Bruisende Bubbels: CO2 bij natuurkennis op de basisschool Teach article

Vertaald door Piet Das. Marlene Rau presenteert hier een aantal bruisende en bubbelende activiteiten met koolstofdioxide, ontwikkeld door “Chemol” and “Science on the Shelves”.

Inleiding

Koolstofdioxide (CO₂) is niet alleen een van de belangrijkste broeikasgassen, maar het is overal om ons heen te vinden: in de lucht (0,0388 vol%)die we inademen; in de lucht die we uitademen (4 vol%); in frisdrank met prik; in cake die rijst dankzij de CO₂ die wordt geproduceerd door bakpoeder; en wanneer organische stoffen als kaarsvet, papier, hout of benzine verbrand worden. In vloeibare vorm wordt het gebruikt in brandblussers en als koelmiddel in de voedingsindustrie (bijvoorbeeld om ijsjes op te slaan en te vervoeren).

CO₂ kan in hoge concentraties gevaarlijk worden voor mensen en andere dieren, maar het is ook een bron voor leven: bij de fotosynthese gebruiken planten CO₂ en licht om suiker, zetmeel, vetten en eiwitten te produceren en ook zuurstof die we nodig hebben om te overleven.

De hierna volgende activiteiten van Chemol^w1 and Science on the Shelves^w2 (zie box) zijn een introductie voor basisschoolkinderen tot dit belangrijke gas. Om de activiteiten te ondersteunen is meer achtergrondinformatie over de chemie, natuurkundig belang, opsporen en voorkomen van CO₂ beschikbaar in de extra blokken^w3.

Let op: de hoeveelheden koolstofdioxide die in deze activiteiten geproduceerd worden zijn niet hoog genoeg om gevaarlijk te zijn.

Opblaasballonnen

Als je water bij bruistabletten of bakpoeder doet ontstaan er bubbels: er wordt een gas gevormd. Je kunt dit gas gebruiken om een ballon op te blazen zonder dat je zelf hoeft op te blazen. Watvoor gas is dat? Laten we het opvangen en analyseren.

Materialen

• Balonnen
• Een trechter
• Bruistabletten (bv vitamine C tabletten) Bakpoeder (of soda en azijn)
• Een doorzichtige 500 mL fles
• Water
• Bekerglazen
• A theelichtje
• Lucifers
• Een tang (of een houten saté-stokje)
• Kalkwater: meng een lepel cement of mortel met 250 mL water. Laat het troebele mengsel bezinken en filtreer het daarna door twee papieren koffiefilterzakjes. Het filtraat is kalkwater.
• Een dik rietje

Werkwijze

De eerste zes stappen zijn bij beide activiteiten gelijk – daarna heb je twee mogelijkheden voor het vervolg.

1. Blaas de ballon op en laat de lucht er weer uitlopen om het rubber elastischer te maken.
2. Gebruik de trechter om de ballon te vullen met een zakje bakpoeder (20 g) of vijf gestampte bruistabletten.
3. Giet 2-3 cm water in de fles
4. Trek de ballon over de flessenhals en tik het bak/bruistabletpoeder in de fles. Het kan nodig zijn om hierna de ballon op de flessenhals vast te houden om zo te voorkomen dat hij er afglijdt
5. Schudt de fles lichtjes. De ballon vult zich met een gas dat is gemaakt uit de tabletten of het bakpoeder.

6. Als de ballon niet verder opgeblazen wordt draai dan de ballon dicht zodat er geen gas meer kan ontsnappen en trek hem van de fles af.

A) Watvoor gas is het?

7. Doe wat kalkwater in een bekerglas.
8. Doe het rietje in de tuit van de ballon en laat dan het gas langzaam en voorzichtig ontsnappen uit de ballon in het kalkwater. Het kalkwater zal troebel worden.

De kalkwater test om CO₂ aan te tonen werd ontwikkeld door de scheikundige Joseph Black (1728 – 1799). Zowel cement als mortel bevatten calciumhydroxide (Ca(OH)₂). Als CO₂ bij de oplossing van Ca(OH)₂, gedaan wordt, ontstaan erg kleine calciumcarbonaat (CaCO₃) deeltjes; die maken het kalkwater troebel.

Waar kwam onze CO₂ vandaan? Zowel bakpoeder als bruistabletten bevatten natriumbicarbonaat (NaHCO₃) en een vast zuur (zoals citroenzuurkristallen of monocalciumfosfaat). Natriumbicarbonaat en het zuur reageren met elkaar door het contact met het water, waarbij ze uiteindelijk water en CO₂. vormen. Dit gas vormt de belletjes als de bruistablet oplost; het is ook de stof die een cake laat rijzen.

B) Het gas is zwaar.

7. Houd de tuit van de ballon in een beker en laat het gas er uit lopen. Je ziet niets, maar we zullen zien of er iets is gebeurd. Leg de beker op zijn kant.
8. Steek een theelichtje aan en gebruik een tang om het in een tweede lege beker te zetten (als alternatief kun je ook het saté-stokje in de was steken en die gebruiken om het theelichtje in de beker te tillen). Het moet blijven branden.
9. Zet nu het theelichtje in de eerste beker, die het gas uit de ballon bevat. Wat gebeurt er?

De kaars zou moeten stoppen met branden omdat het gas (CO₂) de vlam zal doven.

10. Herhaal de stappen 1 – 7 om meer CO₂ in een beker te verzamelen. Giet de onzichtbare inhoud van deze beker nu in nog een andere lege beker. Zet een brandend theelichtje in deze beker. Wat gebeurt er?

Weer wordt de vlam gedoofd, waarbij is aangetoond dat we in staat zijn om het gas van de ene beker in een ander te gieten, alsof het een vloeistof was. Dit toont aan dat CO₂ zwaarder dan lucht is.

Je eigen “sherbet” of drankje-met-prik maken.

Meng 3 volle lepels natriumbicarbonaat met 1 volle lepel citroenzuurkristallen (voedselkwaliteit). Doe er om de smaak te verbeteren óf 2-4 volle lepels poedersuiker óf 1 volle lepel gelatinepoeder bij. Je “sherbet” is klaar om te proeven.

De kristallen van het citroenzuur lossen op je tong op en reageren met het natriumbicarbonaat. Dit produceert belletjes koolstofdioxidegas, dat een prikkend gevoel op je tong geeft. Om een drankje-met-prik te maken kun je de “sherbet” mengen met water.

Parelende explosieven

Raketten en explosieven werken doordat er gigantische hoeveelheden gas in een korte tijd opgewekt worden. Je kunt je eigen raketten maken door citroenzuur en bakpoeder of bruistabletten te gebruiken.

Het koolzuurkanon

Materialen

• Een leeg buisje (met dekseltje) waarin bruistabletten hebben gezeten of een doosje waarin fotofilmpjes hebben gezeten; dat wordt je kanon
• Een bruistablet of bakpoeder en citroenzuurkristallen
• Water
• Een doorzichtige buis of drinkglas waar de lege buis rechtop in kan staan; dit is je lanceerplatform

Uitvoering

1. Giet ongeveer 2 cm water in het buisje of het filmdoosje, doe er dan de bruistablet bij; als alternatief kun je ¼ theelepel bakpoeder met evenveel citroenzuurkristallen mengen in de buis en er een paar druppels water bij doen.
2. Doe het dekseltje er snel op, zet het kanon in je lanceerplatform en stap achteruit (minstens 1 – 2 meter weg).

Als de citroenzuurkristallen en het bakpoeder oplossen in water, reageren ze met elkaar waarbij ze koolstofdioxidegas produceren. Bruistabletten bevatten beide ingrediënten al (natriumbicarbonaat en een zuur) die met elkaar zullen reageren als water wordt toegevoegd. Het ontstane gas zet uit, terwijl het tegen de wand en deksel van het kanon drukt. Als de druk groter wordt dan het zwakste punt van de omringende wand (het dekseltje) zal het kanon met veel lawaai exploderen, waarbij het dekseltje tot 5 meter de lucht inschiet, terwijl het gas vrijkomt.

3. Doe het dekseltje er weer op en herhaal het experiment.

Houd bij hoe lang het duurt voordat het dekseltje er af gaat en experimenteer daarna met verschillende hoeveelheden. Probeer bijvoorbeeld om het dekseltje er exact na 1 minuut af te laten schieten.

Koolstofdioxide in de werkplaats – op aarde en in de ruimte

Koolstofdioxide kan gevaarlijk zijn als het in voldoende hoge concentraties ophoopt. Om dit en andere gevaarlijke gassen in de werkplaats gaten te houden gebruikt EFDA-JET^w4 verschillende instrumenten, zowel voor handgebruik als geïnstalleerd in gebouwen, om gassen op te sporen die de zuurstofconcentratie verlagen en zo tot verstikking kunnen leiden. De gemonitorde gassen omvatten niet alleen koolstofdioxide en andere cryogene gassen zoals helium, maar ook stikstof (wordt gebruikt om vuur te onderdrukken) zwavelhexafluoride (SF6, een isolerend gas voor elektriciteit) en de damp van koelvloeistoffen zoals Galden^®. Voordat gewerkt wordt in ruimtes waar deze gassen een gevaar vormen, moet de staf het geïnstalleerde instrumentarium controleren of een meting aanvragen met handinstrumenten om er zeker van te zijn dat de lucht in de ruimte veilig is.

Koolstofdioxide is ook een mogelijk gevaarlijke stof 350 km boven het aardoppervlak – voor astronauten aan boord van het Internationale Ruimte Station (ISS), een samenwerking tussen het Europese Ruimte agentschap (ESA)^w5 en andere internationale partners.

Als mensen ademen nemen ze zuurstof op en produceren ze koolstofdioxide. Ten gevolge hiervan zal in gesloten ruimtes zoals onderzeeboten, vliegtuigen en het ISS de hoeveelheid zuurstof verminderen en de hoeveelheid koolstofdioxide zich ophopen, waarbij de bemanning gevaar loopt (zoals beschreven in de film Apollo 13). De hoeveelheden van beide gassen moeten geregeld worden.

Tegenwoordig gebruikt de ISS een open benadering: ze vangen koolstofdioxide in speciale gas”vallen” op (bv lithiumhydroxide, LiOH, dat samengaat met CO₂ waarbij lithiumcarbonaat en water wordt gevormd) en nemen flessen zuurstof mee van de aarde. In de toekomst zal ISS werken met een gesloten hergebruikcyclus: er wordt O₂ uit CO₂, gehaald waarbij aan de ene kant fysisch-chemische technieken gebruikt worden (in essentie snijden ze het zuurstofdeeltje van het koolstofdeeltje) of algen en andere planten gebruikt worden (fotosynthese).

EFDA-JET en ESA zijn leden van EIROforum^w6, de uitgever van Science in School.

De CO2 geiser

Geyser komt van het oude Noorse woord geysa dat gutsen betekent. Het werd voor het eerst gebruikt voor De grote Geiser, een hete bron in de Haukadalur vallei in IJsland, die kokend water tot wel 70 m hoog in de lucht spuit. Het woord wordt nu meer algemeen gebruikt voor bronnen met periodieke, jet-achtige uitbarstingen van water. Er zijn zowel geisers die kracht putten uit kokend water als ook koude geisers die kracht halen uit CO₂. Het gas dat opstijgt vanuit de diepten van de aarde verzamelt zicht op de bodem van een onderaards waterreservoir en bouwt druk op. Het komt regelmatig vrij als een fontein van koud water. Er zou er wel eens een dichter bij huis kunnen zijn dan je denkt –bijvoorbeeld in Herl’any in Slowakije of in Wallenborn en bij Andernach in Duitsland.

Als er geen is, kun je er eentje zelf bouwen. Doe 200 mL water in een fles met een uittrekbaar mondstuk (bijvoorbeeld eentje waar afwasmiddel in zat; zie plaatje onder), doe er een volle theelepel natriumbicarbonaat bij en meng goed.

Doe er 35 mL afwasmiddel bij en schud weer. Doe er met behulp van een trechter snel drie volle theelepels citroenzuurkristallen bij. Draai dan zo snel mogelijk het gesloten mondstuk op de fles, schud kort en trek het mondstuk open.

Een schuimfontein van 5 m hoog schiet de lucht in. Een andere optie is wachten tot het mondstuk vanzelf open schiet. Na een tijdje zal de druk hoe dan ook ontsnapt zijn en zal de fontein stoppen. Sluit de fles door het mondstuk weer naar beneden te drukken; na ongeveer 30 seconden zal de druk weer hoog genoeg zijn om de geiser te starten. Je kunt dit meerdere keren herhalen.

Web References

• w1 – Voor meer informative over Chemol (in het duits), zie: www.chemol.uni-oldenburg.de
• w2 – Als u meer wilt weten over ‘Science on the Shelves´, zie: www.york.ac.uk/res/sots
• w3 – De volgende materialen ondersteunen de activiteiten in dit artikel:

  • Achtergrond informative over CO₂ (PDF of Word^® format)

  • Ware verhalen over de dodelijke effecten van koolstofdioxide (PDF of Word^® format)

• w4 – In Culham, UK staat JET. JET is Europa’s kernfusie apparaat. De wetenschappelijke exploitatie van JET ligt in de handen van het European Fusion Development Agreement (EFDA). Als je daar meer van wil weten, ga dan naar: www.jet.efda.org
• w5 – ESA is europa’s poort naar de ruimte, met het hoofdkwartier in Parijs, Frankrijk. Voor meer informatie zie: www.esa.int
• w6 – Als je meer wil weten over EIROforum, zie: www.eiroforum.org

Resources

• Voor alternatieven over raketten-met-prik, zie:

  • de Vries T (2002) Vitamintabletten einmal anders. Chemkon 9(3): 144-146. doi: 10.1002/1521-3730(200207)9:3<144::AID-CKON144>3.0.CO;2-K

• Het Portugese Pollen project heeft een downloadbaar boekje ontwikkeld, met daarin science activiteiten met voedsel voor het onderwijs (The Fun-Flavoured Way to Learn Science), beschikbaar in het Engels en Portugeese. Zie: www.cienciaviva.pt/projectos/pollen
• De Noorse scheikundige Erik Fooladi biedt op zijn website met gastronomische science activiteiten een setje experimenten aan waarbij de scheikunde van het bakken van kerstcakes met natriumbicarbonaat, zouten uit hoorn en bakpoeder met elkaar vergeleken worden (in het Noors). Zie www.naturfag.no of ga direct naar: http://tinyurl.com/3spkkwm
• Bekijk voor onderwijskundige activiteiten voor basisscholen met koolstofdioxide en zuurstof over klimaat veranderingen:

  • Johnson S (2008) Planting ideas: climate-change activities for primary school. Science in School 10: 55-63. www.scienceinschool.org/2008/issue10/psiclimate

• In deze uitgave zul je een positieve benadering vinden voor de klimaatverandering – wat kunnen we echt doen om het te stoppen:

  • Shallcross D, Harrison T (2011) Is climate change all gloom and doom? Introducing stabilisation wedges. Science in School 20: 60-64. www.scienceinschool.org/2011/issue20/wedges

Institutions

Author(s)

Dr. Marlene Rau werd geboren in Duitsland en groeide op in Spanje. Na haar PhD in ontwikkelings biologie behaald te hebben aan het Europese moleculaire laboratorium i Heidelberg, Duitsland, studeerde ze journalistiek en ging werken aan science communicatie. Sinds 2008 is ze een van de uitgevers van Science in School.

Review

Dit artikel biedt eenvoudige manieren om natuurwetenschappelijke mysteries te ontrafelen. Het helpt iedereen natuurlijke verschijnselen en feiten te begrijpen, zowel alledaagse (ademhalen) als toevallige (vulkanische activiteit). Het kan klassen inspireren om verdere praktische proefjes te ontwikkelen. Zowel op mondiaal niveau (klimaatverandering) als op een veel lager niveau (proefjes) laat het studenten zich realiseren dat er altijd gevaren bestaan en dat het noodzakelijk is om maatregelen te nemen om deze te voorkomen.

Het artikel vind aansluiting bij gebeurtenissen die op dit moment plaatsvinden of lokale natuurlijke verschijnselen zoals vulkaanuitbarstingen in IJsland of geothermische meertjes. Het zou ook kunnen bijdragen aan een groter ecologisch bewustzijn. Je kunt vakoverstijgende verbanden leggen tussen milieutechnische en ecologische onderwerpen bij scheikunde en biologie (ademhalen), aardwetenschappen, wiskunde (maten en gewichten) en leesvaardigheid (instructies en regels)

Jongere kinderen zullen de opblaas balonnen en geisers erg leuk vinden. Ik zou de explosievere proeven bewaren voor de oudere studenten.

Maria João Lucena, Portugal

License

CC-BY-NC-SA