief...