Lærerveiledning Passer for: Varighet: Vannviktig! Vg1 Vg3 120 minutter Vannviktig! er et program hvor elevene lærer om ferskvann som ressurs. Elevene utfordres til å tenke på ferskvann som en fornybar ressurs, og lærer om hvilke krav vi stiller til ferskvann som drikkevann og til annet bruk. De må også ta stilling til utfordringer når det gjelder rensing av vann til drikkevann og fornuftig bruk av gråvann. Elevene får gjøre forsøk hvor de skal rense vann på ulike måter. Det beste er at elever og lærere er forberedt når de kommer på INSPIRIA science center. Lærerveiledningen inneholder viktig informasjon om skoleprogrammet, og det er derfor fint om den blir lest i god tid før besøket. Vi ønsker at lærerne skal få en best mulig opplevelse og læringsutbytte av å ta med klasser til senteret. Vi oppfordrer til aktivt å ta del i opplegget sammen med elevene. Skoletilbudet til INSPIRIA science center er ment å være en integrert del av opplæringen. Ved å utføre for- og etterarbeid til programmet vil elevenes læringsutbytte økes, og lærerne vil kunne benytte aktivitetene som et verktøy til å nå konkrete mål i kunnskapsløftet. 1
Hovedområder og kompetansemål fra kunnskapsløftet: Naturfag Bærekraftig utvikling Gjøre greie for hvordan det internasjonale samfunnet arbeider med globale miljøutfordringer Vurdere miljøaspekter ved forbruksvalg, avfallshåndtering og energibruk Energi for fremtiden Forklare hva redoksreaksjoner er, gjøre forsøk med forbrenning, galvanisk element og elektrolyse og gjøre greie for resultatene Beskrive virkemåten og bruksområdet til noen vanlige ladbare og ikke-ladbare batterier og til brenselceller Biologi 1 Cellebiologi Gjøre greie for oppbyggingen og formeringen til bakterier og virus, og relatere det til prosesser i natur, industri og helsefaglig sammenheng Kjemi 1 Vannkjemi Gjøre rede for vannets egenskaper Gjøre rede for vann som løsemiddel for polare og upolare stoffer Gjennomføre forsøk med renseprosesser for vann og gjøre rede for forurensning i drikkevannskilder Kjemi 2 Forskning Finne frem til og presentere eksempler på aktuell kjemirelatert forskning innen miljø og industri Analyse Planlegge og gjennomføre enkle vannanalyser, og vurdere analyseresultatene i forhold til vannets bruksområde Redoksreaksjoner Gjøre forsøk med elektrokjemiske celler og gjøre rede for spontane og ikke-spontane redoksreaksjoner Beregne kapasiteten og cellepotensialet til et batteri og utbyttet i en elektrolyse Geofag 1 Geoforskning Kartlegge hydrologiske forhold og drøfte tilgang på ferskvann i et valgt område Geofag 2 Georessurser Drøfte problemer knyttet til ferskvann som ressurs i globalt perspektiv Gjøre rede for betydningen av vann som energikilde og illustrere energimengde med regneeksempler 2
Forarbeid Før besøket på INSPIRIA science center skal elevene ha utført enkelte aktiviteter og ha kjennskap til en del begreper knyttet til skoleprogrammet. Nedenfor følger aktivitetene og begrepene. Aktiviteter 1. Vann som løsemiddel Hva kan vi løse i vann? Elevene gjør forsøk med vann som løsemiddel. Utstyr: Salt (forskjellige salter av natrium, kobber etc.) Glukose Mel Potetmel Konsentrert eddik (35%) Olje Jod til påvisning av løst stivelse Fehlings væske til påvisning av glukose Indikatorpapir Begerglass Målesylindre Gramvekt Vann (Trakt og filtrerpapir derom man ønsker nøyaktig løselighet) Forsøket kan tilrettelegges ut fra hvilke elever man har med å gjøre. For elever som tar kjemi 1, bør man legge vekt på nøyaktig utveiing, nøyaktighet i måling, utregninger/molaritet og utførelse. For elever som har naturfag kan man fokusere mer på relativ løselighet og egenskaper for stoffene som løses. Se på hvor stoffene i ioneforbindelser hører hjemme i periodesystemet, og se etter generelle regler for løselighet av salter basert på ionene i saltene. 3
Først undersøkes løseligheten til stoffene. For hvert stoff utføres følgende: Mål opp 50 ml vann Vei opp 50 g av stoffet som skal løses i vannet Tilsett stoffet som skal løses en teskje av gangen, og rør til alt er løst mellom hver tilsetning Når det ikke lenger er mulig å løse mer stoff, veies det resterende stoffet For nøyaktig løselighet tilsettes ørsmå mengder av gangen når det begynner å bli vanskelig å løse stoff mellom hver tilsetting. Løseligheten kan regnes slik: Løselighet = antall gram løst stoff/antall ml løsemiddel (vann). Dersom det ikke lar seg gjøre å løse en teskje av et stoff i 50 ml vann, utføres en test med en spatelspiss stoff i 50 ml vann. Dersom stoffet lar seg løse i svært små mengder, sier vi at stoffet er tungtløselig. Det kreves en veldig nøyaktig vekt om man skal regne løseligheten for slike stoffer. Dersom stoffet ikke lar seg løse, sier vi at stoffet er uløselig. Hvilke fellestrekk har løselige og uløselige stoffer? Hvordan kan man påvise at et stoff er løst i vannet? (Påvisning: Indikatorer til syrer, jod til stivelse, Fehlings væske, farge (Kobber, kobolt, jernforbindelser, elektrolyseprodukter). 4
2. Elektrolyse Utstyr: Forskjellige salter (Eks: NaCl, CuSO 4, KCl) Begerglass Vann Batteri/ strømforsyning Lampe som viser at det går strøm over elektrodene Ledninger Karbonelektroder / alternativt andre elektroder Elektrolyse bør skje i avtrekkskap. Flere salter avgir giftige gasser ved elektrolyse. Koble ledningene til batteriet, lampen og elektrodene, som vist på tegningen. Plasser elektrodene i løsningen og observer hva som skjer. Dersom saltene som er nevn er brukt, kan man bruke indikatorpapir for å undersøke hva som har skjedd med ph i løsningen når elektrolysen har gått en stund. Klarer eleven å forklare dette? Forklar hva som skjer ut fra kunnskap om ioner og elektronutveksling. Hvilke praktiske anvendelsesområder har elektrolyse? 5
Bakgrunnsinformasjon og begreper Gråvann - er avløpsvann fra vask, dusj og vaskemaskin. Håndtering av gråvann skjer oftest ved avløpsløsninger for husholdning og industri hvor avløpsvannet er separert i to utløp: gråvann og svartvann (fra toalett). Metoden kalles i denne sammenheng kildeseparering, og benyttes i kombinasjon med renseanlegg for gråvann og egen håndtering av svartvann. Renseløsninger - De vanligste renseløsningene for gråvann er biofilter med slamavskiller og komprimert infiltrasjon, infiltrasjon direkte i elva/bekken/sjøen og i konstruert våtmark og slamavskilling før utslipp. I kombinasjon med vakuumtoalett kan bruk av gråvann gi betydelige vannbesparelser og er svært effektiv til resirkulering av vann. Å splitte gråvann fra svartvann og annet kommunalt avløpsvann bidrar til effektiv reduksjon og en optimal gjenbruk av gråvann. Avløpsvann blir i denne sammenheng omgjort fra å være et stort samfunnsproblem til en verdifull vannreserve. Infiltrasjon - er prosessen som foregår når vannet trenger ned i jorda gjennom jordoverflata. Når jordas evne til å ta imot vannet overskrides, vil vannet samles og renne vekk på overflaten. Den totale vannmengden på jordkloden anslås til å være ca. 1 384 120 000 km 3. Mesteparten av dette finnes i havet, ca. 97,2 %. Resten, ca. 2,8 % er ferskvann. 2,15 % av dette finnes i frossen tilstand som breer og innlandsis, 0,63 % befinner seg under bakkenivå som grunnvann. Bare 0,02 % befinner seg i vassdrag, elver og innsjøer, og ikke mer enn 0,001 % som vanndamp i atmosfæren. UNESCOs internasjonale vannforskningsprogram og deres World Water Development Report (2003) anslår at verden i løpet av de neste 20 årene står foran en mangel på drikkevann uten sidestykke i historien. Mengden av allment tilgjengelig, brukbart vann antas å minske med 30 % prosent i denne perioden. Årsakene er forurensning, global oppvarming og politiske stridigheter. 40 prosent av verdens befolkning har for lite vann til et minimum av hygieniske formål. Mer enn 2,2 millioner mennesker døde av sykdommer knyttet til inntak av forurenset vann i år 2000. Polare bindinger Bindinger der elektronskyen er fordelt slik at atomene i molekylet får litt forskjell i ladning molekylet får en negativ og en positiv side. Upolare bindinger Bindinger der elektronskyen er fordelt slik at ladningen er jevnt fordelt over molekylet, ingen forskjell i ladning mellom atomene. Ioner i polare løsemidler løsninger som består av polare molekyler, som vann, løser ionegitrene til salter fordi de ladede endene av løsemiddelmolekylene (vann) tiltrekker seg de motsatt ladede ionene. 6
Løselighet egenskap hos fast stoff. Hvor stor masse av stoffet som kan løses i et volum av et løsemiddel. Oppgis i g/ml eller kg/l. For tungt løselige stoffer kan enheten være mg/l eller liknende. Fellingsreaksjoner reaksjoner der to lettløselige stoffer reagerer og danner tungtløselige eller uløselige forbindelser. De tungtløselige forbindelsene felles ut i løsningen som bunnfall. Redoksreaksjoner reaksjoner der den ene reaktanten reduseres, det vil si mottar ett eller flere elektroner, og den andre oksideres, det vil si avgir ett eller flere elektroner. Redoksreaksjoner er viktige der strøm produseres etter kjemiske prinsipper, for eksempel i konstruksjon av batterier og galvaniske celler. De forskjellige grunnstoffene har forskjellig evne til å redusere eller oksidere andre stoffer. Stoffene kan rangeres etter disse egenskapene i noe som kalles den elektrokjemiske spenningsrekka. Ved hjelp av denne spenningsrekka kan vi se om vi må tilføre eller kan hente ut energi når to stoffer reagerer. Dette er viktig for konstruksjon av galvaniske celler. Elektrolyse elektrolyse er en måte å skille ioneforbindelser på. Ved å løse ioner i vann (elektrolyttløsning) og sende strøm gjennom løsningen via to elektroder, trekkes de positivt ladde ionene mot den negativt ladde elektroden (katoden) og de negativt ladde ionene mot den positivt ladde elektroden (anoden). Ionene mottar eller avgir elektroner ved elektrodene og kan da gå over til nøytralt ladede atomer. Galvanisk celle I en galvanisk celle utnytter man den elektrokjemiske spenningsrekka (se redoksreaksjoner), og får elektroner til å vandre mellom to elektrolyttløsninger der man har løst ioner, gjerne fra hver sin ende av spenningsrekka. I tillegg til elektrolyttløsningene trenger man en bro av saltløsning og elektroder som ikke selv reduseres eller oksideres i de aktuelle elektrolyttløsningene. Det vanlige er å bruke elektroder av samme metall som i finnes i saltet som utgjør elektrolytten elektroden står i. Når elektrodene kobles sammen, vil elektronegativitetsforskjellen gjøre at den ene siden avgir elektroner til den andre siden. Den ene løsningen mister negativt ladde ioner, mens den andre siden mister positivt ladde ioner. Saltbroen utligner ladningsforskjellen i ene enden, mens elektroner går gjennom en ledning mellom de to elektrodene i den andre enden. Påvisningsreaksjon En reaksjon som fører til en synlig endring i en eller flere av reaktantene, og som er spesifikk for de involverte reaktantene. Eksempler er fargeomslag hos Jod i nærvær av stivelse, eller fargeomslag hos Fehlings væske ved oppvarming i nærvær av glukose. Kolorimetri En metode for å måle konsentrasjonen av et farget, løselig stoff i et løsemiddel. Jo sterkere farge, desto høyere konsentrasjon. Et kolorimeter kan kalibreres ved hjelp av kjente løsninger og brukes til å lese av konsentrasjonen til ukjente løsninger av samme stoff. 7
Etterarbeid Aktiviteter 1. Rapport Etter at klassen har vært på INSPIRIA science center og gjennomført skoleprogrammet Vannviktig! skal elevene skrive rapport fra forsøkene. Rapportskriving skaper rom for refleksjon og bevisstgjøring i forhold til egne holdninger omkring temaet. Læringsutbyttet vil garantert øke hos den enkelte elev ved føring av rapport. Lenger bak i lærerveiledningen følger hovedpunkter som rapporten bør inneholde. 2. Refleksjonsnotat Refleksjon etter vel gjennomført skoleprogram på INSPIRIA science center øker læringsutbyttet betraktelig. Elevene skriver et refleksjonsnotat som skal omhandle egne betraktninger og ny lærdom. Det er både hyggelig og ønskelig at klassen sender en kopi av de utfylte refleksjonsnotatene, eller et lite utvalg av refleksjonsnotatene til INSPIRIA. Refleksjonsnotatet vil kunne brukes til å evaluere skoleprogrammet og til forskning på læringsutbytte, da uten å publisere navn på elever eller lærere. Refleksjonsnotatene sendes til: skole@inspiria.no Sist i lærerveiledningen følger en kopieringsmal for refleksjonsnotatet. 8
Kopieringsmal Etterarbeid 1. Rapport Rapport: Vannviktig! Skole, navn, gruppe, dato 1. Hensikt Oppgavens hensikt skal beskrives kort og konsist. 2. Teori Gjør rede for den teoretiske bakgrunnen. 3. Materialer og metoder Beskriv reagenser, utstyr og fremgangsmåte. 4. Resultater Beskriv resultater. 5. Diskusjon Resultatene diskuteres. De viktigste feilkildene skal nevnes. Ta med eventuelle forslag til forbedringer av metoder. Resultatene kan også sammenliknes med publiserte resultater fra liknende forsøk. 6 Konklusjon Konklusjon på oppgaven som ser tilbake på oppgavens ordlyd og hensikt. Hvilket læringsutbytte har forsøket gitt? Var forsøket vellykket? Vedlegg Dersom det er observasjoner eller beregninger som er for omfattende til å ta med i resultatdelen skal disse legges ved som vedlegg. Litteraturreferanser Referanselisten skal angi all litteratur som er benyttet i forbindelse med gjennomføring av forsøket og rapportskrivingen. 9
Kopieringsmal Etterarbeid 2. Refleksjonsnotat Refleksjonsnotat Navn på skoleprogrammet; Navn; Skole; Klassetrinn; Dato; 1. Gi en kort beskrivelse av programmet; 2. Hva var hensikten med programmet? 3. Hva er de 3 viktigste tingene du har lært? 4. Er kunnskapen nyttig å ha med seg videre i livet? 10