A Metalen
Duizenden jaren geleden is de mensheid al begonnen met de productie van metalen uit metaalerts en het maken van voorwerpen van metaal. Dit heeft tot gigantische technologische ontwikkelingen geleid. Metaal zit in heel veel voorwerpen: bruggen van ijzer, vliegtuigen van aluminium, muziekinstrumenten van koper en ga zo maar door.
Het winnen van metalen is ingewikkeld. Metalen komen slechts zelden in pure vorm voor in de natuur. De meeste metalen komen alleen als ertsen (verbindingen) voor in de grond. In mijnen worden deze metaalertsen uit de grond gehaald en daarna kan uit de ertsen het pure metaal worden gemaakt met behulp van een chemische reactie.
In deze module leer je onder andere hoe aluminium en ijzer gewonnen worden. Daarbij leer je hoe je een reactievergelijking opstelt. Vervolgens ga je zelf onderzoeken of het winstgevend is om koper te winnen uit het erts malachiet.
B Introductie
Wat ga je doen
Jullie gaan:
- Engage: een poster maken over zeldzame aardmetalen.
- Explore: eigenschappen van metalen bekijken.
- Explain:
- leren over de winning van aluminium en ijzer en
- het opstellen van reactievergelijkingen.
- Elaborate: een advies uitbrengen. Is het rendabel om ijzer uit malachiet te halen?
- Evaluate: evalueren wat je geleerd hebt.
In de tabel staat hoeveel lessen je hier ongeveer mee bezig bent.
| Activiteit |
|
Max. aantal lessen |
| Engage |
Zeldzame aardmetalen |
1 |
| Explore |
Eigenschappen |
1 |
| Explain |
Elementen en verbindingen |
1 |
| |
Chemische reacties |
1 |
| |
Productie aluminium |
1 |
| |
Reactievergelijkingen |
1 |
| |
Productie staal |
1 |
| |
Rekenen aan processen |
1 |
| Elaborate |
Koper uit malachiet |
3 |
| Evaluate |
Evaluatie |
1 |
| Totaal |
|
13 |
Samenwerken
Je werkt samen in een groep van drie leerlingen. Elke leerling heeft een taak. Deze taken wisselen elke les. Er zijn drie taken: de voorzitter, de secretaris en de klusser.
De voorzitter zorgt ervoor dat iedereen meedoet aan de opdracht, hij of zij houdt de tijd in de gaten en neemt contact op met de docent bij vragen.
De klusser zorgt ervoor dat al het materiaal op jullie onderzoeksplek komt en dat na afloop alles weer netjes wordt opgeruimd.
De secretaris noteert de antwoorden van de opdrachten en de waarnemingen van de experimenten in het teamboekje.
Maak goede afspraken over wie wat doet. Noteer deze afspraken in het teamboekje. De eerstvolgende les noteer je steeds of alle afspraken zijn nagekomen.
Teamboekje
Er zijn twee soorten opdrachten: individuele- en groepsopdrachten.
Individuele opdrachten maak je uiteraard alleen.
Antwoorden schrijf je in je eigen (digitale) schrift.
In dit schrift maak je ook aantekeningen, bijvoorbeeld van de uitleg van je docent.
Antwoorden bij groepsopdrachten noteer je in het teamboekje.
Dit boekje blijft op school.
De secretaris houdt het teamboekje bij.
De rol van secretaris wisselt elke les.
Download hier het Teamboekje Metalen
Wat ga je leren
Je leert het volgende kennen (weten):
- Een aantal eigenschappen van metalen kunnen noemen.
- Weten wat een legering is.
- Weten wat corrosie is.
- Het verschil kennen tussen een element en een verbinding.
- Het verschil kennen tussen chemische reacties en scheidingsmethoden.
- De drie verschillende soorten ontledingsreacties kennen.
- Weten wat exo- en endotherme reacties zijn.
Je gaat het volgende kunnen en/of begrijpen:
- Formules en namen van verbindingen noteren.
- Het opstellen van een reactieschema.
- Een reactievergelijking van een chemische reactie opstellen.
- Aan de hand van een reactievergelijking berekenen hoe groot de opbrengst is.
- Het maximale rendement berekenen van industriële chemische processen.
C Engage
Aan de slag 1: Zeldzame aardmetalen - teamopdracht
Metalen als aluminium, ijzer en koper komen veel voor. Er zijn echter ook hele zeldzame metalen zoals bijvoorbeeld neodymium, cerium en europium. Deze zogenaamde zeldzame aardmetalen hebben zeer bijzondere eigenschappen waarmee vele technologische hoogstandjes mogelijk zijn. Deze zijn tegenwoordig zo belangrijk geworden dat je hiermee als land een machtige positie kunt verwerven in de wereld.
Nu gaan jullie een poster ontwerpen naar aan leiding van één van de onderstaande keuze opdrachten en doe het als volgt:
- Stel met je groepje een aantal deelvragen op. Laat deze goedkeuren door de docent.
- Verdeel de taken binnen je groep.
- Maak een poster op papier of digitaal. Het moet naast de illustraties een beknopt overzicht van de informatie, die jullie hebben opgezocht, bevatten. Je docent geeft aan of, en hoe, je deze gaat presenteren. Het overzicht kan je in de eventuele presentatie toelichten.
Keuze opdrachten
Zoek zelf op internet naar relevante informatie.
Opdracht 1: Zeldzame aardmetalen en het gebruik in de moderne technologie
Ga van minimaal 6 aardmetalen na waar ze voor worden gebruikt en waarom ze hier zo geschikt voor zijn.
Mogelijke deelvragen:
- Waar wordt neodymium voor gebruikt?
- Welke eigenschap(pen) maken het geschikt voor de genoemde toepassing(en)?
- Etc.
Opdracht 2: Zeldzame aardmetalen en de economie/ politiek
Ga na welke landen de grootste producenten van zeldzame aardmetalen zijn en waarom dit zoveel macht geeft aan deze landen.
Mogelijke deelvragen:
- Welke landen produceren zeldzame aardmetalen?
- Waarom produceren andere landen deze metalen niet?
- Waarom zijn de zeldzame aardmetalen zo belangrijk voor westerse landen?
- Welke politieke problemen geeft deze situatie?
- Etc.
Opdracht 3: De winning van de zeldzame aardmetalen en het milieu
Ga van een aantal zeldzame aardmetalen na of de winning hiervan milieuproblemen oplevert en hoe hiermee wordt omgegaan.
Mogelijke deelvragen:
- Welke gevaren voor het milieu zijn er?
- Hebben milieurampen met zeldzame aardmetalen plaatsgevonden?
- Welke veiligheidsmaatregelen moeten getroffen worden?
- Kunnen de metalen gerecycled worden?
- Etc.
D Explore
Zoals je weet vormen atomen stoffen door bindingen aan te gaan met elkaar. Er zijn in het totaal 3 verschillende stoffen. Leer hierover meer in de kennisbank.
Kennisbank Soorten stoffen
Metalen worden tegenwoordig gebruikt voor sieraden, muziekinstrumenten, gereedschappen, bouwmaterialen, verpakkingsmaterialen enz.
Dat komt natuurlijk omdat de stofeigenschappen van metalen hier zo geschikt voor zijn.
Tegenwoordig worden er ook steeds meer andere stoffen gebruikt. Voor veel toepassingen worden plastics gebruikt. Er wordt steeds minder in blik verpakt, er zit steeds minder metaal in een auto en tuinmeubelen zijn niet meer van metalen gemaakt.
Toch blijft metaal nog een onmisbaar materiaal in ons leven. In de praktijk worden vaak mengsels van metalen gebruikt. Een mengsel van metalen noemen we een legering.
Oefening Meerkeuzevragen
01- individueel
Zoek op internet.
- Welke metalen worden gemengd voor het maken van:
- blik
- messing
- brons
- De mensheid is steeds betere materialen gaan gebruiken. Zet de volgende tijdperken in de juiste volgorde: steentijd, ijzertijd, bronstijd, kopertijd.
- Wat is het verschil tussen een edel en een onedel metaal?
- Hoe noemen we de reactie van metalen met zuurstof en/of water?
- Noem een aantal manieren om metalen voorwerpen hiertegen te beschermen.
E Explain
Elementen en verbindingen
Metalen worden dankzij hun interessante stofeigenschappen in heel veel voorwerpen gebruikt. Het winnen van metalen is helaas heel ingewikkeld. Metalen komen slechts zelden in pure vorm in de natuur voor. Je kunt ze dus niet zomaar opgraven en gebruiken. De meeste metalen komen alleen als ertsen voor in de grond. In een erts is het element van het metaal aanwezig in verbinding met andere elementen.
02- individueel
Maak de opdrachten op de volgende pagina's in je (digitale) schrift. Bespreek je antwoorden met een medeleerling. Als je er samen niet uitkomt, kun je de docent om hulp vragen. De vragen en antwoorden heb je nodig in de evaluatie bij de afsluiting van deze module.
Neem voor deze opdracht nog eens de kennisbank Naamgeving moleculen door als je dit niet meer weet. Gebruik bij deze opdracht ook een (digitaal) periodiek systeem.
Kennisbank Naamgeving moleculen
In Nederland wordt in de havensteden Vlissingen en Delfzijl aluminium geproduceerd. Deze industrie speelt een belangrijke rol in de Nederlandse economie. Aluminium is lichter dan staal maar even sterk, slijtvast en bestendig tegen corrosie. De productie van aluminium kost zeer veel energie. Voor de 20ste eeuw was aluminium hierdoor zo kostbaar dat Napoleon zijn belangrijkste gasten van aluminium servies liet eten, de andere gasten moesten het met gouden borden en bestek doen.
Naast het element aluminium bestaan er ook aluminiumverbindingen. Verbindingen van aluminium, zoals aluin, een bloedstelpend middel, waren al in de oudheid bekend. Deze aluminiumverbindingen hebben echter hele andere eigenschappen dan het element aluminium.
1. Neem het volgende schema over in je (digitale) schrift en voeg op de juiste plaatsen een pijl toe. Geef met één pijltje aan wat scheiden is en met een gestippeld pijltje wat ontleden is.
Afbeelding Schema
2. Noem twee toepassingen van het metaal aluminium, die nog niet genoemd zijn.
3. Geef de scheikundige notatie (symbool) van de elementen koolstof, ijzer en zuurstof.
4. Geef de scheikundige notatie (symbool) van de verbinding koolstofdioxide.
5. Geef de scheikundige formules bij de molecuultekening.
Afbeelding Molecuultekening
6. Hoeveel van welk atoomsoort bevat:
2 FeCO3
4 Al2O3
7. Geef de scheikundige formule bij de volgende namen:
zwaveltrioxide
stikstofdioxide
koolstofdisulfide
8. Noteer de juiste naam voor de volgende formules:
P2O5
N2O
Chemische reacties
Veel metalen komen in de natuur als verbinding voor.
Een voorbeeld: het metaal aluminium Al(s) vind je niet in de natuur, wel de stof aluminiumoxide Al2O3(s). Uit alminiumoxide kun je het metaal aluminium maken d.m.v. een chemische reactie. Voordat je het practicum gaat uitvoeren, lees je eerst de kennisbank door.
Kennisbank Reactieschema
Aan de slag 2: Practicum - teamopdracht
Je gaat een aantal chemische reacties bekijken met de volgende proeven. Deze proeven staan op de volgende pagina's en in jullie Teamboekje. Noteer je waarnemingen, conclusies en de antwoorden op vragen steeds in jullie Teamboekje. De rollen wisselen elke proef tussen secretaris, voorzitter en klusser. Deze kun je hier nogmaals downloaden.
Proef 1: Koperchloride ontleden
Benodigdheden
Bekerglas met koperchloride-oplossing
2 elektroden
gelijkspanningsbron
Werkwijze
- Verbind de elektroden met de gelijkspanningsbron.
- Houd vervolgens de elektroden in de koperchloride-oplossing.
Waarnemingen
Wat neem je waar bij de positieve en wat bij de negatieve pool?
Conclusie
Welke stof is ontstaan bij de negatieve pool? Welk gas is bij de positieve pool ontstaan?
Proef 2: Zilverchloride ontleden
Benodigdheden
De vaste stof zilverchloride (dit is een stukje fotopapier)
Werkwijze
Leg een beetje zilverchloride op een goed verlichte plek en op een donkere plek.
Vragen
- Wat neem je waar?
- Heeft er een chemische reactie plaatsgevonden? En zo ja, waaruit concludeer je dat?
Proef 3: IJzeroxalaat ontleden
Benodigdheden
De vaste stof ijzeroxalaat
Reageerbuisje
Brander
Reageerbuisknijper
Werkwijze
- Doe een beetje vaste ijzeroxalaat in een reageerbuisje.
- Sluit de brander aan en zorg voor een kleurloze vlam.
- Pak de reageerbuis vast met de reageerbuisknijper.
- Verwarm de reageerbuis boven de kleurloze vlam totdat de oorspronkelijke gele kleur niet meer zichtbaar is.
Vragen
- Wat neem je waar?
- Heeft er een chemische reactie plaatsgevonden? En zo ja, waaruit concludeer je dat?
03- individueel
- Neem onderstaande tabel over en vul de lege kolommen in.
Kies bij ontledingsreactie uit: fotolyse, thermolyse en elektrolyse;
Kies bij energie uit: elektriciteit, warmte en licht.
| Ontleding van |
Soort ontledingsreactie |
Energievorm |
| Koperchloride |
|
|
| Zilverchloride |
|
|
| IJzeroxalaat |
|
|
- Geef het reactieschema voor de ontleding van koperchloride.
- Geef het reactieschema voor de ontleding van zilverchloride.
- Bij de ontleding van ijzeroxalaat kwam naast ijzer ook het gas koolstofdioxide vrij. Geef het reactieschema van deze reactie.
Productie Aluminium
Aluminium is een metaal dat heel veel in de aarde voorkomt en dat door ons in tal van toepassingen wordt gebruikt. Aluminium wordt meestal gewonnen uit het erts bauxiet, dat voor een groot deel uit de verbinding aluminiumoxide bestaat.
Het Aluminiumcentrum heeft een uitstekende les gemaakt over aluminium en over hoe dit wordt geproduceerd.
04 - individueel
Ga naar: www.aluminiumcentrum.nl
Klik op aluminium & duurzaamheid:
'link naar de les’ of 'Downloaden van de player en les'.
Bekijk alle filmpjes, lees alle teksten en maak alle vragen.
Reactievergelijkingen
Je hebt in een drietal proefjes een aantal chemische reacties bekeken.
Ook heb je geleerd hoe zuiver aluminium wordt gemaakt uit de verbinding aluminiumoxide en welke reacties hiervoor nodig zijn.
Chemische reacties kun je noteren m.b.v. een reactievergelijking.
Omdat individuele atomen nooit verdwijnen of ontstaan,
blijft het totaal aantal atomen (en dus ook de massa)
gedurende een reactie altijd gelijk.
Bekijk de kennisbank en maak de volgende opdrachten.
Kennisbank Reactievergelijkingen
05 - individueel
Oefen met het kloppend maken van reactievergelijkingen.
Ga naar: phet.colorado.edu en oefen het kloppend maken van reactievergelijkingen met alle drie de voorbeelden.
Als je dit begrijpt, kun je het spel spelen (Klik op ‘balancing game’).
Doe een spel op niveau 3 en kijk hoe snel jij de vergelijkingen kunt oplossen.
Productie staal
Naast aluminium, is staal ook een zeer belangrijk metaal.
06 - individueel
Bekijk het Klokhuisfilmpje en beantwoord de vragen door deze op internet op te zoeken.
Vragen
- Waarom wordt staal zoveel gebruikt?
- Wat is het verschil tussen staal en ijzer?
- Wat is het verschil in stofeigenschap tussen het snel en het langzaam afkoelen van staal? Hoe komt dat?
- Wat is het verschil in stofeigenschap tussen het wel en niet uittrekken van staal (bij het maken van de blikjes)? Hoe komt dat?
Rekenen aan processen
Bij het winnen van metalen is het belangrijk te weten hoe groot de vraag is naar het eindproduct. Als dat bekend is, dan kan berekend worden hoeveel erts nodig is om een bepaalde hoeveelheid metaal te produceren.
Aan een chemische reactie kun je rekenen.
Bekijk de kennisbank. Bestudeer daarna de voorbeelden van chemische reactiesdeze zijn van belang voor het begrijpen van chemische reacties. Dit is een belangrijk onderwerp!
Kennisbank Rekenen aan chemische reacties
Aan de slag 3: Practicum - teamopdracht
Nu jullie wat meer weten van rekenen aan chemische reacties, gaan jullie het in de praktijk toepassen. Voer hiertoe het practicum op de volgende pagina uit en maak de vragen. Noteer de antwoorden in jullie Teamboekje.
Proef 4: Staalwol verbranden
Benodigdheden
- Stukje staalwol
- Aluminiumfolie
- Brander
- Kroezentang
Uitvoering
- Bepaal de massa van het stukje staalwol en van het stukje aluminiumfolie.
- Vouw het aluminiumfolie tot een bakje, zodat alle losse stukjes staalwol worden opgevangen.
- Houd het bakje schuin boven de brander en verhit het staalwol hierboven met een ruisende vlam tot al het staalwol naar jullie idee is verbrand.
- Bepaal na afloop de massa van het verbrande staalwol.
Vragen
- Noteer de reactievergelijking. Neem aan dat het staalwol volledig uit ijzer bestaat en dat na de reactie met zuurstof alleen ijzeroxide (Fe2O3Fe2O3) is ontstaan.
- Bereken hoeveel gram ijzeroxide theoretisch had kunnen worden gevormd.
- Bepaal het rendement van je reactie met behulp van de meetresultaten.
07 - individueel
- Bereken hoeveel massa (in kg) aluminium uit 4000 kg bauxiet (Al2O3) kan worden gemaakt.
- Noteer de reactievergelijking van de elektrolyse van bauxiet waarbij aluminium en zuurstof ontstaan.
- Noteer vervolgens de massaverhouding en bereken hiermee de benodigde massa (in kg) aluminium.
- Bereken het massapercentage zuurstof in bauxiet (Al2O3) en bereken vervolgens hoeveel massa (in kg) zuurstof ontstaat bij de elektrolyse van 4000 kg bauxiet.
- Bereken hoeveel ton CO2 gevormd wordt, als al het ontstane zuurstof bij de aluminiumproductie gelijk weer reageert met grafiet (= koolstof).
- Bij de productie van ruw ijzer (Fe) wordt een erts gebruikt dat voor ongeveer
75% uit Fe2O3bestaat. Hoeveel ton van dat erts heb je nodig om 12.000 ton ruw ijzer te fabriceren?
Hint: gebruik de reactievergelijking.
F Elaborate
De laatste jaren is de vraag naar koper flink toegenomen. De prijs van koper is nu zelfs zo hoog dat koperdieven de koperen bovenleidingen van de rails stelen. Zuiver koper is steeds moeilijker te verkrijgen. Daarom moeten bedrijven overgaan tot het recyclen van koper uit koperverbindingen.
Een bedrijf dat beschikt over een flinke voorraad malachiet heeft besloten om hieruit koper te bereiden. Als het rendement hoog genoeg is, dan kunnen ze het proces op grote schaal gaan uitvoeren. Uit economische schattingen blijkt dat het proces rendabel zal zijn bij een rendement boven de 50%.
Het bedrijf vraagt jullie team om het rendement van de bereiding van koper uit malachiet te onderzoeken. Zorg met je onderzoeksteam voor een goede planning en taakverdeling.
Aan de slag 4: het winnen van koper uit malachiet - teamopdracht
De bereiding van koper uit Malachiet gaat in verschillende stappen:
Stap 1: het maken van koperoxide uit malachiet
Stap 2: het maken van koper uit koperoxide via een aantal stappen die we voor het gemak de koperkringloop noemen
Informatie over het proces
Informatie over het proces
Malachiet (Cu₂CO₃(OH)₂) is een stof die in de natuur kan worden gevonden. In stap 1 wordt malachiet ontleed door verhitting, hierbij ontstaat de zwarte vaste stof koperoxide (CuO) en koolstofdioxide. In stap 2 wordt eerst het koperoxide door een reactie met azijnzuur omgezet in de blauwe vaste stof koperacetaat Cu(CH3COO)2. Bij deze reactie komt ook water vrij. Als laatste wordt het koperacetaat middels thermolyse omgezet in de bruine vaste stof koper, daarnaast ontstaan de gassen koolstofmono-oxide en waterstof.
Voordat het proces kan worden opgeschaald in een fabriek, moet bekend zijn hoeveel malachiet nodig is om een bepaalde hoeveelheid koper te bereiden via deze stappen. Door deze meetresultaten te vergelijken met de maximale theoretische opbrengst kan uiteindelijk het rendement van de reactie worden bepaald. Het proces bestaat uit 2 proeven.
Download hier de opdracht uit jullie Teamboekje nogmaals, de opdracht staat ook op de volgende pagina.
Proef: Koper maken uit malachiet
Deze proef bestaat uit 3 deelstappen. Eerst ga je vanuit malachiet koperoxide maken. Vervolgens zet je de koperoxide om naar koperacetaat. Hierbij maak je gebruik van
geconcentreerd azijnzuur. Je moet dus voorzichtig werken. In de derde deelstap van de proef ga je het koperacetaat ontleden. Je verkrijgt dan het eindproduct; koper.
Verwerkingsopdracht
Verwerk alle meetresultaten en vragen in een verslag waarbij je zorgt dat het allemaal een leesbaar en samenhangend geheel is.
Verwerkingsopdracht
G Evaluate
Evaluatie
Maak het proefwerk.
