TOEGEPASTE CHEMIE INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN

INDUSTRIELE WETENSCHAPPEN
TOEGEPASTE CHEMIE
DERDE GRAAD TSO
LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS
September 2009
VVKSO – BRUSSEL D/2009/7841/035
Vlaams Verbond van het Katholiek Secundair Onderwijs
Guimardstraat 1, 1040 Brussel
Inhoud
Situering van het leerplan ....................................................................................................4
1
BEGINSITUATIE.....................................................................................................5
2
ALGEMENE DOELSTELLINGEN ...........................................................................5
3
ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN
DIDACTISCHE MIDDELEN ....................................................................................5
4
LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN EN DIDACTISCHE
WENKEN ................................................................................................................8
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
Elektronenconfiguratie van de elementen...........................................................................................8
De chemische binding .........................................................................................................................9
Chemische verbindingen...................................................................................................................10
Kwantitatieve aspecten van chemische reacties ..............................................................................12
Energetische aspecten van chemische reacties...............................................................................12
Reactiesnelheid.................................................................................................................................13
Het chemisch evenwicht (homogeen) ...............................................................................................14
Ionisatie-evenwichten in water ..........................................................................................................15
Heterogeen evenwicht (U) ................................................................................................................17
Oxidatie-reductieverschijnselen ........................................................................................................18
Koolstofchemie..................................................................................................................................19
Kunststoffen (U) ................................................................................................................................22
5
EVALUATIE ..........................................................................................................23
6
MINIMALE MATERIELE VEREISTEN ..................................................................23
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
Basisinfrastructuur.............................................................................................................................23
Basismateriaal voor chemie ..............................................................................................................23
Verwarmingselementen.....................................................................................................................24
Materiaal voor het uitvoeren van metingen .......................................................................................24
Spanningsbron ..................................................................................................................................24
Stoffen ...............................................................................................................................................24
Materiaal voor het visualiseren in de chemie....................................................................................24
Wandplaten of transparanten............................................................................................................24
Beschermmiddelen............................................................................................................................24
7
BIBLIOGRAFIE .....................................................................................................25
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
3
D/2009/7841/035
Situering van het leerplan
Studierichting
Industriële wetenschappen
Graad en onderwijsvorm
Derde graad tso
Pedagogische vakbenaming
Toegepaste chemie
Administratieve vakbenaming
Toegepaste chemie
Specifiek gedeelte
2 uur/week in eerste en tweede leerjaar
4
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
1
BEGINSITUATIE
De algemene doelstellingen en de leerplandoelstellingen van het AV-vak Chemie van de tweede graad van de
studierichting 'Industriële wetenschappen tso' gelden als beginsituatie.
Dit betekent dat de leerlingen voldoende kennis en inzicht verworven hebben voor wat betreft volgende leerinhouden:
•
het structuurmodel van de materie;
•
atoombouw en periodiek systeem der elementen;
•
de chemische binding en chemische verbindingen;
•
de chemische reactie;
•
chemische verbindingsklassen;
•
het gedrag van stoffen in water;
•
kwantitatieve aspecten in de chemie.
2
ALGEMENE DOELSTELLINGEN
Chemie zal door de leerlingen ervaren worden als een belangrijk onderdeel van het te verwerven cultuurbezit. Ze
moeten zich bewust zijn van de gunstige invloed die chemie heeft op onze welvaart en onze samenleving door
zijn verwezenlijkingen.
Anderzijds moeten ze op een objectieve manier kunnen oordelen over bepaalde milieuproblemen die hier soms
mee gepaard gaan en hoe deze kunnen opgelost worden. Zelf moeten ze een gefundeerde attitude verwerven in
verband met het veilig en milieubewust omgaan met stoffen. Hiervoor moeten ze kennis gebaseerd op inzicht
verwerven. De verworven kennis moet op een inzichtelijke manier worden toegepast.
De leerlingen zijn in staat om technische en wetenschappelijke problemen op te lossen zodat ze later met succes
hoger onderwijs kunnen volgen als voorbereiding op een technisch-wetenschappelijke loopbaan.
3
ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN
DIDACTISCHE MIDDELEN
Om de gestelde doelstellingen te bereiken is het noodzakelijk dat de chemielessen in een aangepast lokaal gegeven worden.
De leraar zal zoveel mogelijk uitgaan van demonstratieproeven en verschijnselen uit het dagelijks leven.
Voor het visualiseren van het verloop van chemische reacties zal men stereomodellen gebruiken aan te vullen
met computersimulaties, transparanten en dergelijke.
Bij het weergeven van resultaten zal er rekening gehouden worden met de benaderingsregels zoals ze in het vak
Fysica gezien werden in de tweede graad en uitgediept in de derde graad.
Stoichiometrische berekeningen komen niet alleen aan bod op het ogenblik dat ze als leerstofpunt behandeld
worden doch worden regelmatig ingeoefend, bijvoorbeeld in huistaken, waarbij men de moeilijkheidsgraad
stapsgewijs laat toenemen.
De leerlingen maken ook in de derde graad gebruik van tabellen met R- en S-zinnen en leren verder veiligheidssymbolen kennen zoals op waarschuwingsborden en etiketten (gevarensymbolen).
In samenspraak met leraars van andere technische vakken kunnen er studiebezoeken aan bedrijven georganiseerd worden in verband met veiligheid en milieutechnologie.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
5
D/2009/7841/035
Minstens drie laboratoriumoefeningen (leerlingenpractica) per jaar worden verplicht gesteld.
Deze practica zijn nuttig voor het concretiseren van de leerstof en als voorbereiding op hogere studies gericht op
een technisch-wetenschappelijke loopbaan. Men kan een drietal practica per jaar invoeren bijvoorbeeld in verband met:
•
reactiesnelheid;
•
kwantitatieve aspecten van chemische reacties;
•
chemisch evenwicht;
•
pH-metingen;
•
titraties;
•
buffermengsels;
•
galvanische cellen en elektrolyse;
•
eigenschappen van koolstofverbindingen;
•
een bereiding van een koolstofverbinding met analyse van het eindproduct.
Van elke laboefening maken de leerlingen een verslag. De leerlingen krijgen op voorhand een instructieblad. In
de tweede graad volstond het om het instructieblad door de leerlingen te laten invullen bij het opstellen van het
verslag, in de derde graad streeft men hiervoor naar meer zelfstandig werk van de leerlingen.
Denkvragen moeten niet noodzakelijk op het einde van het instructieblad vermeld worden. Het kan interessant
zijn om in het begin of tijdens het practicum de leerlingen denkvragen te laten beantwoorden, deze kunnen eventueel ook mondeling gesteld worden.
De leerlingen moeten eerst het instructieblad aandachtig bestuderen alvorens met de uitvoering te beginnen.
Om de leraar behulpzaam te zijn bij het opstellen van de jaarplanning stellen wij volgende urenverdeling voor
waarin ook rekening gehouden wordt met de tijd nodig voor het voorbereiden en verbeteren van taken (huistaken
en laboratoriumverslagen) en met de tijd nodig voor toetsen (er wordt ook ruimte gelaten voor differentiatie).
Eerste leerjaar
1
2
3
4
5
6
7
Aantal uren
Elektronenconfiguratie van de elementen
De chemische binding
Chemische verbindingen
Kwantitatieve aspecten van chemische reacties
Energetische aspecten van chemische reacties
Snelheid van de reactie
Het chemisch evenwicht
Laboratoriumoefeningen (leerlingenpractica)
6
4
10
9
4
4
10
3
Totaal:
6
D/2009/7841/035
50
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
Tweede leerjaar
8
9
10
11
12
Aantal uren
Ionisatie-evenwichten in water
Oxidatie-reductieverschijnselen
Heterogeen evenwicht (U)
Koolstofchemie
Kunststoffen (U)
Laboratoriumoefeningen (leerlingenpractica)
20
7
20
3
Totaal:
50
Wanneer men een leerstofpunt in uitbreiding wenst te zien moeten niet noodzakelijk steeds al de bijbehorende
leerinhouden gegeven worden zoals bij de punten 'Heterogeen evenwicht' en 'Polyfunctionele verbindingsklassen'. De leraar mag hier zelf een keuze maken.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
7
D/2009/7841/035
4
LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN EN
DIDACTISCHE WENKEN
EERSTE LEERJAAR
Minstens drie leerlingenproeven naar keuze
4.1
Elektronenconfiguratie van de elementen
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
1
een definitie geven voor een orbitaal.
2
het onderscheid maken tussen hoofd- en subniveaus voor wat de energietoestand van de elektronen betreft.
3
de betekenis van de kwantumgetallen op een eenvoudige wijze verduidelijken.
4
het verband tussen energie-arme en stabiele toestand omschrijven.
5
het uitsluitingsprincipe van Pauli en de regel van Hund verwoorden.
6
het onderscheid tussen de grondtoestand en een aangeslagen toestand weergeven.
7
de elektronenconfiguratie van een atoom in de grondtoestand weergeven.
8
de elektronenconfiguratie van monoatomische ionen weergeven.
9
het verband tussen de plaats van een element in het PSE (Periodiek Systeem der Elementen) en zijn elektroneneconfiguratie weergeven.
10 factoren die een invloed uitoefenen op de grootte van de atomen bespreken (U).
DIDACTISCHE WENKEN
Een orbitaal zal gedefinieerd worden als een ruimte waarin de trefkans voor een elektron groter is dan 0,95.
Er moet in elk geval gebruik gemaakt worden van orbitaalmodellen.
Een orbitaal mag niet beschouwd worden als een elektronenbaan.
Bij het opstellen van de elektronenconfiguratie van atomen in de grondtoestand kan men gebruik maken van
het diagonaalschema of van een energiediagram.
Voor het opstellen van de elektronenconfiguratie van een monoatomisch ion zal men eerst de elektronenconfiguratie opstellen van het neutraal atoom volgens het diagonaalschema of door gebruik te maken van
een energiediagram en vervolgens elektronen weglaten uit of toevoegen aan de buitenste schil.
8
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
4.2
De chemische binding
4.2.1
De ionbinding
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
11 de ionisatie-energie definiëren en het onderscheid tussen de eerste en volgende ionisatie-energieën bespreken.
12 de evolutie van de IE (ionisatie-energie) in een groep en in een periode in grote lijnen aangeven en in verband brengen met het metaalkarakter.
13 verduidelijken dat grote positieve ionen met een kleine lading het gemakkelijkst tot stand komen.
14 de elektronenaffiniteit definiëren en in verband brengen met het niet-metaalkarakter.
15 het begrip roosterenergie omschrijven en in verband brengen met de stabiliteit van de ionenverbinding.
DIDACTISCHE WENKEN
Verduidelijken dat het tot stand komen van een binding het gevolg is van het streven van atomen naar een
hogere stabiliteit en dat de hierdoor bekomen elektronenconfiguratie niet noodzakelijk met de edelgasconfiguratie overeenkomt.
Er worden tabellen gebruikt met gegevens over ionisatie-energie. Vermits ionisatie-energie volgens zijn definitie energie is die toegevoegd wordt moet ze steeds door een positief getal worden voorgesteld.
Men moet de leerlingen duidelijk maken dat de elektrostatische krachten tussen de ionen in een rooster (ook
coulombkrachten genoemd) verantwoordelijk zijn voor het hoge smeltpunt van ionenverbindingen. Vervolgens legt men het verband tussen het smeltpunt en de roosterenergie. Vermits er bij de vorming van een
rooster energie vrijkomt, wordt de roosterenergie voorgesteld door een negatief getal.
4.2.2
De covalente binding
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
16 het tot stand komen van een covalente (gewone en donor-acceptorbinding) binding verduidelijken.
17 het polair karakter van een binding in verband brengen met het verschil in EN-waarde (elektronegatieve
waarde).
DIDACTISCHE WENKEN
Ook hier kan men verduidelijken dat het tot stand komen van een binding het gevolg is van het streven van
atomen naar een hogere stabiliteit en dat de hierdoor bekomen elektronenconfiguratie (EC) niet noodzakelijk
met de EGC (edelgasconfiguratie) overeenkomt.
Het aantal covalente bindingen dat een atoom in een bepaalde verbinding kan vormen kan in verband gebracht worden met de EC (elektronenconfiguratie) en met de mogelijke promotie van elektronen.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
9
D/2009/7841/035
Het is niet nodig om hier al het onderscheid tussen pi- en sigmabinding te maken, men kan dit gerust uitstellen tot het tweede leerjaar wanneer de bindingen van koolstof gezien worden.
Overlappingen tussen orbitalen bij de vorming van covalente bindingen moeten nog niet behandeld worden.
Alleen ter illustratie kan hier iets over gegeven worden. Bij de studie van de koolstofchemie komen overlappingen tussen orbitalen uitgebreid aan bod in het tweede leerjaar van de derde graad.
4.2.3
De metaalbinding
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
18 de metaalbinding op een eenvoudige manier verduidelijken.
DIDACTISCHE WENKEN
Een metaal in normale omstandigheden voorstellen als bestaande uit een rooster gevormd door ionen en vrije
elektronen. Men kan hier het verband leggen met de elektrische geleiding in metalen en met de warmtegeleiding
gezien in het AV-vak Fysica (tweede leerjaar van de tweede graad).
4.3
Chemische verbindingen
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
19 de formele lading van een atoom in een verbinding bepalen.
20 verduidelijken dat de som van de formele ladingen van de atomen in een verbinding overeenkomt met de
ionlading.
21 lewisstructuren opstellen en de formele ladingen aanduiden.
22 het begrip mesomerie omschrijven.
23 aan de hand van een gegeven (eenvoudige) lewisstructuur de geometrie van een verbinding bespreken.
24 steunend op de geometrie van een verbinding het al dan niet polair zijn afleiden in eenvoudige voorbeelden.
25 moleculaire interacties (vanderwaalskrachten, dipoolinteracties en waterstofbruggen) verduidelijken.
26 invloed van de moleculaire interacties op fysische eigenschappen van stoffen inzien.
DIDACTISCHE WENKEN
Men laat de leerlingen eerst lewisstructuren opstellen van moleculen, daarna van polyatomische ionen.
De formele ladingen worden steeds aangeduid op de structuur.
Bij het opstellen van lewisstructuren zullen de leerlingen vaststellen dat er soms meerdere mogelijkheden zijn
voor eenzelfde atoomverdeling. Hier kan men dan het begrip mesomerie aanbrengen en verduidelijken dat de
structuur met het kleinst aantal formele ladingen het stabielst (energie-armst) is en bijgevolg een grotere bijdrage
levert tot de werkelijke structuur. Men zal voorbeelden geven van energetisch gelijkwaardige mesomeren die
10
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
natuurlijk eenzelfde bijdrage leveren tot de werkelijke structuur (bijvoorbeeld bij SO2) en van energetisch nietgelijkwaardige mesomeren (bijvoorbeeld HCOOH).
De geometrie van een verbinding visualiseert men door gebruik te maken van molecuulmodellen en verklaart men door te steunen op de elektrostatische afstoting tussen elektronenparen (bindings- en nietbindingselektronenparen van de buitenste schil).
Het invoeren van het sterisch getal (SG) is een handig hulpmiddel ter bepaling van de geometrie van verbindingen zijn.
Bij de moleculaire interacties zal men spreken over vanderwaalskrachten (tussen apolaire moleculen), over dipoolkrachten (tussen polaire moleculen) en over waterstofbruggen. De ion-dipoolinteracties kunnen hier ook
besproken worden. Ze worden dan verder uitgediept in het punt 'ionisatie-evenwichten' in het tweede leerjaar
van de derde graad.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
11
D/2009/7841/035
4.4
Kwantitatieve aspecten van chemische reacties
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
27 het normaal molvolume van een gas definiëren en toepassen.
28 de molariteit van een oplossing definiëren en berekenen met massa- en volumegegevens.
29 massaprocent en volumeprocent van oplossingen definiëren en toepassen.
30 de molariteit van een oplossing berekenen aan de hand van de massadichtheid en het massaprocent van
een oplossing. (U)
31 begrippen ppm (parts per million) en ppb (parts per billion) omschrijven. (U)
32 stoichiometrische berekeningen maken.
DIDACTISCHE WENKEN
Men zal steunen op de gaswetten die gezien worden in het vak AV-vak Fysica (tweede leerjaar van de tweede
graad).
In stoichiometrische berekeningen maakt men gebruik van de begrippen normaal molvolume, molariteit, massaprocent, massadichtheid, volumeprocent en van de algemene gaswet.
Men maakt ook stoichiometrische berekeningen met één reagens in overmaat.
Voor het weergeven van het resultaat (beduidende cijfers) zal men rekening houden met de benaderingsregels
die aangebracht werden in het AV-vak Fysica (eerste leerjaar van de tweede graad).
4.5
Energetische aspecten van chemische reacties
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
33 een enthalpieverandering omschrijven als een verandering van inwendige energie eventueel vermeerderd
met de geleverde arbeid door een gas als gevolg van de volumeverandering (beschouwd vanuit het systeem).
34 de vormings-, verbrandings- en bindingsenthalpie definiëren. (U)
35 met gegevens over vormings-, verbrandings- en bindingsenthalpie een reactie-enthalpie berekenen. (U)
36 de wet van Hess formuleren en toepassen. (U)
37 de entropie van een systeem in verband brengen met de wanorde van dat systeem.
38 het al dan niet spontaan verloop van een reactie in duidelijke gevallen voorspellen op basis van het teken
van de enthalpie- en van de entropieverandering.
39 de entropieverandering tijdens een reactie berekenen aan de hand van standaardentropieën. (U)
12
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
DIDACTISCHE WENKEN
In het TV-vak Toegepaste fysica worden in het eerste leerjaar van de derde graad volgende begrippen aangebracht:
– de arbeid geleverd door een gas bij een volumeverandering onder constante druk;
–
de inwendige energie als som van de potentiële en kinetische energie van de deeltjes (moleculen).
Bij het aanbrengen van het begrip 'enthalpie' zal men bijgevolg verwijzen naar wat hiervoor gezien werd tijdens
de fysicales.
De leerlingen moeten de enthalpie- en de entropieverandering tijdens een reactie niet kunnen berekenen, maar
wel inzien dat de reactie spontaan verloopt wanneer de entropie toeneemt en de enthalpie afneemt tijdens de
reactie. De vrije Gibbs energie moet niet gezien en dan ook niet berekend worden. Men moet de leerlingen bijbrengen dat een endo-energetisch proces slechts spontaan verloopt wanneer het gepaard gaat met een belangrijke entropietoename.
4.6
Reactiesnelheid
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
40 de reactiesnelheid definiëren.
41 effectieve botsingen beschouwen als botsingen tussen deeltjes bepaald door hun kinetische energie en hun
onderlinge posities.
42 een chemische reactie zien als een gevolg van effectieve botsingen tussen deeltjes.
43 verduidelijken waarom temperatuur, concentratie, katalysator en verdelingsgraad de reactiesnelheid beïnvloeden.
44 de betekenis van de orde van de reactie tegenover een reagens weergeven en de orde van een reactie
tegenover een reagens bepalen aan de hand van snelheidconcentratiegegevens. (U)
DIDACTISCHE WENKEN
Dit leerstofpunt kan sterk experimenteel ondersteund worden en is zeer geschikt voor laboratoriumoefeningen.
De activeringsenergie van een reactie wordt hier ook gedefinieerd.
Men moet zeer duidelijk stellen dat de machten van de concentraties in de reactiesnelheidsvergelijking (in feite
de orde van de reactie ten opzichte van de betreffende reagentia) meestal niet overeenkomen met de coëfficiënten in de reactievergelijking. Men kan de leerlingen duidelijk maken dat de orde van een reactie enkel experimenteel bepaald wordt (het verband met mogelijke reactiemechanismen is meestal niet zo evident).
Er moet zeker niet over reactiemechanismen gesproken worden.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
13
D/2009/7841/035
4.7
Het chemisch evenwicht (homogeen)
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
45 de chemische evenwichtstoestand omschrijven als een dynamisch stabiele toestand gekenmerkt door eenzelfde reactiesnelheid van twee reacties die gelijktijdig verlopen in tegengestelde zin.
46 het verband tussen de evenwichtsconstante en de evenwichtsconcentraties weergeven en toepassen in
vraagstukken.
47 de verschuiving van chemische evenwichten onder invloed van een temperatuurverandering en van een
concentratieverandering voorspellen en verduidelijken.
DIDACTISCHE WENKEN
In eerste instantie kan men als voorbeeld het dynamisch evenwicht tussen een vloeistof en haar damp (in een
afgesloten ruimte) aanbrengen, hoewel dit geen homogeen evenwicht is. Vervolgens geeft men het onderscheid
tussen homogeen en heterogeen evenwicht. Daarna geeft men een voorbeeld van een chemisch evenwicht door
een evenwichtsreactie met één van de reagentia in mindermaat waarvan men de aanwezigheid bij het evenwicht
aantoont.
De vergelijking die het verband aangeeft tussen de evenwichtsconstante Kc en de evenwichtsconcentraties moet
niet afgeleid worden. Wanneer men deze afleiding toch maakt door het aan elkaar gelijkstellen van reactiesnelheden neemt men een voorbeeld waarbij de coëfficiënten in de reactievergelijking overeenkomen met de machten van de concentraties in de snelheidsvergelijking en men stelt duidelijk dat de voorgestelde methode niet mag
veralgemeend worden. Men kiest dan als voorbeeld het evenwicht in de gasfase met diwaterstof, dijood en waterstofjodide. Aan de hand van beginhoeveelheden van reagentia en reactieproducten en van een hoeveelheid
van één van de bij het evenwicht betrokken stoffen in een gegeven constant volume kan men de evenwichtsconstante laten berekenen.
Wanneer de evenwichtsconstante gekend is kan men aan de hand van de beginhoeveelheden in een constant
en gegeven volume de evenwichtsconcentraties en de hoeveelheden bij het evenwicht berekenen, in elk geval
moet men in het begin als voorwaarde stellen dat al de stofhoeveelheden betrokken bij het evenwicht groter zijn
dan nul.
Bij evenwichten in de gasfase kan ook de totale druk bij het evenwicht berekend worden. Eventueel kan men ook
de evenwichtsconstante Kp berekenen aan de hand van partiële drukken.
De verschuiving van het chemisch evenwicht verklaren aan de hand van het beginsel van Le Châtelier. Men
moet de leerlingen goed doen inzien dat de factoren die het chemisch evenwicht beïnvloeden niet noodzakelijk
dezelfde zijn als deze voor de reactiesnelheid. De leerlingen moeten duidelijk inzien dat 'verschuiving naar
rechts' en 'verschuiving naar links' niet noodzakelijk betekenen dat de evenwichtsconcentraties van de reactieproducten respectievelijk toenemen of afnemen doch dat ze rechtstreeks in verband staan met veranderingen
van stofhoeveelheden. Ook moet men de leerlingen duidelijk maken dat de evenwichtsconstante van een bepaalde evenwichtsreactie enkel verandert onder invloed van de temperatuur.
TWEEDE LEERJAAR
Minstens drie leerlingenproeven naar keuze.
14
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
4.8
Ionisatie-evenwichten in water
4.8.1
Elektrolyten
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
48 het onderscheid tussen sterke en zwakke elektrolyten maken.
49 de ionisatiegraad definiëren.
50 de ionisatiewetten weergeven en verduidelijken als toepassing van het verschuiven van het chemisch
evenwicht.
DIDACTISCHE WENKEN
Door meting van het geleidingsvermogen van oplossingen kan men het onderscheid tonen tussen sterke en
zwakke elektrolyten.
De ionisatiegraad wordt gedefinieerd als de verhouding van de hoeveelheid geïoniseerd elektrolyt en de hoeveelheid van het elektrolyt opgelost in water.
De ionisatiewetten kunnen uitgelegd worden op basis van wat in het eerste leerjaar van de derde graad gezien is
in verband met de verschuiving van het chemisch evenwicht.
4.8.2
De pH van een oplossing
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
51 het ionenproduct van water samen met zijn betekenis weergeven.
52 de pH van een oplossing definiëren.
DIDACTISCHE WENKEN
Bij het aanbrengen van het leerstofpunt ‘ionisatie-evenwichten in water' is het noodzakelijk even in te gaan
op de manier waarop de pH kan gemeten worden. Men kan op een eenvoudige wijze verschillende methoden demonstreren en inschakelen in laboefeningen zoals:
•
het gebruik van indicatorpapier;
•
het gebruik van indicatoren (oplossing);
•
het gebruik van een pH-meter bijvoorbeeld.
Men kan pH-metingen uitvoeren van stoffen uit het dagelijks leven zoals azijn, frisdrank, een zeepoplossing,
een shampoo en dergelijke.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
15
D/2009/7841/035
4.8.3
Zuur-basereacties volgens brönsted
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
53 de definitie van een zuur en van een base volgens de theorie van Brönsted verwoorden.
54 zuur-basekoppels aanduiden in een gegeven zuur-basereactie en zelf eenvoudige zuur-basereacties opstellen.
55 de zuur- en baseconstanten uitdrukken in functie van de evenwichtsconcentraties van de betrokken deeltjes
en hierdoor het verband leggen met de relatieve sterkte van zuren en basen (steeds gedefinieerd volgens
Brönsted).
56 tabellen met zuurconstanten gebruiken en de baseconstante van de geconjugeerde base afleiden uit de
zuurconstante van een zuur.
57 pH-berekeningen maken.
DIDACTISCHE WENKEN
In de theorie van Brönsted worden zuren en basen gedefinieerd als deeltjes. Een zuur wordt bepaald als een
deeltje dat een proton afstaat en een base als een deeltje dat een proton opneemt. Het is belangrijk dat die definitie door de leraar consequent toegepast wordt om geen verwarring te zaaien bij de leerlingen. Er moet duidelijk
een onderscheid gemaakt worden tussen een zuur en een base als stof (theorie van Arrhenius) en een zuur en
een base als deeltje (theorie van Brönsted).
De definities volgens Brönsted kunnen eerst ingeoefend worden met voorbeelden van protolysereacties met
watermoleculen als zuur- of basedeeltjes. Vervolgens kan men deze definities toepassen op neutralisatiereacties.
Men moet verduidelijken dat de baseconstante van een basedeeltje afgeleid wordt van de zuurconstante van het
geconjugeerde zuur, dit moet sterk benadrukt worden bij de amfolyte deeltjes.
Men moet ervoor zorgen dat de sterkte (concentratie) van zure en basische oplossingen niet verward wordt met
sterkte (zuur- en baseconstante) van zuren en basen.
4.8.4
Zuur-/basetitraties
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
58 een neutralisatiereactie omschrijven, in een deeltjesvergelijking weergeven en de betekenis van het equivalentiepunt inzien.
59 het pH-verloop tijdens een titratie (sterk zuur en sterke base) verduidelijken en de keuze van een geschikte
indicator toelichten.
60 het nut van een zuur-basetitratie verduidelijken en de keuze van een geschikte zuur-base-indicator toelichten.
16
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
DIDACTISCHE WENKEN
De leerlingen moeten inzien dat het equivalentiepunt niet moet overeenkomen met pH = 7, vermits dit enkel het
geval is bij een titratie tussen een sterk zuur en een sterke base.
Bij de titratie van een sterk zuur met een sterke base kan men gebruik maken van indicatoren en van een pHmeter. Om dit meer aanschouwelijk te maken kan men gebruik maken van de computer (realtime omstandigheden). Het tot stand komen van de titratiecurve kan rechtstreeks gevolgd worden op het scherm tijdens de titratie.
De titratie kan ook gesimuleerd worden met ingevoerde gegevens en het verloop van de titratiecurve kan op het
scherm gevolgd worden.
De resultaten van een titratie kunnen geïntegreerd worden in stoichiometrirsche berekeningen.
De werking van een zuur-base-indicator wordt toegelicht in het kader van het chemisch evenwicht.
Titraties zijn geschikt voor laboratoriumoefeningen. Wanneer men deze oplegt moeten ze eerst klassikaal behandeld worden.
4.8.5
Buffermengsels (U)
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
61 het doel van een buffermengsel en zijn samenstelling weergeven.
62 het werkingsprincipe van een buffer toelichten vanuit zuur-/base-evenwichten.
63 het belang van een buffer met een voorbeeld aantonen.
DIDACTISCHE WENKEN
De werking van de buffer wordt experimenteel aangetoond.
De formule om de pH van een buffer te berekenen kan hier worden afgeleid. Het begrip 'buffercapaciteit' moet
niet gedefinieerd worden, doch de leerlingen moeten wel inzien dat er voorwaarden zijn voor de zuurgeconjugeerde baseverhouding in het buffermengsel.
Men kan verwijzen naar ecologisch belangrijke buffersystemen en naar het belang van buffers in het bloed.
4.9
Heterogeen evenwicht (U)
4.9.1
Evenwicht vast-gas
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
64 de evenwichtsconstante uitdrukken in functie van de evenwichtsconcentraties. (U)
65 verschuiving van het evenwicht voorspellen en verduidelijken. (U)
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
17
D/2009/7841/035
DIDACTISCHE WENKEN
Men kan steunen op wat gezien werd voor het homogeen evenwicht. Ook hier dient men te benadrukken dat de
evenwichtsconstante van een bepaald evenwicht enkel afhankelijk is van de temperatuur.
4.9.2
Evenwicht vast-vloeibaar
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
66 het oplosbaarheidsproduct definiëren. (U)
67 het verband uitdrukken tussen de oplosbaarheid en het oplosbaarheidsproduct voor slecht oplosbare elektrolyten waarvan de vrijgekomen ionen stabiel zijn ten opzichte van water, in dat geval de oplosbaarheid in
water berekenen. (U)
68 het oplossen van neerslagen in verband brengen met het chemisch evenwicht. (U)
69 het principe van de neerslagtitratie verduidelijken. (U)
DIDACTISCHE WENKEN
Aan de hand van het oplosbaarheidsproduct kan men de oplosbaarheid van weinig in water oplosbare verbindingen berekenen. Men gebruikt hier enkel voorbeelden waarbij de ionen stabiel zijn ten opzichte van water zoals
weinig oplosbare chloriden, bromiden en jodiden en bijvoorbeeld geen sulfiden.
Men kan factoren die de oplosbaarheid beïnvloeden bespreken zoals bijvoorbeeld de temperatuur, de aanwezigheid van een gelijk ionsoort (gemeenschappelijk ion), de pH van de oplossing en zeker ook de vorming van complexionen.
4.10
Oxidatie-reductieverschijnselen
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
70 de begrippen oxidatie en reductie omschrijven.
71 in een gegeven deeltjesvergelijking de redoxkoppels aanduiden.
72 eenvoudige redoxvergelijkingen opstellen met behulp van de deelreactiemethode door controle van de ladings- en de atoombalans.
73 tabellen met normpotentialen van redoxstelsels gebruiken, hieruit afleiden dat oxidator en reductor relatieve
begrippen zijn.
74 enkele toepassingen verklaren bijvoorbeeld:
•
galvanische cel (element),
•
elektrolyse,
•
corrosie.
75 het nut van een redoxtitratie inzien en de resultaten van een redoxtitratie toepassen. (U)
18
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
DIDACTISCHE WENKEN
Men kan hier de analogie onderstrepen tussen een redoxreactie en een zuur-basereactie volgens Brönsted.
Tijdens de redoxreactie geschiedt er een uitwisseling van elektronen, tijdens een zuur-basereactie volgens Brönsted een uitwisseling van protonen.
Het opstellen van redoxvergelijkingen in een zuur en in een basisch midden moet ingeoefend worden. In een
zuur midden kan men hiervoor werken met waterstofionen of eventueel met hydroniumionen.
De ligging van het evenwicht kan bepaald worden aan de hand van de tabellen met de redoxpotentialen.
De anode zal algemeen gedefinieerd worden als de elektrode waar de oxidatie plaatsvindt en de kathode als de
elektrode waar de reductie plaatsvindt. Hierdoor kan men verduidelijken dat bij de elektrolyse de anode de positieve elektrode is, terwijl ze bij een galvanische cel de negatieve elektrode is.
Men kan de bronspanning van een galvanische cel berekenen bij normomstandigheden aan de hand van de Eowaarden.
Bij de redoxtitraties geeft men best een voorbeeld van permanganometrie. Het is evident dat men redoxtitraties
als laboefeningen kan geven, maar enkel wanneer ze ook theoretisch behandeld werden.
4.11
Koolstofchemie
4.11.1 Algemeen
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
76 een onderscheid maken tussen organische en anorganische stoffen.
DIDACTISCHE WENKEN
Het onderscheid tussen organische en anorganische stoffen kan historisch benaderd worden.
4.11.2 De bindingen van koolstof
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
77 verklaren waarom het koolstofatoom vier bindingen kan vormen.
78 de aard van de koolstofbindingen verduidelijken.
DIDACTISCHE WENKEN
Aan de hand van promotie van elektronen kan men verklaren waarom het koolstofatoom vier bindingen
vormt. Het is verder aangewezen om gebruik te maken van molecuulmodellen.
Het tot stand komen van een pi- en een sigmabinding kan hier gegeven worden steunend op overlapping
van atoomorbitalen (liefst aan de hand van modellen, transparanten, en dergelijke).
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
19
D/2009/7841/035
4.11.3 Koolstofketens
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
79 het onderscheid maken tussen vertakte en onvertakte ketens.
80 het onderscheid maken tussen cyclische en acyclische ketens.
81 enig inzicht hebben in de ruimtelijke structuur van de ketens.
82 het begrip isomerie verwoorden en isomeren van elkaar onderscheiden.
DIDACTISCHE WENKEN
Het gebruik van stereomodellen is noodzakelijk.
Structuurisomeren moet men door de leerlingen laten opstellen op basis van molecuulformules (brutoformules).
Naast structuurisomerie behandelt men de stereo-isomerie namelijk de geometrische en de optische isomerie.
Bij de geometrische isomerie kan men het onderscheid tussen de isomeren geven door de cis- en transvorm te
vermelden.
De optische isomerie kan enkel aangebracht worden aan de hand van stereomodellen. De optische isomerie kan
eventueel ook geïntegreerd behandeld worden in het punt 'Polyfunctionele verbindingsklassen'.
4.11.4 Reacties in de koolstofchemie
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
83 de begrippen reagens en substraat omschrijven.
84 een indeling geven voor de reagentia in nucleofiele, elektrofiele en radicalaire deeltjes.
85 de polariseerbaarheid van een binding verduidelijken.
86 het mesomeer effect verduidelijken aan de hand van enkele voorbeelden. (U)
DIDACTISCHE WENKEN
Een elementaire behandeling van de begrippen substraat en reagentia volstaat.
Het onderscheid tussen homolytische en heterolytische breking van een binding kan hier aangebracht worden.
20
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
4.11.5 Koolwaterstoffen (KWS)
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
87 verduidelijken waarom KWS (koolwaterstoffen) apolair of praktisch apolair zijn en hieruit gevolgen trekken
voor wat betreft hun fysische eigenschappen.
88 het onderscheid maken tussen verzadigde en onverzadigde KWS en hieruit gevolgen trekken voor wat betreft hun chemische eigenschappen.
89 het begrip homologe reeks omschrijven en verklaren hoe bepaalde fysische eigenschappen veranderen in
die reeks.
90 chemische eigenschappen van benzeen verklaren steunend op de mesomerie.
91 fysische eigenschappen van benzeen in verband brengen met zijn apolair karakter.
92 het principe van de nomenclatuurregels toepassen op eenvoudige KWS.
DIDACTISCHE WENKEN
Er geschiedt geen systematische benadering met opsomming van bereidingen en eigenschappen van alkanen,
alkenen, alkynen en alkadiënen.
Voor wat fysische eigenschappen zoals oplosbaarheid, vluchtigheid, geleidbaarheid enz. betreft kan men steunen op wat gezien werd in het eerste leerjaar van de derde graad namelijk in het leerstofpunt 'intermoleculaire
krachten en eigenschappen van stoffen'.
Men benadrukt het onderscheid tussen verzadigde en onverzadigde verbindingen.
Substitutiereacties zijn eigen aan verzadigde verbindingen en additiereacties zijn eigen aan onverzadigde verbindingen. Verbranding en kraking worden voorgesteld als degradatiereacties. De polymerisatie kan hier reeds
aan bod komen.
Een schematische voorstelling van elk reactietype volstaat, er moeten geen reactiemechanismen gegeven worden.
Het principe van de naamvorming volstaat, dit moet niet 'eindeloos' ingeoefend worden.
4.11.6 Monofunctionele verbindingsklassen
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
93 monofunctionele verbindingen beschouwen als afgeleid van de KWS door vervanging van één waterstofatoom door één ander atoom- of atoomgroep.
94 een chemische functie herkennen en benoemen.
95 eigenschappen van monofunctionele verbindingen verduidelijken, steunend op de aard van het KWSgedeelte en de aard van de chemische functie.
96 het principe van de nomenclatuurregels toepassen op eenvoudige monofunctionele verbindingen.
97 synthesewegen opstellen ter vorming van een gegeven monofunctionele verbinding. (U)
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
21
D/2009/7841/035
DIDACTISCHE WENKEN
Het is de bedoeling om de leerlingen meer inzichtelijk te leren werken. Er geschiedt geen systematische benadering van stofklassen met bereidingen en eigenschappen. Men zal terug steunen op wat gezien werd in het eerste
leerjaar van de derde graad onder het punt 'Moleculaire interacties en eigenschappen van stoffen'.
Het zuurkarakter van carbonzuren kan verklaard worden aan de hand van de mesomerie die aangebracht werd
in het eerste leerjaar van de derde graad.
De invloed van het inductief effect op de zuurconstante van de carbonzuren en op de baseconstante van aminen
kan besproken worden.
Het principe van de naamvorming bij deze verbindingsklassen volstaat, er kunnen ook triviale namen gegeven
worden.
Substitutieproducten van benzeen kunnen hier ook besproken worden.
4.11.7 Polyfunctionele verbindingsklassen (U)
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
98 polyfunctionele verbindingen beschouwen als afgeleid van de KWS door vervanging van meerdere waterstofatomen door gelijke of verschillende chemische functies.
99 verduidelijken dat eigenschappen van polyfunctionele verbindingen te wijten zijn aan de aard van het KWSgedeelte en aan de aard van de chemische functies.
100 het verband leggen tussen de molecuulstructuur van gluciden, lipiden en proteïnen en hun belangrijkste
eigenschappen.
DIDACTISCHE WENKEN
Het is niet de bedoeling een systematische benadering van de polyfunctionele verbindingsklassen te geven.
Men zal het verband leggen tussen structuur en eigenschappen en toepassen wat in het eerste leerjaar van de
derde graad gezien werd in verband met 'Moleculaire krachten en eigenschappen van stoffen'.
Optische isomerie kan hier aan bod komen.
De betekenis van lipiden, gluciden en proteïnen voor de voeding kan geïllustreerd worden.
4.12
Kunststoffen (U)
LEERPLANDOELSTELLINGEN
De leerlingen kunnen:
101 polymeren beschouwen als een aaneenschakeling van monomeren. (U)
102 het verloop van een polymerisatiereactie schematisch weergeven. (U)
103 het verloop van een polycondensatiereactie schematisch weergeven. (U)
22
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
104 kunststoffen indelen op basis van het al dan niet voorkomen van een vernetting tussen de ketens en op
basis van de graad van vernetting. (U)
105 inzien dat eigenschappen van kunststoffen een gevolg zijn van hun chemische structuur en van behandelingen uitgevoerd op het basispolymeermateriaal. (U)
DIDACTISCHE WENKEN
Het is niet nodig dat de leerlingen de vormgevingstechnieken kunnen beschrijven.
De polyadditie hoeft hier zeker niet aan bod te komen, de polycondensatie kan behandeld worden wanneer men
polyfunctionele verbindingsklassen gezien heeft.
5
EVALUATIE
De evaluatie moet informatie verstrekken over de mate waarop de leerlingen de algemene doelstellingen van het
vak en de leerplandoelstellingen bereikt hebben. Hierdoor kan de leraar remediërend optreden tijdens het
schooljaar en adviserend optreden voor wat de oriëntering van de leerling betreft op het einde van het schooljaar.
Tijdens het lesgebeuren kan nagegaan worden in welke mate algemene doelstellingen bereikt zijn, dit kan door
een leergesprek gevoerd tijdens het bespreken van een probleem, door observatie van de leerlingen bij het uitvoeren van (laboratorium)oefeningen en via toetsen en proefwerken.
In de vraagstelling bij de toetsen moet er variatie zijn voor wat betreft de vorm en de aard van de opdrachten,
deze laatste moeten zoveel mogelijk verschillende doelstellingen omsluiten. Er mogen, zonder overdrijven, enkele meerkeuzevragen gesteld worden. Denkvragen zijn nodig omdat de leerlingen de verworven kennis moeten
kunnen toepassen. Er moet echter niet overdreven worden wat het aantal gestelde vraagstukken betreft, al zijn
deze belangrijk. Normaal gezien mogen de leerlingen meestal gebruikmaken van een tabel met het PSE.
6
MINIMALE MATERIELE VEREISTEN
6.1
Basisinfrastructuur
•
een aangepaste demonstratietafel met water- en energievoorziening
•
werktafels voor de leerlingen
•
een voorziening voor de afvoer van schadelijke dampen en gassen
6.2
Basismateriaal voor chemie
•
volumetrisch materiaal
•
recipiënten (allerhande)
•
pipetvullers
•
statieven met toebehoren
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
23
D/2009/7841/035
6.3
Verwarmingselementen
Bijvoorbeeld:
•
bunsenbranders
•
elektrische verwarmingsplaten
•
verwarmingsmantels
6.4
Materiaal voor het uitvoeren van metingen
•
balans
•
themometers
•
stroom- en spanningsmeter (of multimeter) of geleidingsmeter of geleidbaarheidsmeter
•
pH-meter met elektrode en universele idicator
6.5
•
6.6
•
6.7
Spanningsbron
bron voor laagspanning (gelijk- en wisselspanning)
Stoffen
chemicaliën voor het uitvoeren van demonstratieproeven en leerlingenpractica
Materiaal voor het visualiseren in de chemie
•
molecuulmodellen
•
roostermodellen
•
projectietoestel met toebehoren
•
eventueel educatieve software voor demonstratie met computer
6.8
Wandplaten of transparanten
•
het periodiek systeem der elementen
•
de gevarensymbolen
6.9
Beschermmiddelen
•
veiligheidsbrillen
•
aangepaste beschermkledij
24
D/2009/7841/035
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
7
BIBLIOGRAFIE
7.1
Naslagwerken
•
BIERMANS, W., Biochemie, De Sikkel 1986.
•
BRESLOW, R., Mechanismen van organische reacties, A. Oosthoek's Uitgeversmaatschappij nv.
•
BRUGGEMANS, K., HERZOG, Y., VERSEE, V., Organische chemie, De Boeck (1986).
•
ENGBERSEN, J.F.J., Inleiding in bio-organische chemie, Pudoc Wageningen.
•
SCHOUTEN, Dr.A.E., VAN DER VEGT, Dr.ir.A.K., Plastics, Educatieve en technische uitgeverij Delta
Press (1991).
•
UDO, R., LEENE, H.R., Het chemisch practicum, een laboratoriumhandboek, Uitgeverij nib Zeist (1991).
•
VAN DE WEERDT, J., Formules en namen in de anorganische chemie, Uitgeverij De Sikkel.
•
Uitgaven van de Wetenschappelijke Bibliotheek, Natuur & Techniek, Maastricht.
•
Reeks Chemie Overal, Educaboek, Culemborg, Nederland.
•
Chemie In-Zicht Kunststoffen, Wolters, Leuven.
7.2
Tijdschriften -publicaties
•
Uitgaven van Pedagogisch-didactische Centra en Navormingscentra.
•
ECHO (Essays voor Chemie Onderwijs), een reeks naslagwerken chemie
KVCV (Koninklijke Vlaamse Chemische Vereniging), Groot Begijnhof 6, 3000 Leuven.
•
Chemische feitelijkheden, Actuele encyclopedie over chemie in relatie tot gezondheid, milieu en veiligheid,
H.D. Tjenk Willink, Uitgeverij Samson (Wolters-Kluwer).
•
Chemie actueel, Tijdschrift voor scheikundeonderwijs, KPC (Katholiek Pedagogisch Centrum), Den Bosch.
•
Chemie Magazine, KVCV (Koninklijke Vlaamse Chemische Vereniging), Groot Begijnhof 6, 3000 Leuven.
3de graad tso
Toegepaste chemie – Industriële wetenschappen
25
D/2009/7841/035