Analyse van as

Inhoudsopgave


1 . Inleiding
2. Hypothese
3. Het practicum
4. Waarnemingen en resultaten
5. Conclusie
6. Evaluatie
7. Bronvermelding




Inleiding

Dit is het verslag van het praktisch schoolonderzoek 6V voor scheikunde. We konden hierbij kiezen voor een klassikaal practicum of een zelfstandig onderzoek. We hebben voor het laatste gekozen. Terwijl we nog aan het zoeken waren naar een onderwerp voor het onderzoek, kwam Ewout Gijben met het idee om de resten van een kampvuurtje te onderzoeken. Hij had deze as een week daarvoor meegenomen van de tweede klas werkweek. Dit leek ons een interessant onderwerp. We vroegen ons af welke stoffen de resten van een kampvuurtje bevat. Hiertoe moesten wij de as gaan analyseren. Dit is het verslag van onze analyse.



Hypothese
Onderzoeksvraag: Welke verschillende stoffen bevat de overgebleven as van een kampvuurtje?

Redenatie: Het kampvuurtje werd waarschijnlijk gevoed door hout van takken van planten en aangezien we nietjes in de as vonden, nemen we aan dat het vuur ook gevoed werd door pallads. Nu moesten we erachter komen welke stoffen levende planten bevatten- Met onze kennis van biologie en scheikunde en wat terugzoeken in de biologie en scheikunde boeken, kwamen we tot het volgende lijstje van stoffen. Deze stoffen zou je verwachten aan te treffen in hout, omdat het de bouwstenen zijn van alle stoffen in planten. - Veel koolstof (C) - Waterstof (H) - Zuurstof (O) - Stikstof (N) -Natrium (Na) - Kalium (K) -- Magnesium (Mg) - Calcium (Ca) Koolstof, waterstof en zuurstof zijn de elementen die bij de assimilatie en dissimilatie processen van een plant. Stikstof is eert bestanddeel van eiwitten en wordt in de vorm van nitraat bij de wortels met behulp van bacteriën uit de grond gehaald. Natrium, Kalium, Magnesium en Calcium worden door actief transport als zouten in de wortels opgenomen. Om te weten te komen welke van deze stoffen overblijven na verbranding, zijn we nagegaan in welke toestand deze stoffen zich na oxidatie bevinden (Vast, Vloeibaar of Gasvormig). Stoffen als CO, C02, NO en H20 zijn allemaal gasvormig en verdwijnen in de atmosfeer. Als vaste stoffen blijven achter Na2O K20, MgO CaO, ze zijn allemaal wit van kleur. Ook veronderstellen we dat er niet altijd volledige verbranding heeft plaats gevonden, waardoor er ook nog C (roet) aanwezig is in de as. Deze zwarte koolstof en de witte metaaloxides zorgen ervoor dat de as grijs is.

Hypothese:
In de overgebleven as van een kampvuurtje komen de volgende stoffen voor:
- Koolstof, C (s)
- Natriumoxide, Na20 (s)
- Kaliumoxide, K20 (s)
- Magnesium oxide, MgO (s)
- Calcium oxide, Cao (s)



Het practicum

Stap 1 .

Als eerst willen wede aanwezigheid van koolstof aantonen. Als je koolstof verbrandt,
en de ontstane gassen (CO, C02) door kalkwater leidt, wordt deze eerst heldere
vloeistof wit en troebel. Met deze methode willen wij aanwezigheid van koolstof in de
as aantonen. Een probleem hierbij is dat bij gebruik van een gasbrander, de
verbrandingsgassen van aardgas het kalkwater ook wit kleuren, en dus het resultaat
beïnvloeden. Om dit te voorkomen hebben we de opstelling gebruikt die aan het eind
van dit hoofdstuk is getekend.
In de erlenmeyer (1) zit geconcentreerd (30%) waterstofperoxide en kaliumjodide.
Waterstofperoxide is een oxidator en reductor tegelijk, en ontleed bij
kamertemperatuur al vanzelf volgens de redox-reactie:
OX: H202 + 2 e-<-> 2 OH-
RED: O2 (g) + 2 I+ + 2 e-<-> H2O2X
--------------------------------------------------------------- H202 + 02 + 2 H+<-> H202 + 2 OH- (zie ook Binas tabel 48)
Deze reactie verloopt echter langzaam, waardoor ie niet geschikt zou zijn voor de
productie van zuurstof. Na toevoeging van kaliumjodide verloopt deze reactie echter
sneller, omdat het jodide (l-) als een soort van katalysator werkt. De precieze werking
van het jodide als versneller van deze redox-reactie kan met behulp van Binas tabel 48
beredeneerd worden. Van belang voor de beredenering is het feit dat het hier
Geconcentreerd waterstofperoxide betreft.
Het ontstane zuurstof wordt via het slangetje naar het kolfje met de as (2) geleidt.
Hierdoor verloopt de verbranding sneller en beter. De verbrandingsgassen worden
daarna, in de richting van de pijl, door het kalkwater geleidt.



Stap 2

Om er zeker van te zijn dat alle koolstof uit de as verdwenen is, hebben we een gedeelte van de as ongeveer ander half uur in een oven van 1000 graden Celsius gezet. De zouten zullen hierbij niet verdwijnen, omdat deze een veel hoger kookpunt hebben.



Stap 3

Nadat we as uit de oven hebben gehaald, hebben we eerst alle steentjes en nietjes eruit gehaald, en precies 1,00 gram afgewogen. Hierna hebben we 200 ml gedistilleerd water toegevoegd waarvan we van tevoren de pH hebben bepaald, zodat de volgende reacties plaats zullen vinden:

Na2O + H2O -> 2 Na+ + 2 OH-
K2O + H2O -> 2 K+ + 2 OH-
CaO + H2O -> Ca(OH)2 (s) <-> Ca(2+) + 2 OH-
MgO + H2O -> X



MgO en een kleine hoeveelheid Ca(OH)2 slaat neer op de bodem van het bekerglas. Na+, K+ en Ca 21 zitten samen met de 011 in het water opgelost. Om deze stoffen van elkaar te scheiden filtreren we het mengsel.



Stap 4
Als de bij stap 3 genoemde reacties daadwerkelijk plaatsvinden, zou het filtraat een hogere pH moeten hebben gekregen dan het als oplosmiddel gebruikte gedistilleerde water. Omdat er OH- ionen ontstaan bij het oplossen zou de oplossing meer basisch moeten worden. Als dit inderdaad het geval is, is de aanwezigheid van Natrium en Kalium aannemelijk. Door het gewicht van het residu van het gewicht van de opgeloste hoeveelheid as af te trekken, weet je hoeveel gram as er opgelost is. Aangezien het filter met het residu nog vocht bevat, moetje het eerst nog een tijdje in de oven leggen totdat alle vocht verdampt is. Met deze gegevens kan je een voorspelling doen over de pH die het filtraat heeft.



Stap 5

Aan het in de oven gedroogde residu voegen we 2M zoutzuur toe, zodat we er daarna proeven met vlamkleuringen mee kunnen doen. Het Calciumhydroxide lost op in het zoutzuur terwijl de Magnesiumoxide dat niet doet. Hiermee willen we controleren of er inderdaad, zoals we verwachtten, calcium in de as zat. We gebruiken hiervoor de methode beschreven in Binas tabel 65C. Calcium zou dus een steenrode vlam op moeten leveren. Eventueel kunnen we de vlamkleur ook nog vergelijken met de vlamkleur van een stof waar we zeker van weten welke stof het is (calcium bijvoorbeeld).
(X in de kantlijn)



Waarnemingen en resultaten
Stap 1
.
In de erlenmeyer (1 begint de vloeistof te bruisen en krijgt een gele kleur van de jood. Het kalkwater (3) begint te bubbelen door de zuurstof ontstaan in de erlenmeyer (1). Na de kolf met as (2) een tijdje te hebben verwarmd met de brander, zijn er af en
toe rode, oplichtende plekjes / vonkjes te zien. Tegelijkertijd wordt het kalkwater
langzaam wit en troebel.
Na een aantal minuten begon de vloeistof in de erlenmeyer (1) zo hard te bruisen dat het overstroomde naar het kolfje (2). Door het temperatuurverschil tussen de
erlenmeyer (1) en de kolf (2) explodeerde de kolf (2).



Stap 2

Toen de as weer uit de oven kwam was hij hard en grijs. Daarom hebben we de stof met een vijzel tot poeder vermalen.


Stap 3

Na het toevoegen van 200 ml gedestilleerd water met een pH van 7,1 aan 1,00 gram as kregen we een asgrauwe, troebele vloeistof, met grijze neerslag op de bodem van het bekerglas
Na het filtreren hielden we een heldere kleurloze vloeistof over en in de trechter met filter een grijze, zandachtige stof.


Stap 4

De pH hebben we gemeten met een digitale pH-meter en de pH van het filtraat bleek 12,1, terwijl de meter bij het gedistilleerde water 7,1 aangaf (zie stap 3).
Het filter en het residu hebben we ongeveer een kwartier in een oven gestopt van 82 graden Celsius tot het helemaal droog was. Hetzelfde hebben we gedaan met een
ongebruikt filter.
Gewicht filter met residu: 3,94 gram.
Gewicht filter zonder residu: 3,03 gram. Gewicht residu: 3,94 - 3,03 = 0,91 gram. Er is dus 1,00 0,91 = 0,09 gram van de as opgelost in het water. Dit bestaat uit Na2O K20 en een beetje CaO, vanwege het evenwicht (zie stap 4, Het practicum). Voor het gemak verwaarlozen we hierbij de Cao omdat het evenwicht
voornamelijk bij het Ca(OH)2 ligt. De Na2O en de K20 reageren volledig met het
water
Na2O/K2O +   H2O     -> 2 Na+/K+ + 2 OH-
Voor:  0,09 gr.       200 ml,        0,00 gr.      0,00 gr.
Na:     0,00 gr.       200 ml         0,18 gr.      0,18 gr.
(X rechts van de tekst)




Bij het oplossen ontstaat dus 0,18 gram OH-, dit komt overeen met 0,18 / (16,00 + 1,008) = 0,0106 mol- De concentratie OH- -; ionen is als volgt te berekenen: 0,0106 / 200 •_ 10-3 = 0,053 mol / liter. De pOH is dan de -log daarvan: -log(0,053) = 1,276. De pH wordt dan 14 - 1,276 = 12. 7 Deze voorspelde pH waarde komt aardig overeen met de experimenteel gevonden waarde van 12,1.
(in de kantlijn 11,4 en 11,3)



Stap 5

Na het toevoegen van 0,50 ml 2M zoutzuur hielden we een asgrauwe, troebele oplossing over met een beetje neerslag op de bodem. Volgens onze theorie zou deze neerslag dus moeten bestaan uit MgO. Daarna hebben we een platinadraad in de vloeistof gehouden en deze in de kleurloze vlam gehouden. De kleur die in de vlam te zien was, was een oranje- roodachtige kleur. Omdat we niet zeker wisten of deze kleur `steenrood' was, wat het volgens Binas moet worden, hebben we ook nog een oplossing van zoutzuur en kalkwater in de vlam gehouden. Kalkwater is Ca(OH)2 (aq). In een oplossing van zoutzuur en kalkwater zitten dus Ca2+ -ionen opgelost. Als je met deze oplossing een vlamkleuring uitvoert, zou er wat Binas noemt een "steenrode" vlam te zien moeten zijn. De vlamkleuren van beide proeven kwamen overeen.



Conclusie

Stap 1

Het kalkwater wordt wit en troebel, wat betekent dat er inderdaad koolstof aanwezig was in de as.


Stap 2

Bij deze stap werd slechts een handeling beschreven, hieruit volgt geen conclusie. Wel nemen wij aan dat alle koolstof uit de as is verdwenen, aangezien hij anderhalf uur in een oven van 1000 graden Celsius heeft gestaan.


Stap 3

Bij deze stap werd weer slechts een handeling beschreven, hieruit volgt dus ook geen conclusie. Volgens onze hypothese bestaat het residu nu uit mgO en CaO. Het filtraat bevat oplost Na2O en K20.


Stap 4

De pH van het filtraat was 12,1, terwijl de pH van het gedistilleerde water aanvankelijk 7,1 was. Zoals wij verwacht hadden is de pH dus gestegen en bovendien kwam de experimenteel bevonden pH-waarde dicht in de buurt van de berekende waarde. Het verschil kan verklaard worden door het feit dat de as bijvoorbeeld sporen van zand bevatte, waardoor de meetwaarden waarop onze berekening rust niet heel erg precies zijn. Bovendien liet de meetapparatuur een heel precieze bepaling van gewicht en volume, niet toe. Tenslotte kan aan het verschil bijgedragen zijn doordat we niet vooraf het gebruikte filter hebben gewogen en dus achteraf gedwongen waren een ander, schoon filter te wegen. Zodat we alsnog het gewicht van een ongebruikt filter wisten, maar dit filter is waarschijnlijk niet 100% identiek geweest aan het originele. Door dit resultaat is het aannemelijk dat onze hypothese wat dit betreft juist was en dat er inderdaad Na2O en K2O in de as aanwezig was, omdat na oplossen en filtreren de pH gestegen was.


Stap 5

Na de vlamkleuringen die we met het in zoutzuur opgeloste residu hebben gedaan, wisten we niet zeker of de door ons waargenomen oranje / rode kleur inderdaad steenrood was. Ter vergelijking hebben we ook vlamkleuringen gedaan met een zoutzuuroplossing waarvan we zeker wisten dat er Ca2+ ionen inzaten. De beide



waargenomen vlamkleuringen kwamen overeen, dus klopt onze hypothese ook op dit punt. En bevat de as van een kampvuurtje inderdaad CaO.


Algehele conclusie

Van onze hypothese hebben we ten dele bewezen dat ie juist was- Want, de aanwezigheid van koolstof en calciumoxide hebben we aangetoond. En de aanwezigheid van natriumoxide en kaliumoxide hebben we aannemelijk gemaakt.



Evaluatie



Verbeteringen

Een verbetering die aan de nauwkeurigheid van het onderzoek zou hebben bijgedragen is het van te voren wegen van het gebruikte filter. Als we het filter dat ` we bij stap 3 gebruiken van te voren hadden gewogen, zouden we bij stap 4 een nauwkeuriger berekening hebben kunnen geven. Hierbij is het wel van belang dat het filter eerst in de oven wordt gelegd, zodat het vocht dat eventueel aanwezig is in het filter verdampt. Wat we ook anders zouden doen als we het onderzoek over moesten doen, is het plaatsen van een gaswasfles tussen de erlenmeyer (1) en de kolf (2) in de opstelling van stap 1. Op deze manier wordt voorkomen dat de oplossing van kaliumjodide en waterstofperoxide overloopt naar de kolf, zodat deze niet uit elkaar barst.


Suggesties voor verder onderzoek

Bij ons onderzoek hebben we de magnesiumoxide die steeds niet oplost, eigenlijk een beetje links laten liggen. Bij stap 5 slaat het neer op de bodem van het bekerglas samen met wat Ca(OH)2. Bij een volgend onderzoek zou je kunnen proberen een manier te vinden om deze twee van elkaar te scheiden en aan te tonen. Dit is nog best een moeilijke opgave, omdat Ca en Mg in het periodiek systeem in dezelfde groep zitten en tevens maar één periode verschillen. Ook Na2O en K20 zouden aangetoond kunnen worden, maar hiervoor geldt hetzelfde probleem dat speelt bij Ca en Mg, alleen betreft het hier dan de elementen Na en K.


Persoonlijke evaluatie

Ten eerste vonden we dit onderzoek hartstikke leuk om te doen. Het was leuk om
voor de verandering eens met de praktische kant van scheikunde bezig te zijn. We
hebben veel van dit onderzoek geleerd op voornamelijk praktisch niveau. Verder
waren we aangenaam verrast dat onze methodes inderdaad het effect opleverden dat k
we verwachtten. En dat de resten van een kampvuurtje zulke zware metalen bevat.
Wel vonden we het jammer dat het leveren van harde bewijzen van de -aanwezigheid
van MgO, Na2O en K2O, niet goed mogelijk was.
( 'zware metalen' onderstreept en ernaast in de kantlijn staat iets wat ik niet thuis kan brengen... Ewout vrage?)

Peter en Selle.



Bronvermelding


Boer, P., Lagerwaard-Fijten, F., Steenhuis, U.P., Zee, A.P. van der, Biologie overal 4V;  ©1996 Educatieve partners Nederland bv, Houten. ISBN 9011032136

Boer, P., Lagerwaard-Fijten, F., Steenhuis, UP., Zee, A.P. van der, Biologie overal 5 L ; © Educatieve partners Nederland bv, Houten. ISBN 9411021495

Boer, P., Lagerwaard-Fijten, F., Marijnissen, J.W.M., Steenhuis, U.P., Zee, A.P. van der, Biologie overal 6V © Educatieve partners Nederland bv, Houten. ISBN 9011022203

Schoot, Drs. E.J. van der, Samengevat, vwo biologie, ,schematisch overzicht van de examen stof, O 1997 Onderwijspers bv, leiden. ISBN 906636923X

Ris, dr. C., Vecht, dr. J.R. van der, Samengevat, vwo scheikunde, .schematisch overzicht van de examen .stof, © 1989 Onderwijspers bv, Leiden. ISBN 906636372X

Binas, Informatieboek vwo/havo voor het onderwijs in de natuurwetenschappen, Samengesteld door een NVON-commissie, O 1992 Wolters-Noordhoff bv, Groningen, The Netherlands. ISBN 9001893724