Kjemi språk og reaksjoner

Transkript

1 Kjemi språk og reaksjoner Oppgave 3 NAT 261 H-2018 Gruppe 7: Grethe Dagestad Leiv Holtskog Thomas Veggeland Kristin Brennhaug 1

2 Innhold Kjemi språk og reaksjoner Innledning Formål med undervisningen Beskrivelse av undervisningsaktiviteten Vurdering Bakgrunn for valg av arbeidsmåter Evaluering av undervisningen Kilder Vedlegg Vedlegg 1. A. En elevøvelse om løselighet og felling Vedlegg 2. B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer Vedlegg 3. Eksempel fra utfylling av skjema fra øvelse A Vedlegg 4. Eksempel på resultater fra øvelse A Vedlegg 5. Eksempel på utfylling av rapport fra øvelse B

3 1. Innledning Kjemi er den grenen av naturvitenskapen som har med stoffene og deres oppbygning, egenskaper og reaksjoner å gjøre. Ved eksperimentering med stoffer i laboratoriet, beskrives det som observeres på makronivå og forklares på mikronivå. I tillegg blir funnene presentert i form av kjemiske formler og symboler. Lærere betrakter gjerne stoffene og deres egenskaper og reaksjoner i alle tre dimensjoner samtidig, mens elevene ikke nødvendigvis ser denne koblingen mellom dimensjonene like lett. Det er viktig at vi som lærere er bevisst dette og hjelper elevene ved at vi presiserer hvilket nivå vi er på. For elevene kan kjemi fremstå som et fremmedspråk, ved at de må lære seg flere regler for navnsetting og for å sette sammen formler. Hvert stoff har sin formel og sitt navn - gitt ved systematisk bruk av et sett med regler (Vivi Ringnes, 1996). Det kan være mange fremmedord for elevene, og disse er det viktig at vi prøver å forklare i undervisningen. Kjemi er i stor grad en erfaringsvitenskap og dette bør gjenspeiles i kjemiundervisningen med mye praktisk arbeid. Tradisjonelle kjemiforsøk setter en rekke krav og elevene må holde rede på mye informasjon på en gang. De må lese fremgangsmåten og navn på kjemikalier og utstyr, samt trekke inn relevant teori og finne ut hvordan de skal anvende utstyret. Samtidig kan det være at læreren gir tilleggsinformasjon om gjennomføringen av forsøket, og at medelever kommenterer forsøket og andre forhold som kan være irrelevante. Visst det er for mye støy, kan det føre til at elevene bare følger fremgangsmåten uten å reflektere over sammenhengene. I så tilfelle vil de miste oversikt over arbeidet og få et lite læringsutbytte (Ringnes og Hannisdal, 2006). Kjemiaktiviteter kan klassifiseres ut fra massen som brukes av et stoff. Det har blitt vanlig å arbeide med små mengder av stoffene, noe som i praksis betyr at massen av et stoff og volumet av en løsning reduseres. Elevene kan like godt observere det som skjer i et forsøk ved å bruke små mengder av stoffene. Bruk av små mengder av stoff har flere fordeler, som lavere kostnader, mindre mengder avfall/ mindre forurensing, raskere gjennomføring av forsøket og økt sikkerhet. 3

4 2. Formål med undervisningen I undervisningen som skal gjennomføres vil vi ta utgangspunkt i følgende kompetansemål i kjemi 1 innenfor temaene: Språk og modeller i kjemi: Mål for opplæringen er at eleven skal kunne forklare, illustrere og vurdere stoffers sammensetning, bindingstyper og egenskaper ved hjelp av periodesystemet sette navn på enkle uorganiske forbindelser ved hjelp av regler for navnsetting sette opp reaksjonslikninger med tilstandssymboler og bruke reaksjonslikninger i beregninger med stoffmengde Vannkjemi Mål for opplæringen er at eleven skal kunne vurdere løselighet og felling av salter i vann på grunnlag av forsøk og beregninger Fokus i undervisningsaktiviteten som blir presentert her vil være på å observere hva som skjer i to typer kjemiske reaksjoner i praksis og kunne beskrive det med reaksjonsligninger. Mer spesifikt vil læringsmålene for økten være: 1. Å observere fellingsreaksjoner ved blanding av blanke løsninger som sammen gir bunnfall 2. Å skrive fellingsreaksjonene 3. Å observere en redoksreaksjon og skrive reaksjonsligningen for det som skjer. Vi vil vektlegge at elevene skal være aktive i egen læringsprosess og legger opp til elevaktive arbeidsmetoder, der de bl.a. selv skal blande stoffer, slik at det skjer kjemiske reaksjoner. Elevforutsetninger Undervisningen er laget for elever på studiespesialiserende retning på VG2. Disse er i alderen år og har valgt kjemi som ett av sine programfag. Ofte har de matematikk, fysikk og biologi som programfag i tillegg. Selv om elevene har valgt faget kjemi, kan disse elevgruppene likevel være en blanding av elever med forskjellig motivasjon, ulik faglig styrke og ulik etnisk bakgrunn. Det siste kan føre til språklige utfordringer når norsk språk oppleves vanskelig i tillegg til at kjemispråket er krevende og nytt for denne aldersgruppen generelt. 4

5 3. Beskrivelse av undervisningsaktiviteten Opplegget er planlagt for to skoletimer og er delt i to: A. En elevøvelse om løselighet og felling B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer Elevene jobber sammen to og to under disse elevøvelsene, og de får en skoletime til hver del. A. En elevøvelse om løselighet og felling Elevene er kjent med løselighet for salter og utfelling av bunnfall, dersom vi blander ioner som sammen gir tungtløselige eller uløselige salt. De skal også ha tilgang til løselighetstabell, f.eks. «Gyldendals tabeller og formler i kjemi», (Bjørn Gunnar Steen, 2010). Her kan de se hvilke salter som kan bli utfelt, når de blander en dråpe av hvert stoff. I økt A. skal de blande en dråpe av to flytende væsker og observere hva som skjer. På forhånd skal de tenke gjennom hva som kommer til å skje, ut fra løselighetstabellen. Så skal de skrive opp reaksjonen som skjer, der det blir en utfelling. Utfellingene kan vises som fargeforandring eller «blakking» av løsningene. Elevene kan velge hvilke stoffer de vil blande, og de kan derfor ut fra løselighetstabellen velge stoffer som sammen gir salter med farger som rød, gul, grønn, rosa og rødbrun. Dette kan være litt mer spennende enn bare hvitt bunnfall. Se vedlegg 1 med beskrivelse til elevene, ark å legge dråpene på og skjema til å fylle ut. Arkene med de hvite og grå firkantene legges inn i en plastlomme, slik at dråpene kan legges på plastikken og ikke ødelegge papirarket. Arkene med underlag til øvelsen deles ut til elevene i starten av timen og legges ut til elevene på ItsLearning, slik at de kan fylle ut på PC etter at notater er gjort for hånd underveis. Tilgjengelige løsninger til bruk i øvelsen, alle fortynnede løsninger, ca 1 M: Natriumhydroksid NaOH Kobbersulfat CuSO 4 Bariumnitrat Ba(NO 3) 2 Nikkelsulfat Ni SO 4 Sølvnitrat AgNO 3 Saltsyre HCl Kaliumkromat K 2CrO 4 Jern(III)klorid FeCl 3 Blynitrat Pb(NO 3) 2 Blyacetat Pb(CH 3COO) 2 5

6 B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer I denne elevøvelsen skal elevene observere en reaksjon som skjer mellom jern i stålull og kobbersulfat. Reaksjonen er en redoksreaksjon og ikke en fellingsreaksjon som i forrige øvelse. Elevene er kjent med redoksreaksjoner og spenningsrekka fra naturfag på VG1, men de vil her få en liten repetisjon av dette, for å forstå hvorfor reaksjonen skjer. Det som er hensikten med elevøvelsen er å observere en kjemisk reaksjon og øve på å sette opp en reaksjonsligning ut fra det som observeres. I tillegg skal det gjøres regneoppgaver basert på den aktuelle reaksjonsligningen. Se Vedlegg 2. med beskrivelse til elevene, som også er en mal for rapporten de skal skrive. Denne legges også ut på ItsLearning. 6

7 4. Vurdering Elevene skal skrive rapport i hvert forsøk og levere inn. De kan jobbe sammen, men levere hver sine rapporter, på ItsLearning. Disse brukes som grunnlag under en evt muntlig eksamen til våren. I første elevøvelsen skal elevene ikke skrive en fullstendig rapport, men bare en oversikt over reaksjonsligningene der det skjedde en utfelling. De fyller ut skjemaet som fulgte elevøvelsen, slik at det kommer frem hvilke løsninger de blandet og hva som ble resultatet. Det er viktig å få med balanserte reaksjonsligninger, slik at ladning på ionene kommer frem, samt saltene sine symboler. Se vedlegg 3 med eksempel fra gjennomføringen. De fleste elevene fylte ut skjemaet for hånd og sendte det inn på ItsLearning etter scanning. Den andre elevøvelsen har en utfyllingsrapport vedlagt, som bare er å fylle ut med resultater og skrive en konklusjon. Det skal også gjøres en utregning som det er viktig at elevene får med seg og forstår. I tillegg blir elevene vurdert underveis i elevøvelsene, hvordan de oppfører seg på laboratoriet, hvilke vurderinger de gjør og hvor mye hjelp de trenger til å skrive reaksjonsligninger. Dette teller med i en helhetsvurdering når det skal settes karakter i faget. Vurderingene er OK-, OK og OK+ som gis på rapporten på ItsLearning, som en helhetsvurdering av hver elevøvelse. 7

8 5. Bakgrunn for valg av arbeidsmåter Elevene jobber sammen to og to under disse elevøvelsene. Da kan de diskutere sammen underveis og gjøre vurderinger sammen. De får en skoletime til hver elevøvelse. Skoletimene er på 60 minutter, så det skal være nok tid. A. En elevøvelse om løselighet og felling Ved å la elevene velge hvilke stoffer de blander i stedet for å følge en fast oppskrift, må de tenke litt gjennom hva som vil skje og de kan forsøke å finne de fine utfellingene med de flotteste fargene. Det vil jo variere hvor mye elevene engasjerer seg i denne muligheten, men for noen elever vil dette være svært motiverende, at de får lov til å bestemme selv. Bruk av dråper på ark og ikke mengder i begerglass fører til mye mindre kjemikaliebruk enn bruk av begerglass eller reagensrør, der elevene ofte bruker mer enn nødvendig. Bruk av firkanter med grått og hvitt felt gjør det lettere å se utfelling av tungtløselige salt. Saltene som er hvite, vises best på den grå flaten, mens fargede utfellinger vises best på det hvite. Dersom elevene skal skrive fullstendige rapporter, går det mye tid til rapporten og uvesentlige detaljer, i stedet for å ha fokus på det som skjer i forsøket og resultatene der. B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer Bruk av stålull og kobbersulfat er en enkel måte å se reaksjonen mellom jern (Fe) og kobberioner (Cu 2+ ). Vanligvis må jernbiter pusses for å få reaksjon med kobberioner, så stålull er lettere å få til å reagere. En av hensiktene med elevøvelsen er å gjøre aktuelle beregninger ut fra et konkret eksempel. Beregningene gjøres på tavla, slik at alle får med seg riktig utregning i rapporten sin. Konklusjonen skal de skrive selv, og ofte er det her det kommer frem om elevene har forstått elevøvelsen og om de greier å formulere med egne ord hva de har gjort. 8

9 6. Evaluering av undervisningen Elevene fikk komme med tilbakemelding etter timene, der de fikk beskrive hva de lærte av disse to timene og de to elevøvelsene. Vi satte også av litt tid til diskusjon av tilbakemeldingene for å kunne bruke dette til å forbedre undervisningsopplegget til neste gang. Videre hadde det vært interessant om elevene kom med noen tips til økt motivasjon. Det var også et håp om at elevene ville komme med forslag til eksperimenter som er praktisk rettet mot det virkelige liv. Dette kan f.eks. være å observere hvordan en offeranode blir redusert på en båtmotor til en av elevene. Ofte viser det seg at dette er vanskelig for elevene å vurdere. De kan ha fokus på lærestoffet i timene, men er ikke flinke til å sette dette inn i andre sammenhenger. På skriftlig eksamen i Kjemi 2 på VG3 er det gjerne oppgaver fra det virkelige liv, der elevene skal bruke sine kunnskaper etter 2 år med kjemi og vurdere hvordan kunnskapen skal brukes. Dette er ikke enkelt, men de nye læreplanene som kommer, vil fremme slik læring og ha mer fokus på dette. A. En elevøvelse om løselighet og felling Det var tydelig at elevene likte det å ikke måtte følge en detaljert oppskrift. Elevene uttrykte at de var fornøyd med å kunne velge selv hvilke løsninger de skulle blande. De syns det var lærerikt å bruke løselighetstabellen på denne måten, slik at de lærte seg å se hvilke opplysninger de kan finne i tabellen. Det ble opplevd nyttig å kunne sjekke i løselighetstabellen først, hva som skulle skje ved blanding, og deretter blande og sjekke at det stemte. Vedlegg 4 viser et eksempel på resultatene de fikk, med utfelte salter med ulike farger. Elever liker å ta bilder av det som skjer, så det er fokus på ryddighet og orden, slik at bildene blir bra. B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer Elevene fant det interessant å kunne se en reaksjon så konkret, som når stålull løser seg opp i kobbersulfat fordi jern blir oksidert til ioner i løsningen og kobberionene blir redusert til rent kobber. Det var lett å se det rødbrune kobberet bli utfelt på stålullen. Først ble det brukt en svak kobbersulfatløsning, der det var vanskelig å se at det skjedde en reaksjon, så det ble tatt frem en kobbersulfatløsning med høyere konsentrasjon, slik at det var lettere å se reaksjonen. En av hensiktene med elevøvelsen er å gjøre aktuelle beregninger ut fra et konkret eksempel. En forbedring kunne vært å gjøre en øvelse der vi veier et stoff før og etter reaksjonen og gjør beregninger som bekrefter resultatet av veiingen. 9

10 7. Kilder Vivi Ringnes (1996), hentet fra: Ringnes V. og Hannisdal M. (2006). Kjemi fagdidaktikk. Høyskoleforlaget. Utdanningsdirektoratet. Kompetansemål i kjemi1. Hentet fra: Bjørn Gunnar Steen (2010). Gyldendals tabeller og formler i kjemi. Kjemi1 og Kjemi2. Gyldendal undervisning. 10

11 Vedlegg 1. Utdelte ark til øvelse A. En elevøvelse om løselighet og felling 2. Utdelte ark til øvelse B. En kjemisk reaksjon med observerbare endringer 3. Eksempel fra utfylling av skjema fra øvelse A. 4. Eksempel på resultater fra øvelse A 5. Eksempel på utfylling av rapport fra øvelse B. 11

12 Vedlegg 1. A. En elevøvelse om løselighet og felling Løseligheten til et stoff er et mål på den maksimale massen av stoffet som kan løses i en viss mengde av et løsemiddel ved en gitt temperatur. Løselighet i vann For salters løselighet i vann skiller vi mellom lett løselige, tungt løselige og uløselige salter. Til skolebruk kan vi som regel slå sammen de to siste gruppene, slik at vi bare skiller mellom lett løselige og «uløselige» salter. Tabellen under gir en oversikt over løseligheten til noen vanlige ioneforbindelser i vann. Løselige Uløselige Alle forbindelser som inneholder Na +, K + + -, NH 4 og NO 3 De fleste klorider, Cl - AgCl, PbCl 2 2- De fleste sulfater, SO 4 PbSO 4, BaSO 4, CaSO 4 Na 2CO 3, K 2CO 3, (NH 4) 2CO 3 2- De fleste karbonater, CO 3 NaOH, KOH, NH 4OH De fleste hydroksider, OH - Fellingsreaksjoner Dersom vi blander sammen løsninger som inneholder lettløselige salter, kan vi få en utfelling dersom løsningene inneholder ioner som til sammen kan danne et uløselig salt. Et eksempel er vist på bildet til venstre. Løsninger av kaliumjodid (KI) og blynitrat (Pb(NO 3) 2) blandes i et begerglass. Vi får utfelling av gult blyjodid (PbI 2). 2KI(aq) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq) Netto ionelikning: Pb 2+ (aq) + 2I (aq) PbI 2 (s) 12

13 I denne øvelsen skal du dryppe ulike løsninger på de markerte firkantene. Prøv å treffe sånn at dråpen din blir liggende delvis på hvitt og delvis på grått felt. Utprøving: Prøv selv med løsningene som er satt frem og skriv i tabellen hva dere forventer og hva som skjer. 13

14 Fyll ut tabellen med de testene du har gjort. Skriv først hva dere forventer ut fra løselighetstabellen og deretter hva dere observerer. Skriv netto ioneligning der det skjer en utfelling. Saltløsninger NaOH CuSO 4 NaOH CuSO 4 14

15 Vedlegg 2. B. En elevøvelse om kjemisk reaksjon med observerbare endringer Problemstilling Hva er de observerbare tegnene på at det skjer en kjemisk reaksjon mellom jern og kobber(ii)sulfatløsning? Hvordan kan reaksjonen beskrives med en netto ioneligning? UTSTYR Fellesutstyr 0,1 M CuSO 4, kobber(ii)sulfatløsning stålull uten såpe (Fe) Utstyr for gruppen lite begerglass/plastbeger Fremgangsmåte og observasjoner 1) Beskriv de utleverte stoffene. 2) Putt litt stålull ned i noen milliliter av kobber(ii)sulfatløsningen. Beskriv det du observerer etter noen minutter. Resultater og spørsmål a) Hvilke observasjoner gjorde du som tyder på at det har skjedd en kjemisk reaksjon? b) Hva er utgangsstoffene i reaksjonen? c) Skriv netto ioneligning med tilstandssymboler for reaksjonen. d) Skriv en balansert totalligning og før opp navn og farger for stoffene under formlene. e) Regn ut hvor mange gram jern vi trenger for å fjerne alle Cu 2+ -ionene fra 10 ml av 0,1 M CuSO 4. Konklusjon 15

16 Vedlegg 3. Eksempel fra utfylling av skjema fra øvelse A. 16

17 Vedlegg 4. Eksempel på resultater fra øvelse A 17

18 Vedlegg 5. Eksempel på utfylling av rapport fra øvelse B Kjemisk reaksjon med observerbare endringer og netto ioneligning Dato: Problemstilling: Hva er de observerbare tegnene på at det skjer en kjemisk reaksjon mellom jern og kobber(ii)sulfatløsning? Hvordan kan reaksjonen beskrives med en netto ioneligning? Utstyr: Fellesutstyr: - 0,1M CuSO4, kobber(ii)sulfatløsning - Stålull uten såpe (Fe) Utstyr for gruppen: - Lite begerglass/plastbeger Fremgangsmåte og observasjoner: 1) CuSO4 en lyseblå/turkis løsning Stålull mørkegrå, myk. Ligner på en grov bomull 2) Når stålullen har lagt i løsningen i noen minutter ser vi at stålullen løser seg opp og endrer farge til rødbrun. Kobber(II)sulfatløsningen mister litt av fargen sin. Resultater og spørsmål: a) Observasjoner som tyder på at det skjer en kjemisk reaksjon er at stålullen smuldrer opp, det blir et rødbrunt lag i bunnen. Væsken får mindre farge. b) Utgangsstoffene i reaksjonen er CuSO4 og Fe(s) c) Nettoioneligning: Fe(s) + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu(s) d) Fe(s) + CuSO4(aq) FeSO4(aq) + Cu(s) Jern + Kobbersulfat Jern(II)sulfat + Kobber Grått metall + Blå løsning Fargeløs løsning + Rødbrunt metall e) 10mL 0,1M CuSO4 0,01L * 0,1mol/L = 0,001mol CuSO4 Da må vi ha 0,001mol Fe(s) stålull 0,001mol Fe * 55,85g/mol = 0,05585g Fe. Vi må ha 0,05585g jern for å fjerne alle Cu 2+ -ionene. 18

19 Konklusjon: Vi har hatt en redoksreaksjon som vi satt opp en ligning for når stålullen blander seg med CuSO4 løsningen. Når vi puttet stålullen i CuSO4, mistet løsningen fargen, og stålullen løste seg opp og endret farge fordi jernet i stålullen oksiderte i CuSO4. 19