FFundamental · deel F2 · Materie en materialen

Oplossingen · hoofdstuk 9Mengsels scheiden

Van modderwater naar drinkwater: elke scheidingstechniek steunt op één verschil tussen stoffen

Uitgewerkte oplossingen bij de 15 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.

5× oefenen6× toepassen4× uitdagen± 370 min

MMaterie en chemie DOntwerpen en maken

Een drinkwaterbedrijf is een reeks scheidingstechnieken na elkaar, in het groot.

Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.

Oefenen

één stap, direct toepassen

9.1

Welk stofverschil?

Oefenen1Begrijpen10 min

Verbind elke techniek met het stofverschil waarop ze steunt.

a
Vul in: grootte, dichtheid, kookpunt, oplosbaarheid, magnetisme of hechting aan papier.
(a) grootte. (b) dichtheid. (c) grootte. (d) kookpunt. (e) dichtheid. (f) hechting aan het papier en oplosbaarheid in de loopvloeistof. (g) magnetisme. (h) kookpunt (het oplosmiddel verdampt). (i) oplosbaarheid in heet water.

9.2

De onderdelen benoemen

Oefenen1Begrijpen12 min

Twee opstellingen met letters.

Destillatieopstelling met de letters A tot F.

a
Benoem A tot F in de destillatieopstelling.
A verwarmingsplaat; B destilleerkolf (met het mengsel); C thermometer; D Liebigkoeler; E destillaat in de opvangkolf; F kookstenen.
b
Waar gaat het koelwater in, en waarom daar?
Onderaan, aan de lage kant. Zo blijft de mantel helemaal gevuld, en stroomt het water tegen de damp in (tegenstroom): het koudste water koelt het laatste stuk.
c
Vul aan: wat op het filter achterblijft, is het ; wat erdoor loopt, het ; wat je bij destilleren opvangt, het .
residu; filtraat; destillaat.

9.3

Welke techniek kies je?

Oefenen1Begrijpen12 min

Kies telkens de beste techniek en noem het stofverschil.

a
Vul in.
(a) bezinken en decanteren of filtreren (dichtheid, grootte). (b) indampen (kookpunt). (c) magneet (magnetisme). (d) scheitrechter (dichtheid, mengen niet). (e) destilleren (kookpunt). (f) chromatografie (hechting en oplosbaarheid). (g) centrifugeren (dichtheid). (h) filtreren (grootte). (i) destilleren (kookpunt), of een fijn membraan.

9.4

Wat gaat er mis?

Oefenen2Begrijpen12 min

Vier leerlingen maken een fout. Wat gaat er mis, en hoe doe je het beter?

a
(a) Lotte filtreert zout water om het zout eruit te halen.
Het zout is opgelost en loopt door het filter mee. Indampen (of destilleren als je ook het water wil).
b
(b) Bram trekt de startlijn van zijn chromatogram met een blauwe balpen, en zet de strook zo diep in het water dat de lijn onder water staat.
De inkt van de balpen lost zelf op en loopt mee; en de stip lost meteen in het water op in plaats van mee op te schuiven. Potlood, en de startlijn boven het water.
c
(c) Yasmin steekt de thermometer bij het destilleren tot in de vloeistof, en laat het koelwater bovenaan binnenlopen.
Ze meet dan de temperatuur van de vloeistof, niet van de damp die naar de koeler gaat: het reservoir hoort ter hoogte van de zijbuis. Koelwater hoort onderaan in, anders blijft de mantel half leeg.
d
(d) Tuur sluit de opvangkolf af met een stop, zodat er geen alcohol verdampt.
De opstelling is dan gesloten: de druk loopt op en het glas kan springen, of een stop schiet eruit. Een destillatie moet altijd open zijn naar de lucht.

9.5

Welke stift schreef de brief?

Oefenen2Analyseren12 min

Op een anonieme brief staat een tekst in zwarte stift. Drie leerlingen hebben elk een zwarte stift. Een leerling maakt een chromatogram van de drie stiften en van een stukje inkt van de brief.

Chromatogram: startlijn onderaan, loopfront bovenaan, op 8,0 cm van elkaar.

a
Met welke stift is de brief geschreven? Leg uit.
Met stift B: dezelfde drie vlekken op dezelfde hoogtes (blauw, rood, geel) als de inkt van de brief.
b
Welke kleurstof zit in alle stiften behalve één?
Rood zit in B en C (en in de brief), niet in A. Blauw zit in A en B. Geel in B en C. (Elke kleur ontbreekt dus in één stift.)
c
Bereken de verhouding (afstand vlek / afstand loopfront) voor de rode vlek. De rode vlek staat op 4,4 cm.
$4, 4/8, 0 = 0, 55$ .
d
Is dit een bewijs dat de eigenaar van die stift de brief schreef?
Nee: het toont alleen dat de inkt hetzelfde is. Er kunnen meer stiften van hetzelfde merk en type bestaan, en iemand anders kan de stift geleend hebben.

Toepassen

meerdere stappen, in een context

9.6

Labo: zand, zout en ijzervijlsel scheiden

Toepassen3Labo50 min

Je krijgt 20,0 g van een mengsel van zand, keukenzout en ijzervijlsel. Scheid het volgens het scheidingsschema uit het handboek en weeg de drie stoffen achteraf.

a
Schrijf voor elke stap wat je doet, welk materiaal je gebruikt en waar je op let.
1. Magneet in een plastic zakje door het droge mengsel halen: ijzervijlsel eraf in een schaaltje. 2. Rest in een beker met ongeveer 50 mL water, roeren tot het zout opgelost is. 3. Filtreren: zand op het filter (spoel het na met een beetje water), filtraat opvangen. 4. Filtraat indampen tot droog. 5. Zand op het filterpapier laten drogen.
b
Weeg.
Bijvoorbeeld: ijzer 4,8 g, zand 9,6 g, zout 4,5 g; samen 18,9 g.
c
Hoeveel procent van het mengsel heb je teruggevonden? Waar is de rest gebleven?
$18, 9/20, 0 \times 100 \approx 94, 5 %$ . Verliezen: zout dat in het filterpapier en in de beker achterbleef, zand in het papier, kristallen die uit de schaal sprongen, ijzervijlsel dat aan het zand bleef hangen.
d
Hoe zou je nagaan of je zout echt zuiver is?
Bijvoorbeeld: nagaan of het volledig oplost en helder is (geen zand), het smeltpunt of de oplosbaarheid vergelijken met de tabel (hoofdstuk 8), of met een magneet controleren of er geen ijzer in zit.

Zo wordt dit beoordeeld

Werkwijze	Magneet in een zakje; oplossen met weinig water; filtreren zonder over de rand; indampen tot droog.
Veiligheid	Bril bij het indampen; schaal laten afkoelen; brander nooit onbewaakt.
Metingen	Drie massa's met eenheid, zand gedroogd voor het wegen.
Besluit	Rendement berekend; verliezen concreet verklaard.

9.7

Een schema aanvullen

Toepassen3Analyseren15 min

Een mengsel van water, keukenzout, zand en kurkkorrels wordt gescheiden volgens dit schema.

Vul de letters A tot G in.

a
Wat staat er op de plaats van A tot G?
A kurkkorrels; B water + zout + zand; C filtreren (of bezinken en decanteren); D zand; E zout water; F indampen; G keukenzout.
b
Waarom kan je de kurk afscheppen? Welk stofverschil is dat?
Kurk (± 0,2 g/cm³) drijft op water: dichtheid.
c
Hoe zou je het schema aanpassen als je ook het water wil terugwinnen?
Destilleren in plaats van indampen: het water condenseert in de koeler (destillaat), het zout blijft in de kolf.

9.8

Alcohol uit wijn

Toepassen3Analyseren15 min

In een labo destilleert de leraar 200 mL wijn met 12 % alcohol. Ethanol kookt bij 78 °C, water bij 100 °C. De thermometer bij de zijbuis toont eerst ongeveer 90 °C en stijgt daarna langzaam tot bijna 100 °C.

a
Waarom bevat het eerste destillaat veel meer alcohol dan de wijn?
Ethanol kookt lager dan water en verdampt makkelijker. De damp die uit de kokende wijn komt, bevat daardoor verhoudingsgewijs veel meer ethanol dan de wijn zelf (bij het begin ongeveer de helft), en het destillaat dus ook.
b
Waarom stijgt de temperatuur bij de zijbuis tijdens de destillatie?
Naarmate de ethanol uit de kolf verdwijnt, blijft er meer water over. De damp bevat steeds meer water, en de temperatuur schuift op naar het kookpunt van water.
c
Hoeveel mL alcohol zit er in de 200 mL wijn? Kan je die er met één destillatie volledig en zuiver uit halen?
$0, 12 \times 200 = 24 mL$ . Nee: er verdampt altijd ook water mee, en met gewoon destilleren kom je nooit boven ongeveer 96 % alcohol.
d
Waarom gebruik je hier een elektrische verwarmingsplaat en geen brander?
Ethanoldamp is licht ontvlambaar (GHS02): een open vlam kan de damp doen ontbranden.

9.9

Drinkwater: de stappen op volgorde

Toepassen2Begrijpen12 min

De stappen van een drinkwaterbedrijf zijn door elkaar geraakt: actieve kool; rooster en zeef; ontsmetten met uv; zandfilter; controle in het labo; vlokken en bezinken.

a
Zet de stappen in de juiste volgorde.
Rooster en zeef; vlokken en bezinken; zandfilter; actieve kool; ontsmetten met uv; controle in het labo.
b
Waarom komt de zandfilter vóór de actieve kool?
Anders raken de poriën van de actieve kool verstopt met slib, en is ze snel 'vol'. Eerst grof, dan fijn.
c
Waarom komt het ontsmetten bijna op het einde?
Uv-licht (en chloor) werken het best in helder water: deeltjes kunnen bacteriën afschermen. En na het ontsmetten mag het water niet meer besmet raken.
d
Welke stap is geen scheiding? Wat doet ze dan wel?
Ontsmetten: het haalt niets uit het water, maar doodt de bacteriën en virussen die er nog in zitten.

9.10

Regenwater per maand

Toepassen3Rekenen20 min

Het dak van de meetkas is 0,72 m². 1 mm regen geeft 1 L per m². De planten verbruiken 1,8 L per dag. Het reservoir bevat maximaal 30 L. Reken voor een maand met 30 dagen.

a
(a) Een natte maand: 90 mm regen. Hoeveel liter vangt het dak op? Hoeveel verbruiken de planten? Wat gebeurt er met het teveel?
$0, 72 \times 90 \approx 65 L$ ; verbruik $30 \times 1, 8 = 54 L$ . Het reservoir loopt vol en het teveel (ongeveer 11 L, min de first flush) gaat via de overloop naar buiten.
b
(b) Een droge maand: 20 mm. Hoeveel liter tekort is er? Hoeveel keer moet je het reservoir bijvullen als het aan het begin vol is?
$0, 72 \times 20 \approx 14, 4 L$ ; tekort $54 - 14, 4 \approx 39, 6 L$ . Met een vol reservoir (30 L) aan het begin kom je 30 L ver: je moet nog minstens één keer ongeveer 10 L bijvullen, of het reservoir één keer helemaal.
c
(c) Hoe groot moet het opvangdak minstens zijn om in de droge maand rond te komen?
$54 L /20 mm = 2, 7 L$ per mm, dus een dak van minstens $2, 7 m^{2}$ (en meer, als je de first flush meetelt).
d
(d) Stel twee maatregelen voor om beter door een droge maand te komen.
Bijvoorbeeld: een groter reservoir of een extra regenton die in natte maanden volloopt; water opvangen van een groter dak (tuinhuis); de planten mulchen zodat er minder verdampt; een vlotter die meldt wanneer je moet bijvullen (hoofdstuk 25).

9.11

Onderzoek: welk filter maakt water het helderst?

Toepassen3Onderzoeken50 min

Maak troebel water: 1 L water met twee eetlepels tuingrond, goed geroerd. Bouw filters uit PET-flessen waarvan je de bodem afsnijdt (hals naar beneden, met een propje watten in de hals). Vul ze met verschillende materialen: grind, zand, grind op zand, zand met een laag actieve kool, een koffiefilter. De helderheid meet je zo: giet het filtraat in een hoge maatcilinder op een wit blad met een zwart kruisje, en noteer tot welke hoogte je het kruisje nog scherp ziet.

a
Formuleer een onderzoeksvraag en een hypothese.
Bv.: 'Welk filtermateriaal maakt troebel water het helderst?' Hypothese: 'Zand met actieve kool, omdat zand fijne deeltjes tegenhoudt en kool kleur en geur.'
b
Welke variabelen houd je gelijk om de proef eerlijk te maken? Noem er minstens drie.
Hetzelfde troebel water (goed roeren voor je giet), hetzelfde volume, dezelfde laagdikte van het filtermateriaal, dezelfde flessen, dezelfde manier van gieten en meten.
c
Meet.
Typisch: ongefilterd een paar cm; grind nauwelijks beter; zand duidelijk beter maar trager; zand met actieve kool het helderst en zonder geur; koffiefilter helder maar traag en snel verstopt.
d
Welk filter is het beste? Is het water nu drinkbaar? Leg uit.
Meestal zand met actieve kool, of grind op zand (sneller). Drinkbaar is het niet: de filter haalt geen bacteriën en virussen weg (er is geen ontsmetting), en opgeloste stoffen gaan grotendeels door.

Zo wordt dit beoordeeld

Opzet	Eén variabele (het filtermateriaal); zelfde troebel water, volume, laagdikte.
Metingen	Helderheid en tijd gemeten, ook voor het ongefilterde water als referentie.
Besluit	Rangorde met afweging helderheid tegenover snelheid; drinkbaarheid correct beoordeeld.

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

9.12

Habitat: de regenwaterfilter ontwerpen

Uitdagen4Habitat60 min

Ontwerp de regenwaterfilter voor de meetkas. Programma van eisen: (1) er komen geen bladeren, insecten of zand in het reservoir; (2) de eerste liter van elke bui gaat niet naar het reservoir; (3) het reservoir blijft donker en dicht; (4) als het reservoir vol is, loopt het teveel naar buiten; (5) het water is proper genoeg voor een druppelslang met gaatjes van 1 mm; (6) je kan alles schoonmaken zonder gereedschap; (7) het budget is 25 euro. Dak: 0,72 m².

a
Teken je ontwerp als zijaanzicht, met goot, bladvanger, first flush, filter, reservoir, overloop en pomp. Zet bij elk onderdeel welke scheidingstechniek het gebruikt.
Zoals het ontleedblad: goot met bladvanger (zeven), first flush (afscheiden van het vuilste water, daarna bezinkt er ook wat), grind- en zandfilter of filterdoek (filtreren), donker afgedekt reservoir (bezinken, geen algen), overloop, pomp met aanzuigfilter (zeven).
b
Hoeveel liter moet de first flush opvangen, als je 1 L per m² dak neemt? Welke buis kies je: een buis met een binnendiameter van 4 cm of van 6 cm, en hoe lang moet ze zijn? (Volume van een buis: $π \cdot r^{2} \cdot h$ .)
$1 L/ m^{2} \times 0, 72 m^{2} \approx 0, 72 L = 720 c m^{3}$ . Buis van 4 cm: $π \times 2^{2} \approx 12, 6 c m^{2}$ , lengte $720/12, 6 \approx 57 cm$ . Buis van 6 cm: $π \times 3^{2} \approx 28, 3 c m^{2}$ , lengte $720/28, 3 \approx 25 cm$ . De buis van 6 cm past beter naast de kas (die is 80 cm hoog).
c
Maak een materiaallijst met prijsschatting.
Bijvoorbeeld: PVC-buis 6 cm (4 €), T-stuk en eindkap met kraantje (5 €), pingpongbal als vlotter (1 €), emmer of bak als filterhuis (4 €), grind en zand (3 €), filterdoek (3 €), bladvanger (3 €): ongeveer 23 €.
d
Schrijf een onderhoudsplan: wat maak je schoon, hoe vaak?
Bladvanger elke week (en na storm); first flush na elke bui laten leeglopen; filterdoek of bovenste zandlaag maandelijks uitspoelen; aanzuigfilter maandelijks; reservoir twee keer per jaar leegmaken en uitborstelen.
e
Portfolio: welke veiligheidsregel hoort op het reservoir, en waarom?
'Geen drinkwater': het water is gefilterd maar niet ontsmet en niet gecontroleerd; het kan bacteriën van vogelpoep en stof bevatten.

Zo wordt dit beoordeeld

Ontwerp	Alle onderdelen aanwezig, in een logische volgorde (grof naar fijn), met de techniek bij elk onderdeel.
Berekening	First flush in liter, buis gekozen en lengte berekend met eenheden.
Haalbaarheid	Materialen verkrijgbaar, binnen budget, schoon te maken.
Veiligheid	Etiket 'geen drinkwater' en de reden; handen wassen na onderhoud.

9.13

Ontwerp: drinkwater op een onbewoond eiland

Uitdagen4Ontwerpen40 min

Je strandt op een onbewoond eiland zonder zoet water. Je hebt: een doorzichtig plastic zeil, een emmer, een beker, een paar stenen, touw en een schop. Er is zeewater en veel zon. Een test met een zonnedestillator levert op een zonnige dag ongeveer 2,5 L drinkwater per m² zeil op.

a
Teken hoe je met deze spullen een zonnedestillator bouwt, en duid aan waar het zeewater, de damp, het condensaat en het drinkwater zitten.
Een kuil of emmer met zeewater, de beker in het midden, het zeil strak erover met stenen op de rand en een klein steentje midden boven de beker, zodat het zeil daar het laagst hangt.
b
Welke twee faseovergangen gebeuren er, en waar? Waarom is het opgevangen water niet zout?
Verdampen in de emmer (de zon warmt het water op), condenseren tegen de onderkant van het zeil (koeler door de wind). De druppels lopen naar het laagste punt en vallen in de beker. Het zout verdampt niet: het blijft achter, zoals bij destilleren.
c
Een mens heeft minstens ongeveer 3 L drinkwater per dag nodig in een warm klimaat. Hoe groot moet je zeil zijn? Wat als het bewolkt is?
$3 L /2, 5 L/ m^{2} = 1, 2 m^{2}$ ; bij bewolking levert de destillator veel minder op, dus neem een groter zeil of meerdere destillators (bv. 2 à 3 m²).
d
Waarom mag je niet gewoon zeewater filtreren door je T-shirt om het drinkbaar te maken?
Het zout is opgelost en gaat door elke doek of filter mee (hoofdstuk 8). Zeewater drinken maakt dorstiger.

Zo wordt dit beoordeeld

Ontwerp	Werkend principe: put of emmer met zeewater, zeil erover met een steen in het midden, beker onder het laagste punt.
Verklaring	Verdampen door de zon, condenseren tegen het koelere zeil; het zout verdampt niet.
Berekening	Oppervlakte met eenheid, en een marge voor bewolkte dagen.
Kritisch	Filtreren haalt opgeloste zouten niet weg.

9.14

De weg van een PMD-zak

Uitdagen4Analyseren25 min

In een sorteercentrum wordt de inhoud van PMD-zakken (plastic flessen en flacons, metalen verpakkingen, drankkartons) automatisch gesorteerd. De installatie gebruikt: (1) een magneet; (2) een wervelstroomscheider, die met een snel draaiend magneetveld aluminium wegschiet (maar die beschadigd raakt door stukken ijzer); (3) een windzifter, die met een luchtstroom lichte, platte folies wegblaast; (4) scanners die met onzichtbaar licht de soort kunststof herkennen en met een luchtstoot elk stuk in het juiste bakje blazen; (5) een zeef die de zakken openscheurt en kleine stukjes en vuil laat doorvallen.

a
Zet de vijf stappen in een logische volgorde en teken het scheidingsschema.
Bijvoorbeeld: zakopener en zeef → windzifter → magneet → wervelstroomscheider → scanners met luchtstoten. (Windzifter en magneet mogen van plaats wisselen.)
b
Op welk verschil in eigenschap steunt elke stap?
Zeef: grootte. Windzifter: massa en vorm (lichte, platte folies worden meegenomen door de lucht). Magneet: magnetisme (staal). Wervelstroom: elektrische geleiding van aluminium (niet-magnetisch metaal). Scanners: hoe elke kunststof het licht terugkaatst (de soort stof).
c
Waarom moet de magneet vóór de wervelstroomscheider staan?
Stalen blikjes zouden in de wervelstroomscheider warm worden en de machine beschadigen. De magneet haalt ze er eerst uit; daarna blijft van de metalen alleen aluminium over.
d
Na de scanners blijft een mengsel van snippers PET en PP over. Hoe scheid je die goedkoop? (Hoofdstuk 7.)
Met een zink-drijfbak met water: PP (0,90 g/cm³) drijft, PET (1,38 g/cm³) zinkt.

9.15

Debat: regenwater of kraanwater voor de meetkas?

Uitdagen3Argumenteren25 min

Het klasbestuur twijfelt: gebruikt de meetkas regenwater van haar eigen dak (met de filter uit dit hoofdstuk), of gewoon kraanwater uit de gieter? Bereid met je groepje argumenten voor beide kanten voor.

a
Geef drie argumenten voor regenwater.
Gratis; bijna geen kalk (zacht water, geen kalkaanslag in de druppelslang); geen energie en chemicaliën nodig om het te zuiveren; zelfvoorzienend, zoals een echt station.
b
Geef drie argumenten voor kraanwater.
Altijd beschikbaar, ook in een droge maand; gecontroleerd en proper; geen onderhoud aan goot en filter; bekende samenstelling.
c
Welke meting of welk experiment zou helpen om te beslissen?
Bijvoorbeeld: een groeiproef met twee groepen planten (regenwater en kraanwater, al de rest gelijk, hoofdstuk 2); de geleiding van beide soorten water meten (opgeloste zouten); na een maand kijken hoeveel bezinksel en algen er in het reservoir zijn.
d
Wat is jouw keuze voor Habitat, dat op den duur zelfvoorzienend moet zijn? Motiveer in twee zinnen.
Bijvoorbeeld: 'Regenwater als hoofdbron, want Habitat moet zelfvoorzienend worden; kraanwater als reserve in droge maanden, met een sensor die waarschuwt.'

Zo wordt dit beoordeeld

Argumenten	Concreet en juist: kalk, kosten, energie, betrouwbaarheid, hygiëne.
Onderzoek	Een meetbare vergelijking voorgesteld (groei, geleiding, pH, bezinksel).
Standpunt	Verbindt de keuze met het doel van Habitat.