Van modderwater naar drinkwater: elke scheidingstechniek steunt op één verschil tussen stoffen
Je begint met de technieken, hun stofverschil en de namen van de onderdelen. Daarna lees je chromatogrammen en scheidingsschema's, scheid je zelf een mengsel, reken je met regenwater en test je filtermaterialen. In de uitdagingen ontwerp je de regenwaterfilter van de meetkas (opdracht 9.12, voor je Habitat-portfolio), maak je drinkwater op een eiland, volg je een PMD-zak door de sorteerinstallatie en debatteer je over regenwater of kraanwater.
Een drinkwaterbedrijf is een reeks scheidingstechnieken na elkaar, in het groot.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Oefenen
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.
techniek
stofverschil
(a) zeven
(b) decanteren
(c) filtreren
(d) destilleren
(e) centrifugeren
(f) chromatografie
(g) magnetisch scheiden
(h) indampen
(i) thee zetten (extraheren)
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.
letter
onderdeel
A
B
C
D
E
F
b
Waar gaat het koelwater in, en waarom daar?
c
Vul aan: wat op het filter achterblijft, is het ; wat erdoor loopt, het ; wat je bij destilleren opvangt, het .
9.3
Welke techniek kies je?
Oefenen1Begrijpen12 min
Kies telkens de beste techniek en noem het stofverschil.
a
Vul in.
je wil ...
techniek
stofverschil
(a) zand uit water halen
(b) zout uit zeewater halen
(c) ijzervijlsel uit zand halen
(d) olie van water scheiden
(e) alcohol uit wijn halen
(f) de kleurstoffen in een stiftinkt vinden
(g) room uit melk halen
(h) stof uit de lucht halen (stofzuiger)
(i) drinkbaar water uit zeewater maken
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.
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.
c
(c) Yasmin steekt de thermometer bij het destilleren tot in de vloeistof, en laat het koelwater bovenaan binnenlopen.
d
(d) Tuur sluit de opvangkolf af met een stop, zodat er geen alcohol verdampt.
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.
b
Welke kleurstof zit in alle stiften behalve één?
c
Bereken de verhouding (afstand vlek / afstand loopfront) voor de rode vlek. De rode vlek staat op 4,4 cm.
d
Is dit een bewijs dat de eigenaar van die stift de brief schreef?
Toepassen
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.
b
Weeg.
stof
massa (g)
ijzervijlsel
zand (droog)
keukenzout
samen
c
Hoeveel procent van het mengsel heb je teruggevonden? Waar is de rest gebleven?
d
Hoe zou je nagaan of je zout echt zuiver is?
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?
letter
stof(fen) of techniek
A
B
C
D
E
F
G
b
Waarom kan je de kurk afscheppen? Welk stofverschil is dat?
c
Hoe zou je het schema aanpassen als je ook het water wil terugwinnen?
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?
b
Waarom stijgt de temperatuur bij de zijbuis tijdens de destillatie?
c
Hoeveel mL alcohol zit er in de 200 mL wijn? Kan je die er met één destillatie volledig en zuiver uit halen?
d
Waarom gebruik je hier een elektrische verwarmingsplaat en geen brander?
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.
b
Waarom komt de zandfilter vóór de actieve kool?
c
Waarom komt het ontsmetten bijna op het einde?
d
Welke stap is geen scheiding? Wat doet ze dan wel?
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?
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?
c
(c) Hoe groot moet het opvangdak minstens zijn om in de droge maand rond te komen?
d
(d) Stel twee maatregelen voor om beter door een droge maand te komen.
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.
b
Welke variabelen houd je gelijk om de proef eerlijk te maken? Noem er minstens drie.
c
Meet.
filter
tijd voor 200 mL (s)
kruisje zichtbaar tot (cm)
geur, kleur
d
Welk filter is het beste? Is het water nu drinkbaar? Leg uit.
Helderheid en tijd gemeten, ook voor het ongefilterde water als referentie.
Besluit
Rangorde met afweging helderheid tegenover snelheid; drinkbaarheid correct beoordeeld.
Uitdagen
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.
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⋅r2⋅h.)
c
Maak een materiaallijst met prijsschatting.
onderdeel
materiaal
prijs (€)
d
Schrijf een onderhoudsplan: wat maak je schoon, hoe vaak?
e
Portfolio: welke veiligheidsregel hoort op het reservoir, en waarom?
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.
b
Welke twee faseovergangen gebeuren er, en waar? Waarom is het opgevangen water niet zout?
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?
d
Waarom mag je niet gewoon zeewater filtreren door je T-shirt om het drinkbaar te maken?
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.
b
Op welk verschil in eigenschap steunt elke stap?
c
Waarom moet de magneet vóór de wervelstroomscheider staan?
d
Na de scanners blijft een mengsel van snippers PET en PP over. Hoe scheid je die goedkoop? (Hoofdstuk 7.)
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.
b
Geef drie argumenten voor kraanwater.
c
Welke meting of welk experiment zou helpen om te beslissen?
d
Wat is jouw keuze voor Habitat, dat op den duur zelfvoorzienend moet zijn? Motiveer in twee zinnen.
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.
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan voor elke scheidingstechniek zeggen op welk verschil in stofeigenschap ze steunt.
Ik kan zeven, bezinken, decanteren, centrifugeren, filtreren, indampen, kristalliseren en destilleren beschrijven en de juiste kiezen voor een mengsel.
Ik kan een filtreer- en een destillatieopstelling tekenen en de onderdelen benoemen, en de woorden residu, filtraat en destillaat correct gebruiken.
Ik kan een papierchromatografie uitvoeren en een chromatogram lezen.
Ik kan magnetisch scheiden, extraheren en adsorberen uitleggen met een voorbeeld.
Ik kan een scheidingsschema lezen en zelf een scheidingsschema ontwerpen voor een mengsel van drie of vier stoffen.
Ik kan de stappen van de drinkwaterzuivering in de juiste volgorde uitleggen, met het stofverschil bij elke stap.
Ik kan een eenvoudige regenwaterfilter ontwerpen en uitleggen waarom gefilterd regenwater geen drinkwater is.
