A+%-,0$%/,/,/(%(.)0B#"+B(

Transkript

1 "#$%&'()*('"*+,$%&'(%(-"++(."/&01"*0"22)0/(.34567( A+%-,0$%/,/,/(%(.)0B#"+B(

2 Innholdsfortegnelse 1 Innledning"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# 2 Teori 2.1 Elektronegativitet$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$"4 2.2 Grunnstoffene i gruppe 1 og 2""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""% 3 Materiell og metode"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""& 3.1 Utstyr"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""& 3.2 Fremgangsmåte"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""& 4 Resultater""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""' 5 Drøfting""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""( 5.1 Naturvitenskapelig drøfting"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""( 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""") 6 Konklusjon""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""** 7 Litteraturliste"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""** "

3 1 Innledning I dette forsøket skulle vi sammenlikne reaksjonen mellom vann og de to jordalkalimetallene kalsium og magnesium. Vi skulle observere og beskrive reaksjonene, samt forklare hvorfor de to metallene reagerer ulikt med vann. Vi skulle også teste en hypotese om at reaksjonen mellom kalsium og vann danner hydrogengass. Forsøket er koblet opp mot læringsmål under Fenomener og stoffer i læreplanen for 7. og 10. årstrinn. Etter 7. årstrinn: - Gjennomføre forsøk med kjemiske reaksjoner og forklare hva som kjennetegner disse reaksjonene Etter 10. årstrinn: - Vurderer egenskaper til grunnstoffer og forbindelser ved bruk av periodesystemet Læreplanverket for kunnskapsløftet (Utdanninsgdirektoratet, u.d) Aktiviteten er hentet fra nettsiden til læreverket Kjemi for lærere, som er pensum for Naturfag 1 ved grunnskolelærerutdanninga høsten 2011 på Universitetet i Nordland. (Kjemi for lærere (u.d)) Forsøket ble utført under samlinga i uke 42. #

4 2 Teori 2.1 Elektronegativitet Grunnstoffenes evne til å tiltrekke seg elektroner kalles elektronegativitet. Grunnstoffene blir rangert etter denne evnen i den elektrokjemiske spenningsrekka. Fluor har størst elektronegativitetsverdi, 4,0. Ser vi bort fra edelgassene i gruppe 18, kan vi si at grunnstoffene øverst til høyre i periodesystemet er sterkt elektronegative, mens grunnstoffene mot venstre er mindre elektronegative. I stedet for å si «mindre elektronegative», pleier man å si elektropositive. Det finnes tabeller med oversikt over alle grunnstoffers elektronegativitet. Av tabell 1 ser vi at elektronegativitetsverdien til metallene i gruppe 1 og 2 avtar nedover i gruppen. Dette kan vi forklare med at atomradien øker nedover i gruppen, og på grunn av blant annet dette vil tiltrekningskreftene mellom kjernen og elektronet/elektronene i det ytterste skallet bli mindre når atomene blir større. Nedover i gruppe 1 og 2 har derfor atomene økende evne til å avgi ytterelektroner i kjemiske reaksjoner. Atomene som tar opp disse ytterelektronene, tilhører grunnstoffer som er mer elektronegative. (Cappelen Damm forlag, 2009) +,-.//* 2.2 Grunnstoffene i gruppe 1 og 2 Metallene i gruppe 1 og 2 er svært elektropositive grunnstoffer. I kjemiske reaksjoner vil Elektronegativitetsverdier for grunnstoffene. Jo høyere verdi, jo større evne har stoffet til å trekke til seg elektroner. metallatomene i gruppe 1 gi fra seg det eneste elektronet i det ytterste skallet til andre grunnstoffer. Metallionene som blir dannet, får edelgasstruktur, har en positiv ladning og er stabile. Grunnstoffene i gruppe 2 vil på tilsvarende måte gi fra seg de to elektronene i det ytterste skallet og danne stabile ioner med edelgasstruktur som har to positive ladninger. (Cappelen Damm forlag, 2009) +,-.// , //81.9.1:.3 $

5 3 Materiell og metode 3.1 Utstyr Du trenger: Gassbrenner, fyrstikker, vernebriller, reagensglass, stativ til reagensglass, treklype for å holde reagensglasset, destillert vann, bromtymolblått (BTB), kalsium og magnesium. 3.2 Fremgangsmåte Vi fylte et reagensglass halvt med vann og tilsatte BTB som indikator. Så tilsatte vi noen korn kalsium i reagensglasset. Vi noterte reaksjonen i reagensglasset og ved hjelp av en fyrstikk testet vi en hypotese om at gassen som blir dannet er hydrogengass. Deretter tok vi en bit magnesiumbånd som vi pussa med fint sandpapir for å få en ren overflate. Videre gjorde vi som i forsøket over, fylte vann og BTB i et reagensglass, la så magnesiumbiten ned i vannet og observerte eventuell reaksjon. Tilslutt varmet vi opp vannet med metallbiten nesten til kokepunktet og registrerte reaksjonen. %

6 I dette forsøket vil vi, hvis hypotesen stemmer, få en løsning som er basisk. Basiske løsninger er spesielt farlige å få på øynene, og derfor kreves det vernebriller. Øyevaskeflasker skal være tilgjengelige og brukes hvis uhellet er ute. Det er også en forutsetning at elevene har fått opplæring i bruk av gassbrenner. Fyrstikken må tennes før de åpner for gassen, og lufttilførselen reguleres til flammen er blå. Gul flamme er en indikasjon på ufullstendig forbrenning og den giftige gassen karbondioksid dannes. Når vi holder på med oppvarming av løsninger er det en fare for støtkoking. Ved oppvarming av bunnen på reagensglasset kan det dannes gassboble som utvider seg slik at veske skyves opp og ut av reagensglasset. Dette unngås ved å holde glasset på skrå over flammen samtidig som vi beveger litt på glasset (Hannisdal & Ringnes, 2011). &

7 4 Resultater(( 4.1 Kalsium reagerer med vann: Grunnstoffet kalsium er i gruppe 2 i periodesystemet. I reaksjonen mellom kalsium og vann er kalsiumatomene elektrongivere, mens H + er elektronmottaker. Vi kan skrive denne reaksjonslikningen: Ca(s) + H 2 O(l) Ca 2+ (l) + 2OH " (l) + H 2 (g) Kalsium gir fra seg to elektroner til vannmolekylene og vannmolekylene gir fra seg H + -ioner til andre vannmolekyler. Kalsiumionene, Ca 2+, som blir dannet i reaksjonen, har gitt fra seg to elektroner som befant seg i det ytterste skallet. BTB farget løsningen blå, løsningen er basisk. Det blir også dannet hydrogengass i reaksjonen, denne påviste vi ved å holde en fyrstikk over reagensrøret. Vi hørte et lite «bjeff» og det blafret i flammen på fyrstikken. 4.2 Magnesium reagerer med vann: Grunnstoffet magnesium er i gruppe 2 i periodesystemet. I reaksjonen mellom kalsium og vann er magnesiumatomene elektrongivere, mens H + er elektronmottaker. Vi kan skrive denne reaksjonslikningen: Mg(s) + H 2 O(l) Mg 2+ (l) + 2OH " (l) + H 2 (g) Beskrivelsen av resultatet for magnesium i vann er den samme som for kalsium, og indikatoren vår, BTB, gav et svakt blått utslag. Løsningen er basisk. Vi forsøkte ikke å påvise hydrogengass ved denne reaksjonen. '

8 5 Drøfting 5.1 Naturvitenskapelig drøfting I dette forsøket skulle vi blande to jordalkalimetaller med vann. Fordi alkalimetallene reagerer så lett med vann kan de ikke eksistere som metall i fri tilstand, og for eksempel natrium oppbevares derfor i parafin. Reaksjonen mellom natrium og vann er så kraftig at dette ikke anbefales som elevforsøk. Også jordalkalimetallene reagerer lett med vann og de finnes i naturen kun i forbindelser med andre stoffer (Hannisdal & Ringnes, 2011). Metallene i gruppe 1 og 2 vil når de blandes med vann gi en basisk løsning og utvikler hydrogengass H 2 (g). Kalsium reagerer med vann og danner kalsiumhydroksid og hydrogen. Reaksjonen er allikevel ikke så kraftig at den utvikler varme (Wikipedia, 2011a). Magnesium i perioden over kalsium vil ikke reagere så lett med vann, og vannet må være kokende for at det skal dannes hydrogengass og en basisk løsning. Når magnesium oksyderer dannes et beskyttende og ugjennomtrengelig oksidsjikt som beskytter mot videre korrosjon (Wikipedia, 2011b). Nedenfor er reaksjonslikningene til kalsium og magnesium i vann. )*+,-./"0+1-2)* ". +1-."0/ /"+4- Mg(s) + H 2 O(l) Mg 2+ (l) + 2OH " (l) + H 2 (g) Det som skjer er at H + -ionene tar opp ett elektron hver og danner Hydrogen-atomer som bindes sammen to og to i elektronparbinding til hydrogengassmolekyler, H 2. Av reaksjonslikningen ser vi at løsningen vil få økt sin konsentrasjon av OH " -ioner. I basiske løsninger øker konsentrasjonen av OH ioner som gjør at indikatoren vår, BTB, gir blått utslag. Magnesium er på grunn av sin evne til å danne et beskyttende oksidsjikt et attraktivt bruksmetall, som anvendes i alt fra blyantspissere til racerbiler (Hannisdal & Ringnes, 2011). Ved hjelp av elektrolyse utvinnes kan magnesium utvinnes fra sjøvann og havsaltsalt (Wikipedia, 2011b). Metallene fra kalsium og nedover i gruppe 2 reagerer så lett med vann at de ikke er egnet som bruksmetaller (Hannisdal & Ringnes, 2011). (

9 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting Kompetansemålene for ungdomstrinnet forutsetter at elevene skal kunne forutsi egenskapene til forbindelser som dannes når grunnstoffer reagerer med hverandre (Hannisdal & Ringnes, 2011). Hensikten med dette forsøket var som beskrevet over å sammenligne reaksjonen mellom vann og to jordalkalimetaller som står rett under hverandre i periodesystemet. Forsøket kan brukes for å synliggjøre det at stoffene i periodesystemet er mer reaktive nedover i periodene for kjemiske stoffer i samme gruppe. Her kan elevene knytte det de observerer på makronivå, med skriving av formler og reaksjonslikninger på mikronivå. I læreboka Kjemi for lærere omtales stoffer på makronivået som for eksempel lukt, fargeforandring, gassdannelse altså som noe vi enkelt kan observere gjennom sansene. Stoffer på mikronivået handler om det som skjer med molekyler, atomer og ioner det som ikke kan observeres gjennom et vanlig lysmikroskop. Som kjemikere arbeider vi på makronivået, men forklarer på mikronivået. I tillegg til disse to dimensjonene er også kjemispråket en viktig del av kjemifaget. Språket er universelt og består av spesielle formler, navn og symboler. Det må derfor læres omtrent som et fremmedspråk (Hannisdal & Ringnes, 2011). Hvordan kan vi begrunne kjemi i naturfagene? Kan vi bruke et nytteargument for kjemi i forhold til spørsmål som: Hva kan vi bruke dette til og har vi nytte av dette senere? Sjøberg (2009) peker på nettopp nytteargumentet som fremtredende i diskusjonen om skolens innhold og oppgaver gjennom de siste tiår. Spesielt overfor naturfagene har nytteargumentet vært rådende for å legitimerer fagets plass. Et annet perspektiv er å se kunnskap som mål i seg selv (dannelsesargumentet). Her blir refleksjon, erkjennelse innsikt og forståelse sett på som nødvendig for å kunne ha et meningsfullt liv (Sjøberg 2009). De siste års fokus på miljø og klimaendringer er en indikator på at tanken om naturen som noe som vi mennesker kan utnytte uten at det får konsekvenser for vår egen eksistens er på vikende front. Dette må igjen føre til at kunnskap om de prosesser som foregår naturen og konsekvenser av mennesker inngripen får hovedfokus i fremtidens diskusjon om naturfagets plass. Her kommer kunnskaper i kjemi inn som vesentlig for bedre å kunne forstå fagene biologi, fysikk og teknologi. For naturfaglæreren er utfordringen å få elevene til å forstå, det som også mange voksne ikke forstår, at stoffene i et kretsløp ikke blir borte, men at de bare flyttes fra et sted til et annet 5

10 (Hannisdal & Ringnes, 2011). Når vi brenner miljøgiftig avfall, så vil dette ikke brenne opp og bli borte. Stoffene inngår i en kjemisk forbindelse med oksygen i lufta slik at vi bare får en omgruppering av atomer og molekyler. Gjennom lufta forflytter miljøgifter seg ukontrollert. Her vil vi som lærere møte elevenes hverdagsforestillinger som er internalisert gjennom oppveksten. Hverdagsforestillinger er forestillinger som vi mennesker utvikler for å forstå virkeligheten (Sjøberg 2001). Disse forestillingene baserer seg å det vi kan se og observere på makronivå. Gjennom kjemiforsøk kan vi synliggjøre det som skjer på mikronivå for elevene. Her er det viktig at vi tar utgangspunkt i elevenes forkunnskaper og erfaringer fra tidligere, og tilpasser læringsarbeidet deretter. Noe forestillinger er det nødvendig å kvitte seg med, men det er eleven selv som skal erverve seg ny erkjennelse og innsikt (Sjøberg 2001). Kjemifaget er hierarkisk bygd opp, slik at læring må bygge på det som elevene tidligere har lært. Grunnleggende kjemibegreper må derfor læres systematisk (Hannisdal & Ringnes, 2011). Forsøk har en fremtredende plass i forhold til forståelse i kjemifaget. Gjennom forsøk kan elevene erfare en sammenheng mellom teori og virkelighet. Også gjennom læreplanens kompetansemål (se innledning) forutsettes det til at elevene gjennomfører forsøk. Hannisdal og Ringnes (2011) peker på at elevene bør gjøre erfaringer med de stoffene de lærer om i teorien. Videre peker de på nødvendigheten av å øve praktiske ferdigheter for å kunne gjøre undersøkelser i kjemi. Det er viktig å lære seg bruk av vanlig kjemiutstyr, men samtidig bør elevene lære å ta i bruk dagligdags utstyr og vanlige kjemikaler som vi finner hjemme på kjøkkenet. Aktiviteten som vi har beskrevet over kalles ofte et kokebokforsøk. Slike forsøk kan være nyttig når elevene skal trene på behandling av utstyr og stoffer, lære spesielle arbeidsteknikker eller observere spesielle reaksjoner (Hannisdal & Ringnes 2011: 42). Gjennom observasjon av det som skjer i reagensglasset samt påvisning av den usynlige hydrogengassen kan elevene selv erfare den kjemiske prosessen og knytte observasjonene opp mot teori. Når de erfarer at magnesium, i motsetning til kalsium, trenger å tilføres varme for å reagere med vann, ser de også dette i forhold til stoffenes reaksjonsmønster i det periodiske system. Dermed kan de bygge videre på denne forståelsen i forhold til teoretiske løsninger av lignende problemstillinger. Gjennom rapportskriving kan elevene reflektere videre rundt praktiske og teoretiske forhold knyttet til forsøket. Gjennom å komme frem til en konklusjon basert på egne observasjoner av forsøket får de et eierforhold til den kunnskapen de har ervervet seg, og kan kanskje lettere kvitte seg med innarbeidede misoppfatninger. I 67

11 forbindelse med slike elevforsøk er det viktig å ta en oppsummerende gjennomgang i plenum. Her kan forskjellige tolkninger, uklarheter og misforståelser drøftes. Læreren skal være den som både setter i gang og avslutter undervisningsøkten. 6 Konklusjon Vi har i dette forsøket vist at de to jordalalimetallene kalsium og magnesium som står rett under hverandre i gruppe 2 i periodesystemet reagerer ulikt når de kommer i kontakt med vann. Vi har også påvist at det dannes hydrogengass i reaksjonen mellom kalsium og vann. Dette forsøket kan egne seg for ungdomstrinnet, men vi må her ta utgangspunkt i elevenes forkunnskaper. Det er viktig at forsøket knyttes opp mot det periodiske system og aktuell teori. Gjennom denne aktiviteten lærer de om hvordan man omgås noen stoffer som er vanlige å bruke i naturfagforsøk. Aktiviteten kalsium og magnesium i vann, samt liknende forsøk, kan utfordre elevenes hverdagsforestillinger på en fin måte. For å fange elevenes interesse kan vi som demonstrasjonsforsøk vise reaksjonen mellom natrium og vann. Vi har i dette forsøket også benyttet utsyr og fremgangsmåter som er typisk for kjemilaben. Dette anser vi som nyttig for at elevene skal venne seg til å bruke vanlig kjemiutstyr. 7 Litteraturliste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

12 6"