Praktische Opdracht Scheikunde VWO

Een handleiding

versie 1e, jaargang 2006-2007

W.G.J. Hensgens G.H.F. Hurenkamp

H. Loois

februari 2007

2

Inleiding Scheikunde is een vak, waarin het doen van onderzoek een belangrijke rol speelt. Hoewel er uiteraard theoretisch onderzoek bestaat, is een belangrijke vorm van onderzoek het uitvoeren en verwerken van experimenten. Op die manier kunnen nieuwe conclusies worden getrokken over het gedrag en de eigenschappen van stoffen en wordt de scheikunde “verder geholpen”. Niet zelden gaat het dan om zaken, die ons allen raken: voedselveiligheid, medicatie en gezondheid, materiaalontwikkeling voor nieuwe producten of de zoektocht naar duurzame brandstoffen. Het mag dan ook geen wonder heten, dat 20% van het schoolexamencijfer van scheikunde wordt gebaseerd op praktisch werk. Binnen deze 20% neemt de praktische opdracht (de PO) in het schooljaar 2006-2007 een behoorlijk deel voor zijn rekening. Het vormt 12% van het S.E.-cijfer (zie ook het vigerende PTA; aan deze tekst kunnen geen rechten worden ontleend!). Het is de bedoeling, dat tijdens de praktische opdracht een onderzoek wordt opgezet/voorbereid, uitgevoerd en wordt afgerond door middel van resultaten en conclusies. Daarnaast is het in de huidige wetenschapspraktijk steeds belangrijker om behaalde onderzoeksresultaten te presenteren aan vakgenoten en (potentiële) financiers. Ook dit aspect komt aan de orde in de praktische opdracht. De fasen, die in een natuurwetenschappelijk onderzoek aan de orde komen, zijn hierboven al enigszins vermeld. Een wezenskenmerk van wetenschappelijk onderzoek is, dat deze fasen in de tijd soms door elkaar kunnen lopen, doordat zich gaandeweg het onderzoek nieuwe en onverwachte wendingen voordoen. Zo kan een onderzoeksvraag of een experimentele werkwijze na enkele tegenvallende resultaten worden bijgesteld. De praktijk van het uitoefenen van wetenschap is dan ook vaak weerbarstiger dan de rechtlijnige procesgang, die schoolboeken of collegedictaten soms plegen te weerspiegelen. Het uitvoeren van wetenschap is een ambacht, het behalen van resultaten niet alleen een kwestie van vakmanschap, maar soms ook van geluk. Gespecialiseerde koolstofchemici (in de chemie organisch-chemici genoemd) schrijven hun resultaten anders op dan fysisch-chemici, hoewel er globaal gezien wel gemeenschappelijkheden zijn. Kortom: als het gaat om dé manier van onderzoeken of dé manier van verslaglegging, dan moet dit eerder als globale leidraad dan als absolute regel worden opgevat.

3

Globale opzet van de praktische opdracht De PO wordt in een groep van 2 personen uitgevoerd. Een onderzoek wordt in het algemeen gesteld en globaal gezien in fasen uitgevoerd: 1. Voorbereiding

• verzinnen onderwerp en vaststelling onderzoeksvraag/doel van de proef • evt. oriënteren op bekende resultaten uit het verleden (literatuuronderzoek, internet, e.d.) • verdiepen in de achterliggende theorie • oriëntatie op de te gebruiken werkwijzen en technieken • oriëntatie op veiligheidsaspecten

Noot: voordat je aan de volgende fase (het praktisch werk) mag beginnen, wordt de voorbereiding (haalbaarheid en dergelijke) doorgesproken met de docent en/of de TOA. 2. Uitvoering

• in de praktijk kennis maken met en leren gebruiken van de gebruikte technieken • uitvoeren van experimenten • zorgvuldige verslaglegging van waarnemingen en metingen (labjournaal!)

3. Verwerking

• verwerken van waarnemingen tot resultaten (berekeningen maken uit meetwaarden, gegevens op een rijtje zetten, in grafiek uitzetten, etc.)

• begrenzing van de resultaten weergeven (foutendiscussie, hoe betrouwbaar en nauwkeurig zijn je metingen?)

• trekken van conclusie(s) uit de resultaten en bediscussiëren van deze conclusies 4. Presenteren van de resultaten bijvoorbeeld in de vorm van:

• een mondelinge presentatie (al dan niet ondersteund met (audio)visuele middelen) • een schriftelijk verslag • een tijdschriftartikel • een poster • ???

Noot: in onze PO is het de bedoeling, dat je een poster maakt over je onderzoek en dat deze poster wordt gepresenteerd in een mondelinge presentatie. Tijdsplanning In onze PO wordt de volgende tijdstoekenning gehanteerd (bij benadering):

1. Voorbereiding: 3 uren 2. Praktische uitvoering: plm. 10 lesuren 3. Verwerking en vormgeven/voorbereiden presentatie en poster: 5 uren 4. Presentatie (inclusief het aanhoren van de presentaties van anderen): ca 3 lesuren

De PO heeft een totaalomvang van 20 uren.

4

Beoordeling De beoordeling bestaat uit een middeling van 5 cijfers: 1. voorbereiding (onderwerpkeuze, meetmethode, werkplan incl. veiligheid, chemicaliënlijst) 2. het werk zelf (hoe zelfstandig, netjes, planmatig) (tijdbesteding in logboek bijhouden!) 3. het resultaat (zoals dat ook uit de poster en de presentatie blijkt) dit telt dubbel 4. de poster (originaliteit, verzorging, de juiste selectie wat wel/wat niet) 5. de presentatie (uitnodigend, prettig om naar te luisteren, duidelijk) Dit leidt bijvoorbeeld als volgt tot je cijfer: 5, 6,5 , 7 (telt dubbel), 6 , 8 geeft 39,5/6 is 6,6. De gegeven beoordeling(en) gelden voor elk groepslid, tenzij de omstandigheden aanleiding geven hiervan af te wijken. 1. De voorbereiding Het is de bedoeling, dat elke groep een schriftelijke voorbereiding inlevert bij de docent. In deze voorbereiding komt het volgende aan de orde:

• doelstelling (is taalkundig ook echt een stelling) of onderzoeksvraag (taalkundig gezien in vraagvorm). Inhoudelijk zijn deze twee varianten identiek.

• stapsgewijze werkwijze, waarin duidelijk wordt uitgelegd in welke stappen het onderzoek wordt uitgevoerd en welke technieken worden gebruikt. Bijvoorbeeld (wegens ruimtegebrek niet onder elkaar, maar dat zou overzichtelijker zijn): “1. we oefenen met de spectrofotometer met bekende concentraties Fe3+- en SCN–-ionen om deze concentratiebepalingstechniek te leren kennen; 2. we maken een ijklijn van de Fe3+-concentratie tegen de gemeten lichtabsorptie in de spectrofotometer; 3. we isoleren Fe3+ uit de Roosvicee; 4. we meten de lichtabsorptie in de voorbewerkte Roosvicee en bepalen uit de ijklijn de Fe3+-concentratie; 5. we herhalen deze procedure voor verschillende Roosvicees en bij verschillende temperaturen”

• lijst van benodigde chemicaliën en materialen Deze voorbereiding lever je, voorzien van naam en inleverdatum, in bij de docent. De schriftelijke voorbereiding dient als basis voor een voorbereidingsgesprek (in de scheikundeles of daarbuiten) tussen de leerlingen en de docent en/of TOA. Hoe eerder je dit inlevert, des te sneller ben je aan de beurt voor dit gesprek en des te spoediger kun je aan het werk. De voorbereiding doe je met je groepsgenoot en doe je voor het overige in je eigen tijd. De voorbereiding wordt gewaardeerd met een cijfer, dat meetelt in de eindbeoordeling. Enkele onderwerpen uit het recente Marnixverleden: • vitamine C-bepaling (jodometrisch) in ..... • ijzerbepaling (spectrometrisch, zie par. 20.4 en 20.5 in het sk2-boek) in.... • de vergelijking van de hardheid van diverse waters (EDTA-titratie) • het maken van een aantal geurstoffen (esters) • het isoleren van bètacaroteen uit wortelen • het isoleren van zetmeel uit aardappelen • de bepaling van het fosforzuurgehalte in cola (potentiometrisch) • het sulfietgehalte in verschillende soorten witte wijn: relatie met de prijs • suiker- en alcoholgehalte in wijn (polarimetrisch en spectrofotometrisch) • de analyse van vetzuren uit de vetten in … (gaschromatograaf) Je mag ook zelf met een onderwerp komen. Graag zelfs, maar perk dat zo in dat het uitvoerbaar is.

5

Tips: • het verdient aanbeveling om bekende chemische technieken (redox- of zuur-base-titratie,

neerslagreacties, het gebruik van indicatoren/reagentia, etc) toe te passen binnen een nieuwe context (bijvoorbeeld een onderzoek aan een levensmiddel). Laat je inspireren door de proeven in je boek, maar ook door wat je eventueel aan gedane PO’s op Internet kan vinden (klakkeloos kopiëren is uiteraard een geheel ander verhaal en zeker niet toegestaan).

• perk je onderzoeksvraag duidelijk in. “Het bepalen van het Vitamine C-gehalte” zegt

niets, tenzij je een nieuwe techniek wil ontwikkelen om gehaltes Vitamine C te bepalen. Stel vast welke producten het betreft, of onderzoek een afhankelijkheid (bijvoorbeeld de afhankelijkheid van de bereidingswijze). Richt niet te hoog! Onderzoek doen kost tijd. Dat geldt in het bijzonder, als je de resultaten ondubbelzinnig wil kunnen interpreteren (en dat wil je, anders is je onderzoek en al je moeite niets waard). Houd dus rekening met tegenslagen en met het feit, dat je bepalingen minimaal in duplo, dat wil zeggen tweemaal, dient uit te voeren.

2. De uitvoering In de blokuren is er gelegenheid om praktisch werk uit te voeren. Je kunt daarbij gebruik maken van de expertise van de TOA en de docent, alsmede van de materialen en chemicaliën van school. Veiligheid is uiteraard van belang: er zijn op school verschillende boeken en mappen beschikbaar, waarin per stof de veiligheidsrisico’s en de veiligheidsmaatregelen staan weergegeven. In de chemische beroepspraktijk gaat men vaak uit van zogenaamde R- en S-zinnen. Op de verpakkingen van stoffen en in catalogi van chemicaliënleveranciers staan voor elke stof R- (risk-) en S-(safety-)aanduidingen. Deze corresponderen met algemene zinnen (bijvoorbeeld R33 of S47). Zie het Internet of Binas voor deze zinnen. Maak van deze bronnen gebruik, als je een experiment voorbereidt en uitvoert. Het belang van het vastleggen van resultaten kan niet voldoende worden benadrukt. Je vergeet, zeker bij herhaalde metingen, onherroepelijk de waarnemingen en meetwaarden. Elke zichzelf respecterende onderzoeker heeft een labjournaal, waarin hij/zij alles (kleurveranderingen, getallen, afgelezen buretstanden, etc, etc) bijhoudt. Dat labjournaal kan een schrift zijn, of een collegeblok. Losse blaadjes – zo wijst de praktijk meestal uit – zijn niet zo’n goed idee (en dat is een eufemisme). Werk chronologisch en schrijf ook waarden en waarnemingen van “mislukte” proeven op, evenals andere bijzonderheden. Noteer in de kantlijn de data van je metingen, dat kan later soms van pas komen. Niet zelden blijken dit na analyse van alle waarnemingen waardevolle notities te zijn.

Het labjournaal dient te worden ingeleverd en kan meewegen bij de beoordeling van het praktisch werk.

Het labjournaal is iets anders dan het logboek, waarin je de procesmatige kant van je onderzoek bijhoudt. 3. De verwerking De metingen en waarnemingen moeten vaak worden verwerkt tot resultaten. Het gaat dan om het systematisch op een rij zetten van meetwaarden, maar nog vaker om uit die meetwaarden berekende resultaten. Zorg ervoor, dat je zo duidelijk mogelijk kunt maken, wat je experimenteel hebt bepaald en wat je daaruit kunt afleiden. Tabellen en met name grafieken kunnen meer zeggen dan duizend woorden. Denk uiteraard aan de juiste manier van het maken van grafieken en dergelijke, zoals je dat door de jaren heen hebt geleerd.

6

De conclusie van een onderzoek is feitelijk het antwoord op je onderzoeksvraag (of als je een doelstelling hebt geformuleerd: het toetsen en reflecteren op die doelstelling). Spring niet gelijk op de conclusies, maar maak duidelijk wat je resultaten zijn en hoe die tot jouw conclusie hebben geleid. 4. De presentatie Een afgerond onderzoek moet worden gepresenteerd. Die presentatie geldt in de ruime zin des woords: ook een geschreven verslag of artikel is een presentatievorm. In de wetenschappelijk praktijk van alledag zijn publicaties (dat wil zeggen: in wetenschappelijke tijdschriften geplaatste artikelen) een belangrijke graadmeter voor het succes en de status van een wetenschapper. Andere manieren, waarop een onderzoeker aandacht voor zijn prestaties kan krijgen, zijn het houden van mondelinge voordrachten op wetenschappelijke congressen of het houden van een posterpresentatie op een postermarkt. Die laatste manier van het delen van onderzoeksresultaten kost relatief weinig tijd en biedt voor geïnteresseerden de kans om snel een selectie te maken voor het onderzoek, dat voor hen interessant is. Bij een dergelijke postermarkt staat de onderzoeker bij zijn poster en is aanspreekbaar voor gesprekken en discussie. De poster dient dan ook aantrekkelijk en uitnodigend te zijn, dient uiteraard compleet te zijn zonder de hoofdlijnen te verliezen, maar moet ook vragen oproepen, zodat er mensen op je poster afkomen. Verzorgdheid, duidelijkheid en aantrekkelijkheid zijn dus van belang; een poster met heel veel kleine tekst is dan ook niet zo doeltreffend en beantwoordt niet aan de doelstelling van een poster. Bij onze PO is de presentatievorm vastgelegd: je maakt een poster en die poster gebruik je tijdens een mondelinge presentatie van circa 10 minuten. Het is mogelijk, dat je na de presentatie vragen uit het publiek krijgt of dat er kort ruimte is voor discussie met het publiek.

Tot slot De PO is te zien als een kans:

• veel mensen gaven in het verleden aan, dat ze door de PO oude scheikundestof beter zijn gaan begrijpen. Dat geldt met name voor het rekenwerk (mol, concentraties, rekenen aan reacties, titratieberekeningen, enzovoort);

• je hebt de kans om zelf sterk het onderwerp van de PO mee te bepalen.

De enige restricties zijn tijd en de mogelijkheden op school. Je kunt zo scheikunde bedrijven, die je na aan het hart ligt.

Veel succes en plezier bij de PO scheikunde!

7

BIJLAGE: chemische analysemethoden (geen uitputtende lijst!) Kwalitatieve methoden:

- papierchromatografie (§ 14.2) - dunnelaag-chromatografie (DLC, eng: TLC) (§ 14.2) - IR-spectrometrie (§ 20.4) niet op school uitvoerbaar - MS (massaspectrometrie) (§ 20.3) niet op school uitvoerbaar - NMR (nuclear magnetic resonance, kernspinresonantie) niet op school

uitvoerbaar Kwantitatieve methoden

- zuur-base-titratie met indicator of gekleurde reactanten (§ 9.8, § 13.5) - zuur-base-titratie met pH-meter (curve toegevoegd buretvolume tegen pH

(noot 1) levert eq.punt) (H15) - redoxtitratie met indicator of gekleurde reactanten (§ 13.5) - redoxtitratie met V-meter (= gebruik elektrode; officiële naam

potentiometrische titratie) (§ 13.5 + extra stof elektrochemie) - GLC (gas-vloeistofchromatografie) (§ 20.2) - UV/VIS-spectrometrie (§ 20.5) op school alleen uitvoerbaar met zichtbaar licht

(VIS) - polarimetrie (§ 16.3) - ion-selectieve elektrode (potentiometrie, extra stof elektrochemie)

Noot: kwantitatieve methoden herbergen natuurlijk altijd een kwalitatief aspect. noot 1: een curve van het toegevoegd buretvolume (horizontaal) versus de pH of versus de gemeten elektrodepotentiaal/spanning (verticaal) heet een titratiecurve.