Lærervejledning NØRD-Akademiet

Transkript

1 Lærervejledning NØRD-Akademiet Indhold NØRD-Akademiet kort og godt... 4 Introvideoer hvad er formålet?... 5 Øvelser... 6 Storyboard til præsentations/afrapportering... 6 NØRD-Akademiet og grundbøger:... 6 Om sikkerhed... 7 Temaet Kost og krop... 8 Fælles mål... 8 Kost og krop i bogsystemerne... 9 Emne 1 - Fedt Hive fedt ud af spegepølse Smeltepunkter for fedt Hvad er smør? Emulsion Emne 2 - Kulhydrater Find stivelse og sukker Mad, brændstof til din hverdag Emne 3 - Proteiner Påvisning af proteiner Emne 4 - Kost og forbrænding Dissekerer chips Energiforbrug og indhold Forbrænding i os Emne 5 - Enzymer Spalte kulhydrat

2 Spalte protein Leverpølse Spalte fedt Emne 6 - Hjerte lunger Blodtryks-testen Lungekapacitet Temaet Energi og samfund Fælles mål Energi og samfund i bogsystemerne Emnet Potentiel og kinetisk energi Potentiel, kinetisk og elektrisk energi Energiberegneren Emnet Energioplagring Batterier Energilagring i karse Emnet Alternative energikilder Vandvarmer Solovn Emnet Olie Destillation af olie Cracking Emnet "Strømproduktion Damp til bevægelse Bevægelse til strøm (elektrisk energi) Temaet Vand og liv Fælles mål Vand og liv i bogsystemerne Emne 1 Vands tilstandsformer Handske på kolbe Lav din egen is Vand og damp Æg og dåser Emne 2 Vejr og klima Sky i flaske

3 Vandets kredsløb Vands massefylde Emne 3 Vandrensning Regnvandets tur gennem undergrunden Vandrensning med destillering Vandrensning, mekanisk Emne 4 Vand og liv Osmose i basilikum Udtørring med eller uden hud Vand i cellerne Farvede ledningsstrenge Bladmængde og vandforbrug Temaet Kulstofkredsløb Fælles mål Kulstofkredsløb i bogsystemerne Emne 1- Carbon Carbontest Hvad indeholder carbon Emne 2- Fotosyntese Fotosyntese og lys Fotosyntese og CO Byg fotosyntesen Emne 3- CO 2 s egenskaber CO 2 i vand CO 2 som ildslukker Emne 4 Udledning af CO Afbrænding af flaskegas Indåndings- og udåndingsluft Kul, ilt og CO Emne 5 Drivhuseffekten Drivhuseffekten Emne 6 Kalk Kalk og syre Kemisk forvitring

4 NØRD-Akademiet kort og godt NØRD-Akademiet er et it-baseret undervisningsmateriale, udviklet til det formål at assistere læreren med at tilrettelægge undervisningen i biologi, geografi og fysik/kemi. Undervisningsmaterialet trækker på genkendelighed direkte fra børnenes verden og kobler det med indlæring. Sammensætningen af materialet skal på den ene side fungere som inspiration til underviserne og hjælpe dem i tilrettelæggelsen af undervisningen og opnåelse af trinmål, på den anden side fascinere og motivere eleverne til naturvidenskabelig og teknisk tankegang og interesse. DR har mange års erfaring med at tilrettelægge og formidle viden inden for kerneområdet naturfag via det veletablerede brand NØRD. DR har et solidt kendskab til og en stærk forståelse for at kommunikere til børnemålgrupperne og har gennem årene opbygget en loyal seergruppe i de forskellige børnemålgrupper. Nørd-akademiet har sit eget univers på dr.dk/skole DRs undervisningsportal til grundskolerne. 4

5 Introvideoer hvad er formålet? Kåre og Emil fra Store Nørd har stor erfaring med at skabe interesse og forundring hos målgruppen. Formålet med videoerne er således at vække nysgerrighed og danne grundlaget for en diskussion på klassen om naturfaglige fænomener og processer. Hvert tema består af 4-6 emner, og hvert emne indledes med et videoklip, der skal fungere som oplæg for emnet. I alt 22 videoklip à tre til seks minutters varighed. Videoklippet åbner med et fascinerende og storstilet demonstrationsforsøg. Forsøget er af en art som det ikke er muligt/tilladt/sikkert at udføre for en folkeskolelærer i et normalt lokale. 5

6 Samtidigt introduceres emnet fra den mest visuelt fascinerende side, så eleverne inddrages og fastholdes. Efter det indledende forsøg forklarer NØRD-værterne Kåre og Emil, hvad det er, vi lige har set, og de formidler en pointe om emnet. Hvert videoklip er selvstændigt og afsluttet, og kan derfor bruges uafhængigt af resten. Videoerne starter altså med klimaks (fascination) forklaring (hvad skete der?) proces (sådan gjorde vi) gentagelse af samme klimaks, eller et nyt (SE SELV!). Til hvert emne vil der desuden være 2-4 videoer og elevforsøg. Hvor videoerne introducerer emnet, skal elevforsøgene rodfæste det indlærte. Drøftelse af videoerne og afvikling af forsøgene vil derfor være det bærende element i afviklingen undervisningsmaterialet. Nørd-akadamiets undervisningsmateriale bør tænkes tæt sammen med indholdsområder fra de grundbøger eleverne almindeligvis bruger i undervisningen. Øvelser Hvert emne er understøttet med forslag til øvelser eleverne kan arbejde med. Øvelserne kan ses på som et supplement til den almindelige undervisning, eller som et værktøj til at besvare nogle af de spørgsmål, der bliver rejst i introvideoen. Øvelserne er tilrettelagt således, at de er til at gennemføre med det traditionelle udstyr, som findes på skolen. Storyboard til præsentations/afrapportering NØRD-Akademiet vil udvikle et storyboard, hvor eleverne inviteres til at formidle deres viden baseret på de øvelser, de har arbejdet med. Storyboardet kan ses som et supplement til traditionelle rapporter fra øvelserne, eller som et alternativ. NØRD-Akademiet og grundbøger: NØRD-Akademiet er opbygget sådan, at de enkelte temaer eller udvalgte temaer fra de enkelte temaer kan medtænkes i forhold til eksisterende grundbøger. Der vil til hvert tema være angivelser af, hvilke kapitler i udvalgte grundbøger for fagene biologi, fysik/kemi og geografi, der relaterer sig til det pågældende tema. Nogle af de angivne kapitler har stor berøringsflade med det pågældende tema, andre berører kun temaet i mindre grad. Der blive henvist til følgende bogsystemer: Biologi: BIOS (Gyldendal) Ind i Biologien (Alinea / Egmont) Xplore (GO-forlaget) Fysik/kemi: Kosmos (Gyldendal) Naturens Univers (Alinea / Egmont) Xplore fysik/kemi (GO-forlaget) 6

7 Geografi: Geos (Gyldendal) Naturens Univers (Alinea / Egmont) Xplore (GO-forlaget) Om sikkerhed I lærervejledningen til de enkelte forsøg er der diskuteret sikkerhed, da der anvendes stoffer eller materialer, der udgør en risiko, eller da fremgangsmåden kan udsætte eleverne for farlige situationer. I kommentarerne til sikkerhed er taget afsæt i At-meddelelse nr : Elevers anvendelse af stoffer og materialer i grundskolen fra Arbejdstilsynet, se Generelt gælder det, at elevernes praktiske øvelser skal foregå sikkerheds- og sundhedsmæssigt fuldt forsvarligt, og unødig påvirkning skal undgås. Elever kan kortvarigt og lejlighedsvis anvende stoffer og materialer, der giver skadevirkninger efter langvarig og gentagen udsættelse, som fx organiske opløsningsmidler og materialer, der indeholder organiske opløsningsmidler. Hvornår der er tale om lejlighedsvis eller kortvarig anvendelse, kommer an på en konkret vurdering, som blandt andet afhænger af stoffets farlighed, koncentrationsgrad og graden af udluftning ved forsøget. Det betyder fx, at eleverne lejlighedsvis og kortvarigt kan bruge organiske opløsningsmidler, hvis dette er nødvendigt for at gennemføre en given opgave, og hvis arbejdet i øvrigt gennemføres på en forsvarlig måde. Det betyder blandt andet, at eleverne skal have tilstrækkelig oplæring og instruktion i at udføre de praktiske øvelser sikkert, og at eleverne får grundig information om farer ved arbejdet. Når eleverne anvender organiske opløsningsmidler eller andre farlige, flygtige stoffer, vil det være nødvendigt, at dampene fjernes på udviklingsstedet ved procesventilation. Det er selvfølgelig lærerens ansvar at vurdere i hvert tilfælde, om elevernes praktiske øvelser kan gennemføres sikkerheds- og sundhedsmæssigt fuldt forsvarligt. 7

8 Temaet Kost og krop Temaet Kost og krop indeholder seks emner med tilhørende idéer til øvelser: 1. Fedt (4 øvelser) 2. Kulhydrater (2 øvelser) 3. Proteiner (1 øvelser) 4. Kost og forbrænding (3 øvelser) 5. Enzymer (4 øvelser) 6. Hjerte/lunger (2 øvelser) Emnerne er specielt rette mod fagene biologi og fysik/kemi og det trinmål, de to fag deler på 9. klassetrin: forklare fødens sammensætning, dens energiindhold og sundhedsmæssige betydning, herunder proteiner, kulhydrater og fedtstoffer. Elever har generelt en stor viden om området, men deres viden er ofte ustruktureret og snæver i forhold til fedt, kulhydrater og proteiner og disse næringsstoffers sundhedsmæssige betydning. Vi ønsker med dette tema at supplere klassens grundbøger i biologi og fysik/kemi med en række problemrejsende videoer og tilhørende øvelser med den hensigt at udfordre elevernes forforståelse af næringsstofferne og deres betydning for kroppen. Fælles mål Fællesmål, som relaterer sig til temaet Kost og krop hentet fra faghæfterne i Fysik/kemi og Biologi. Faghæftet for Biologi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin beskrive funktionen af og sammenhængen mellem skelet, muskler, sanser og nervesystem forklare sammenhænge mellem muskler, lunger og blodkredsløb under fysisk aktivitet samt væsentlige træk ved kroppens energiomsætning redegøre for vigtige funktioner af indre organer og deres indbyrdes samspil, herunder optagelse af næringsstoffer og energi samt bortskaffelse af affaldsstoffer forklare vigtige reguleringer af det indre miljø gennem hormonsystemet, herunder reguleringen af blodsukker og væskebalance give eksempler på, hvordan livsstil og levevilkår påvirker menneskets sundhed forklare fødens sammensætning, dens energiindhold og sundhedsmæssige betydning, herunder proteiner, kulhydrater og fedtstoffer (fælles med fysik/kemi) 8

9 give eksempler på aktuelle, lokale og globale miljø- og sundhedsproblemer forklare den biologiske baggrund for sundhedsproblemer knyttet til livsstil og levevilkår forklare vigtige biologiske processer knyttet til fødevareforarbejdning, herunder gæring, fremstilling af mejeriprodukter og konservering forklare årsager, betydning og foranstaltninger i forbindelse med miljøog sundhedsproblemer såvel lokalt som globalt Faghæftet for Fysik/kemi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin kende enkle modeller, herunder forestillingen om, at stof er opbygget af partikler beskrive eksempler på organiske og uorganiske kemiske forbindelser og deres indbyrdes reaktion, herunder syre/base, redoxprocesser og ligevægt beskrive nogle grundstoffer og kemiske forbindelser, der har betydning for liv eller hverdag forklare fødens sammensætning, dens energiindhold og sundhedsmæssige betydning, herunder proteiner, kulhydrater og fedtstoffer (fælles med biologi) kende generelle egenskaber ved hverdagens stoffer og materialer, herunder tilstandsformer, surhedsgrad, varmeudvidelse, elektrisk- og termisk ledningsevne gøre rede for hovedtræk ved fotosyntese og respiration, herunder disse processers grundlæggende betydning i økosystemer (fælles med biologi) Kost og krop i bogsystemerne I det nedenstående er der givet eksempler på, hvilke kapitler/sider fra de mest brugte grundbøger der berører temaer kost og krop. Bios (Gyldendal) Ind i Biologien (Alinea) Xplore (GO-forlaget) A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl. 7.kl. 8.kl. 9.kl. 9

10 Motion (s ) Mad og sundhed (s 56-73) Opsamling (s ) Sundhed og livsstil (s52-93) Vi bruger biologien Livsstil og kost/ Livsstil og motion (s4-38) Seje planter med stærke rødder (s60-73) Livets byggeklods (s18-35) Sundhed på spil (s56-75) Kosmos (Gyldendal) A B C 7. kl. Krop og energi (64-65) Katalysator og enzymer ( ) Madens kemi ( ) Naturens univers (Alinea) 8. kl. Xplore Fysik/kemi (GO-forlaget) 9.kl Tema 5: Din egen energibalance Den livgivende jord ( ) Et æble om dagen/energi (4-41) Du bliver hvad du spiser (91-109) Geos (Gyldendal) Ind i geografien (Alinea) Xplore Geografi (GO-forlaget) A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl. 7.kl. 8.kl. 9.kl. Fødevareproduktion (60-85) Et æble om dagen (4-29) Emne 1 - Fedt Emnet Fedt består af 4 ideer til øvelser, der hver især fokuserer på nogle karakteristiske egenskaber ved fedt. Fedtstofferne kaldes også lipider, og til denne stofgruppen hører triglycerider (vanlig fedt), fosfolipider og steroider (for eksempel kolesterol). Vi har valgt ikke at skelne mellem disse stofgrupper i materialet. Størstedelen af naturlige fedtstoffer er triglycerider (90%). Triglycerider er sat sammen af alkoholen glycerol (C 3H 5(OH) 3) og tre fedtsyrer. Fedtsyrer tilhører de organiske syrer (karboxylsyrer). Fedtsyrer består af lange kulbrintekæder (typisk C-atomer) med en karboxylgruppe (COOH) i enden. Fedtsyrerne opdeles groft i tre grupper: Mættede fedtsyrer - fedtsyrer, hvis kulbrintekæde ikke indeholder dobbeltbindinger. 10

11 Monoumættede fedtsyrer - fedtsyrer, hvis kulbrintekæde indeholder en enkelt dobbeltbinding (også umættethed). Polyumættede fedtsyrer - fedtsyrer som indeholder to eller flere dobbeltbindinger. Kroppen har brug for fedt. Fedt indeholder energi, leverer livsvigtige fedtsyrer og er en forudsætning for, at kroppen kan optage fedtopopløselige vitaminer (vitamin A, vitamin D, vitamin E og vitamin K). Det er vigtigt, at man hverken får for meget eller for lidt fedt i kosten, samt at man vælger det sunde fedt. 1 gram fedt giver 38 kj ved forbrænding og indeholder dobbelt så meget energi som kulhydrat eller protein. Fedt lagres i fedtvævet som energireserver, virker varmeisolerende og beskytter indre organer. Hive fedt ud af spegepølse Faglig sammenhæng Man kan definere fedtstoffer som stoffer, der ikke er opløselige i vand. De er derimod opløselige i upolare, organiske opløsningsmidler som rensebenzin. Øvelsen går ud på at ekstrahere fedt ved at anvende netop denne egenskab. Hydrofobt er betegnelse for et molekyle eller en del af et molekyle, der frastøder vandmolekyler - det er vandskyende (upolært). Molekyler som er blandbare med vand kaldes hydrofile (polære). Hovedbestanddelen i rensebenzin er hexan og heptan, og da benzinen skal kunne fjernes let og fuldstændigt ved fordampning, indeholder den kun bestanddele med et lavt kogepunkt. Tidsramme Eksempler på faglige mål 1 lektion (+ tid til at fordampe rensebenzin) Eleven skal være i stand til at bestemme fedtindholdet i udvalgte fødevarer ved ekstraktion med rensebenzin. Eleven skal give eksempler på fødevarer, som indeholder fedt. Faglige grundbegreber der kan komme i spil Eksempel på behandling af forsøgsempiri Fedt, fedtløselig, opløselighed, opløsningsmiddel, fedtprocent. Man skal forvente, at fedtprocenten bliver lidt mindre end angivet på varedekrelationen, da det er svært at ekstrahere alt fedt i en fødevare. Man beregner fedtprocenten i masseprocent ved at dividere massen af det ekstraherede fedt med den oprindelige masse af spegepølsen og multiplicere med 100 %. Dette forsøg er relativt lukket. 11

12 Diskuter med eleverne, hvilke fødevarer, de tror, der indeholder fedt? Sikkerhed Ingen, udover at skaffe materialerne Rensebenzin er et organisk opløsningsmiddel med følgende R/Hsætninger (I henhold til Borup Kemis sikkerhedsdatablad): R11 - Meget brandfarlig. R65 - Farlig: kan give lungeskade ved indtagelse. R51/53 - Giftig for organismer, der lever i vand: kan forårsage uønskede langtidsvirkninger i vandmiljøet. H225 - Meget brandfarlig væske og damp. H304 - Kan være livsfarligt, hvis det indtages og kommer i luftvejene. H411 - Giftig for vandlevende organismer, med langvarige virkninger. Ingen af disse R/H-sætninger forefindes på eksklusionslisten (bilag 1 til At-meddelelse nr ) over stoffer, elever i grundskolen ikke må arbejde med. I henhold til At-meddelelse nr må eleverne lejlighedsvis og kortvarigt anvende organiske opløsningsmidler, hvis dette er nødvendigt for at gennemføre en given opgave, og hvis arbejdet i øvrigt gennemføres på en forsvarlig måde. Det betyder blandt andet, at eleverne skal have tilstrækkelig oplæring og instruktion i at udføre de praktiske øvelser sikkert, og at eleverne får grundig information om farer ved arbejdet. Når eleverne anvender rensebenzin, vil det være nødvendigt, at dampene fjernes på udviklingsstedet ved procesventilation. Smeltepunkter for fedt Faglig sammenhæng I forbindelse med forsøget skal eleverne undersøge sammenhængen mellem fedts smeltepunkt og produktets sammensætning af henholdsvis mættet og umættet fedtsyrer. Smeltepunktet for fedt er en god indikation på, om det består af mættede eller umættede fedtsyre: Fedtstoffer, der er opbygget af mættede fedtsyrer, er faste ved stuetemperatur. Derimod er de umættede fedtsyrer (de såkaldte cis-fedtsyrer) flydende. Det er væsentligt, at eleverne får en god forståelse af begreberne mættede/umættede. Uhensigtsmæssig indtagelse af fedtstoffer baseret på mættede fedtsyrer, kan være medvirkende til åreforkalkning. 12

13 Tidsramme Klargøring af fedt til indfrysning: 20 min. Indfrysning af isterningerne: lad stå natten over i fryseren Smeltepunktbestemmelse: 40 min. Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleven skal ved smeltepunktbestemmelse kunne afgøre, om et fedtstof er vegetabilsk eller animalsk, samt bruge begreberne mættet og umættet i en forklaring af forsøgsempiri/observationerne. Fedt, fedtsyre, mættet, umættet, animalsk, vegetabilsk, smeltepunkt. Planteolier vil have det laveste smeltepunkt, mens animalsk fedt, som for eksempel grisefedt, vil have det højeste. Vær opmærksom på, at der måske er elever, som har svært ved at koble deres observationer af, at fedtstof A smelter før fedtstof B til, at fedtstof A har det laveste smeltepunkt. Drøft med eleverne, at der er forskel på fedt (triglyserid af glycerol og tre fedtsyrer) og en enkelt fedtsyre. Vi spiser IKKE fedtsyrer, men i kroppen nedbrydes triglycerider til fedtsyrer. Nogle fedtsyrer er essentielle. Til opfølgningen på forsøget vil det være godt, hvis man har kuglepindemodeller af to fedtsyremolekyler, et mættet og et umættet, så eleverne kan se forskellen. Sikkerhed Indkøb af materialer Ingen særlige. Hvad er smør? Faglig sammenhæng Smør er et blandingsprodukt, en emulsion! Smør består af 80 % fedtstof, max 16 % vand og mælkeproteiner. Smør fremstilles ved at kerne fløde. Fløde er en olie-i-vandemulsion, mens smør er en vand-i-olieemulsion. I fløden er fedtdråberne stabiliseret af emulgatorer, der er nogle specielle proteiner. For at få fedtdråberne til at smelte sammen, skal dette slås i stykker. Det er derfor flødeskum ved fortsat pisken til sidst falder sammen og danner smør og en vandfase, dvs. kærnemælk. I dag bruges ofte blandingsprodukt, hvis hovedbestanddel er 13

14 smør/mælkefedt, tilsat vegetabilsk fedtstof (planteolie) med et lavere smeltepunkt. Det gør produktet mere smørbart. Ofte består blandingsproduktet af 80 % smør og 20 % planteolie som sojaolie, rapsolie eller palmeolie. Disse olier indeholder flerumættede fedtstyrer. Det er derfor lidt minde mættet fedt i blandingsprodukterne end i normalt smør. Margarine er en blanding af planteolier og vand, der kan bruges som erstatning for smør. Tidligere blev planteolien hærdet (dobbeltbindinger omgjort til enkeltbindinger), men i dag benyttes emulgatorer i stedet til at danne en vand-i-olie-emulsion. Tidsramme Faglige mål 1 lektion At give eleverne en forståelse af, at ting, man kalder det samme, godt kan have meget forskelligt indhold. Smør er et godt eksempel på, at der fra producenternes side er tilsat andet, end hvad varens navn umiddelbart indikerer. Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Smør, margarine, blanding, emulsion, Smør er en emulsion og består af mest fedtstof, men også vand og mælkeproteiner. Ved opvarmning kan mælkeproteinerne koagulere. Smør er et godt eksempel på, at der fra producenternes side er tilsat andet, end hvad varens navn umiddelbart indikerer. Udgangspunktet for mange elever er sandsynligvis at smør er et (rent) stof, ikke en emulsion. Måske skal det lige repeteres, hvad en væskeblanding er for noget! Hvad vil det sige, at noget er blandbart? Måske kan eleverne forsøge at ryste en blanding af planteolie og vand? Drøft med eleverne, hvordan man helt konkret observerer forskellen på en homogen væskeblanding og heterogen blanding, som jo en emulsion er (=en væske fint fordelt i en anden væske) og to væsker, som er fasedelt. Hvad kikker man efter? Sikkerhed Indkøb af forskellige smørtyper Ingen særlige 14

15 Emulsion Faglig sammenhæng En emulsion består af en væske, som er fint fordelt i en andenvæske. Man kan både have emulsioner med olie i vand(olie/vandemulsioner, der hovedbestanddelen er vand, med olie fint fordelt i oliefasen) og vand i olie (vand/olieemulsioner, hvor hovedbestanddelen er olie, med vand fint fordelt i oliefasen). Vi har ofte behov for at blande hydrofobe (vandskyende) væsker med hydrofile (vandelskende), for eksempel olie og vand. Til det bruger vi emulgatorer. En emulgator indeholder en ende, som er hydrofil, og en ende, som er lipofil (fedtelskende). Den kan derved koble sin hydrofile ende til det hydrofile molekyle, og den lipofile ende til det hydrofobe molekyle. Vi tegner ofte emulgatormolekylerne med en ring på den polare ende og en streg på den upolare ende. I sæbe er det fedtsyreionet (fx C 17H 35COO ), som fungerer som en emulgator. Syreenden har en COO - gruppe, som er polar og opløselig i vand (hydrofil). Kulbrinteenden er upolar og løselig i upolare stoffer som olie og fedt. Denne ende er med andre ord lipofil. I æggeblommen er fosfolipidet lecitin en emulgator. I sennep finder vi flere emulgatorer, blandt andet proteinet kasein. I kroppen bruges mange emulgatorer, for eksempel galle i fordøjelsessystemet og forskellige proteiner og kolesterol i blodet. De fleste hudcremer er vand/olieemulsioner. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber 1 lektion Eleven skal være i stand til selv at afgøre, om et stof indeholder en emulgator ved at teste stoffet emulgerende virkning på en olie-vandblanding. Emulsion, emulgator, hydrofob, hydrofil, variabelkontrol 15

16 Eksempel på behandling af forsøgsempiri Emulgatorer: Opvaskemiddel Æggeblomme Sennep Ikke-emulgatorer Citron Balsamico Eleverne har mange erfaringer med emulsioner fra deres dagligdag, men har ikke den faglige forklaring på fænomenet Her kan man finde et godt udgangspunkt for undervisningen! Måske skal det lige repeteres, hvad en væskeblanding er! Hvad vil det sige, at noget er blandbart? Måske skal eleverne starte med at ryste olie og vand sammen uden at tilsætte noget tredje? Drøft med eleverne, hvordan man helt konkret observerer forskellen på en homogen væskeblanding og heterogen blanding, som jo en emulsion er (= en væske fint fordelt i en anden væske) og to væsker, som er fasedelt. Hvad kikker man efter? Vær opmærksom på, at det er selve rystningen, som fordeler olien i mindre bestanddele, og at det derfor ikke er tilstrækkeligt blot at tilsætte emulgatoren. Og selv uden emulgator kan det tage noget tid for den fint fordelte olien at samle sig til større dråber. Måske kan nogle elever udfordres til at undersøge, om olien altid vil ligge øverst i en faseopdelt blanding! Eller om der er forskel på, hvordan væsken ser ud, hvis man ændrer på blandingsforholdet. For eksempel olie og vand i forholdet 1:3 og 3:1. Sikkerhed Indkøb af materialer (fødevarer) Friske æg kan indeholde salmonellabakterier (Salmonella Enteritidis). Eleverne bør vaske hænder, når de har rørt ved æg. Undgå at spilde æg på bordet, og smid skallerne direkte i skraldespanden. 16

17 Emne 2 - Kulhydrater Kulhydrater eller sakkarider er en stor gruppe af organiske stoffer. Monosakkarider (som glukose og fruktose) er de enkleste kulhydraterne og er byggestene for både di- og polysakkarider. De vanligste monosakkaridene er glukose, fruktose og galaktose. De har alle den kemiske formelen C 6H 12O 6. Disakkarider (som sukrose, maltose og laktose) er to monosakkarider bundet sammen. Det er enzymer i levende organismer, som sætter monosakkarider sammen til disakkarider. I processen bliver der afspaltet et vandmolekyle. Polysakkarider (som stivelse, cellulose og glykogen) er lange molekyler med hundredvis af monosakkarider koblet sammen. Kulhydrater dannes primært af planter og alger ved fotosyntese. Biologisk fungerer kulhydraterne bl.a. som energilagringsstoffer og er med til at give levende organismer struktur. Hos mennesket bliver de sammensatte kulhydrater omdannet til monosakkarider i tarmsystemet og sendt ud i blodbanerne. Det kræver insulin for at komme fra blodet og ind i cellerne. Det er en række forhold knyttet til kulhydrater, der bliver ved med at have fokus i mediebilledet, fx eksempel diabetes (type 1 og 2), overvægt samt en lang række af forskellige diæter/slankekure, som fx lavkarbo, stenalderkost, hvor der fokuserer på et lavt indtag af hurtige kulhydrater. Find stivelse og sukker Faglig sammenhæng Benedicts reagens (eventuelt Fehlings væske) anvendes for at påvise reducerende sakkarider. Blandt de reducerende sakkarider findes bl.a. monosakkariderne glukose, fruktose og galaktose og disakkariderne maltose og laktose (men altså ikke almindeligt sukker, sukrose). De reducerende sakkarider indeholder den funktionelle gruppe aldehyd ( CHO), som har let ved at reagere. Sakkaridet oxideres til den tilhørende karboxylsyre, mens Cu 2+ reduceres til Cu +. Cu 2+ er blåfarvet, mens Cu + er grønt, gult eller orangerødt. R CHO + 2Cu OH R COOH + 2CuOH + H 2O Jod-jod-kalium (eller Iod-kaliumiodid, I 2/KI) benyttes til at påvise stivelse. Jod danner med stivelse et stærkt blåfarvet kompleks. Tidsramme Faglige mål 60 minutter Eleven skal kunne undersøge om forskellige fødevarer indeholder sukker og stivelse med Benedicts reagens og jod-jod-kalium. 17

18 Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Sukker, stivelse, sakkarider, jod-jod-kalium, Benedicts reagens. Positiv test med Benedicts reagens: Farve ændres fra blå til grønt, gult eller orangerødt. Positiv test med iod-kaliumiodid: Stærk blå farve Fødevarer, som indeholder sakkarider, vil give reaktioner efter følgende skemaer: Monosakkarid Disakkarid Polysakkarid Benedicts reagens Iodkaliumiodid Glukose Ja Nej Fruktose Ja Nej Galaktose Ja Nej Sukrose Nej Nej Maltose Ja Nej Laktose Ja Nej Stivelse Nej Ja Glykogen Nej Nej Cellulose Nej Nej Eleverne bør kende til kulhydraters forskellige opbygning inden forsøget. Det er vigtigt, at eleverne bruger tid til at få talt om, hvorvidt de tror madvaren indeholder sukker og/eller stivelse, inden de laver prøven. Både for at forholde sig til de enkelte forsøg, men også for at drage koblinger mellem de tidligere tests. Som lidt introduktion til forsøget kunne man fokusere lidt på det skjulte sukker ved at lade eleverne placere madvarerne i rækkefølge efter, hvor meget kulhydrat, de tror, der er i. Med udgangspunkt i dette vil man muligvis opleve, at de vil tage udgangspunkt i, hvor sødt det smager. Dette kan lede til en snak om sammenhængen mellem sukker og stivelse. Når eleverne skal varme på reagensglasset med sukkerprøven og Benedicts reagens, kræver det, at det hele tiden bliver rystet en anelse, så der ikke 18

19 varmes for direkte, da prøverne indeholder en begrænset mængde væske, og madvarerne ved for voldsom opvarmning i så fald vil brænde på. Prøverne skal opvarmes ca. 5 min, så det kan være nødvendigt, at man med korte mellemrum tager glasset ud af flammen. Vis eventuelt eleverne, hvordan man skal gøre. Eventuelt kan opvarmningen ske i et vandbad. For at spare tid kan man lade eleverne i mindre grupper undersøge en madvare hver. Sikkerhed: Benedicts reagens: Indkøb af fødevarer Benedicts reagens kan forårsage alvorlig øjenirritation, og er skadelig for vandlevende organismer, med langvarige virkninger. Bær beskyttelseshandsker/beskyttelsestøj/øjenbeskyttelse/ansigtsbeskyttelse. Undgå udledning til miljøet. Vask eksponerede områder grundigt efter brug. R/H-sætninger: R22: Farlig ved indtagelse. R36/38: Irriterer øjnene og huden. R50/53: Meget giftig for organismer, der lever i vand: kan forårsage uønskede langtidsvirkninger i vandmiljøet. H410 - Meget giftig med langvarige virkninger for vandlevende organismer. H319 - Forårsager alvorlig øjenirritation. H315 - Forårsager hudirritation. H302 - Farlig ved indtagelse. Sikkerhed: Iodkaliumiodid Mens rent diiod (I 2) er farlig ved hudkontakt, farlig ved indånding og meget giftig for vandlevende organismer, så er en vandig opløsning af iodkaliumiodid (som benyttes i forsøget) ikke klassificeret som farligt. H-sætninger: H400 - Meget giftig for vandlevende organismer. H332 - Farlig ved indånding. H312 - Farlig ved hudkontakt. 19

20 Mad, brændstof til din hverdag Faglig sammenhæng Blodets indhold af glukose (druesukker) kalder vi blodsukkeret. Vanligvis er mængden af sukker i blodet forholdsvis konstant, men stiger i en periode efter, at man har indtaget mad. Det omvendte sker, når man ikke har spist i en længere periode: blodsukkeret falder, og man bliver sulten. Personer med sygdommen diabetes type 1 (sukkersyge) har et unormalt højt blodsukkerniveau på grund af for lidt af hormonet insulin. Ved type 2, er det følsomheden over for insulin, der er problemet, ikke manglen på insulin. Det glykæmiske indeks (GI) er et udtryk for, hvor hurtig en blodsukkerstigning et bestemt måltid giver sammenlignet med ren glukose. Vores kost bør helst indeholde fødevarer, som giver en forholdsvis lav GI-værdi, da det giver en mere jævn blodsukkertilførsel og dermed blandt andet en bedre regulering af appetitten. Det har betydning i forhold til at forebygge diabetes og undgå overvægt. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleverne skal have kendskab til blodsukkerstigningen ved henholdsvis hurtige og langsomme kulhydrater, herunder kendskab til glykæmiske indeks. Blodsukker, kulhydrater, glykæmiske indeks, hurtige/langsomme kulhydrater. Sportsudøvere som Per bør vælge fødevarer med en relativt høj glykæmiske indeks, når de skal spise kort inden en kraftig præstation for at sikre et højt blodsukkerniveau. Både Amalie og Henrik bør vælge fødevarer, som giver en forholdsvis lav GIværdi, da det giver en mere jævn blodsukkertilførsel. Lægger meget op til snak og diskussion i klassen om gruppernes forskellige forslag. Det er vigtig at overveje eventuelle etiske problemstillinger, inden man inddrager elevernes egne kostvaner i undervisningen. Sikkerhed Ingen Ingen særlige 20

21 Emne 3 - Proteiner Proteiner udgør en mindre del af vores kost end fedtstoffer og kulhydrater. Alligevel er proteiner cellernes vigtigste byggemateriale. Fødens proteiner bruges først og fremmest til byggemateriale. Kulhydrater og fedtstoffer udnyttes i langt højre grad af kroppen som energileverandør. Proteiner indgår som byggesten i cellernes membraner, muskelceller består i stor udstrækning af protein, og hår og negle er rent protein. Mange af de stoffer, som styrer processerne i kroppen, er proteiner: enzymer, antistoffer, hormoner, hæmoglobin osv. Proteiner består af lange kæder af aminosyrer. Der findes 20 forskellige aminosyrer. Bindingen mellem de enkelte aminosyrer kaldes for peptidbindinger. Kæderne af aminosyrer er zik-zak-foldede, eller er rullet op som spiraler. Protein-spiralen/-foldningen er så igen foldet sammen i flere omgange, så proteinet danner en rumlig struktur. Det er rækkefølgen af aminosyrerne, som er bestemmende for, hvordan proteinet er snoet og foldet sammen. Men det er proteinets rumlige struktur, som giver proteinet den funktion, det har. Proteinets rumlige struktur kan dog ændres under bestemte forhold, og så mister proteinet sin oprindelige funktion. Denne ændring kan fx skyldes opvarmning eller ændring i ph. Man siger, at proteinet denaturerer. Påvisning af proteiner Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med fødevarer eller kroppens byggesten. Med øvelsen her kan eleverne undersøge, om madvare eller andre stoffer indeholder proteiner. Undersøgelsesmetoden, som eleverne skal anvende, kaldes for Biuret-testen for protein. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Kobberionerne i kobbersulfat reagerer med flere af proteinernes peptidbindinger, hvilket vil resultere i et farveskifte. Går prøven fra en blå (lys) farve til en violet, er det tegn på, at der er protein i prøven. Det virker kun i et basisk miljø, derfor tilsættes natriumhydroxid. Jo mere protein jo kraftigere er farvningen. Hvis der kun er korte peptidkæder tilstede, bliver farven pink. Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleverne skal erfare, at der findes metoder til bestemmelse af, om stoffer indeholder proteiner. Eleverne skal observere, om opløsningen skifter farve til violet. Eleverne kan inddele de analyserede stoffer i forhold til, om de indeholder protein eller ej. Eleverne kan starte med (før de starter selve forsøget) at opstille hypoteser 21

22 i forhold til, hvilke af de stoffer, de skal analysere på, der indeholder protein. Stof som hår og negle skal have lidt tid, før de farves. Det er typisk i snitfladerne, der vil komme et farveskift. Dette kan tydeligere ses under en stereolup. Drøft med eleverne, hvorfor de har en formodning om, at nogle stoffer indeholder protein og andre ikke gør. Drøft med eleverne, hvordan deres analyseresultater stemmer overens med deres opstillede hypoteser. Udnyt evt. de muligheder, eleverne har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der sker i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder eller små videosekvenser. Yderligere aktiviteter om proteiner på: Faglige begreber Proteiner, analyse, fødevare, næringsstoffer Indsaml stoffer som eleverne kan analysere på. Udover de stoffer, der er nævnt på elevarket, bør der også analyseres på stoffer, som ikke indeholder proteiner. Eleverne kan evt. selv få lov til at udvælge nogle ting, de har lyst til at analysere. Hvis eleverne selv skal udvælge stoffer, som de skal analysere på, så brug tid på at drøfte, hvilke stoffer der kunne være hensigtsmæssige at bruge. Sikkerhed 2 M NaOH: Natriumhydroxid er en stærk base, som kan virke ætsende på huden. Natriumhydroxid og opløsninger heraf virker stærkt ætsende på øjet med risiko for varig synsnedsættelse og eventuel blindhed på grund af hornhindebeskadigelse. Kobbersulfat virker kraftigt irriterende på huden og kan på fugtig hud være ætsende. Kobbersulfat ætser øjet med fare for hornhindebeskadigelse. Brug sikkerhedsbriller, handsker og forklæde. 0,5 M kobbersulfat: H-sætninger for 2 M NaOH: H314 - Forårsager svære ætsninger af huden og øjenskader. H-sætninger for kobbersulfat: H410 - Meget giftig med langvarige virkninger for vandlevende organismer. H319 - Forårsager alvorlig øjenirritation. H315 - Forårsager hudirritation. 22

23 H302 - Farlig ved indtagelse. Emne 4 - Kost og forbrænding Føden skal dække kropens behov for byggemateriale og energi. Maden nedbrydes i fordøjelsessystemet til mindre enheder. Kulhydrater nedbrydes hovedsagligt til glukose. Glukosen transporteres fra fordøjelsessystemet over i blodbanerne, hvor det sendes rundt til kroppens øvrige celler. Når muskler arbejder, skal de fx bruge glukose - og ilt. Ilt (O 2) og glukose (C 6H 12O 6) transporteres med blodet ud til musklerne, hvor det bruges i muskelcellernes respiration: C 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi glukose ilt kuldioxid vand Musklerne bruger energien til at udføre et arbejde. Jo mere musklerne skal arbejde, jo mere energi skal der omdannes i forbindelse med muskelcellernes respiration. En del af energien omdannes til bevægelsesenergi i forbindelse med musklernes arbejde, men i sidste ende omdannes al energien til varmeenergi. Madvarer som fx knækbrød og kartofler indeholder meget kulhydrat, mens fx nødder indeholder meget protein og fedt. Det findes et rigtig godt inspirationshæfte Menneskekroppen som motor udgivet af Fysikforlaget (kan downloades som pdf på hjemmesiden eller købes gennem Lmfksekratriatet), der fokuserer på Kost og forbrænding udviklet til Naturvidenskabeligt grundforløb i gymnasiet. Dissekerer chips Faglig sammenhæng I dette forsøg skal eleverne undersøge forbrænding af nogle madvarer. Når madvarerne reager med ilt og danner kuldioxid og vand, omdannes den kemiske energi i maden til varmeenergi: Når der afbrændes kartoffelchips, er det primært den mere brændbare madolie, der reagerer velvilligt, men selvfølgelig brænder også stivelsen. 23

24 Forbrænding af madolie (fx triglycerid af linolensyre): (C 17H 31COO) 3C 3H 5O O 2 54CO H 2O + energi Forbrænding af stivelse: (C 6H 10O 5) n + 6O 2 6nCO 2 + 5nH 2O + energi Den energi, som frigøres ved forbrændingen, afhænger af næringsstoffet: Protein Fedt Kulhydrat 17 kj/g 38 kj/g 17 kj/g Tidsramme 1 lektion Selve opstillingen og forsøget tager forholdsvis kort tid, da der ikke er noget ventetid undervejs. Spørgsmålene efter og leg med andre fødevarer kan tage tid. Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri At eleverne erfare, at kartofelchips indeholder kemisk energi, som kan omdannes til anden energiform ved forbrænding. Forbrænding, energi, kulhydrater, fedt. Her skal eleverne gerne komme frem til, at både kartoffelchips og madolie brænder bedre end en tørret kartoffelskive. Salt er ikke brændbart. Et reaktionsskema kan forenkles meget ved fx at tage en simpel fedtsyre og glukose i stedet for en triglyserid og stivelse. Ved afbrændingen af bestanddelene i chips opfordres eleverne til at tage billeder eller optage forbrændingen på deres telefoner. Dette er selvfølgelig bare en mulighed, men har den fordel, at det vil være nemmere for eleverne at lave sammenligningen ud fra billeder eller filmklip holdt ved siden af hinanden. Desuden vil det også være en fordel at benytte 24

25 mobilen til indsamling af data, når der senere i forløbet vil blive refereret til forsøget. En tillægsopgave kan være, at eleverne arbejder videre med afbrænding af madvarer med forskelligt fedtindhold. Her kan de undersøge sammenhængen mellem madvarens evne til at brænde og fedtindhold. Madvarer kan fx være smør (benyt fx en væge fra fyrfadslys), rent fedt, forskellige nødder. Nogle elever vil måske hævde, at olien brænder bedst pga. vægen. For at modvise dette, kan man tænde en væge fra et fyrfadslys og lade den brænde alene, så de kan se, at den efter kort tid går ud. Der kan evt. laves et smør lys eller brændes andre madvarer af. Brandtrekanten kan evt. introduceres. Sikkerhed Som forberedelse skal kartoffelskiverne tørres. Dette skal gøres i god tid eller evt. i en ovn ved lav temperatur. Ingen særlige Energiforbrug og indhold Faglig sammenhæng Dette forsøg kommer i naturlig forlængelse af dissektionen af chips, hvor de først har undersøgt, hvilke bestanddele i maden, som kroppen forbrænder for at frigive energi. De skal nu arbejde med, hvor meget fysisk aktivitet de skal udføre for at forbrænde den mængde, de har indtaget. Forsøgsgangen kan evt. introduceres ved, at man udregner energiindholdet i en portion chips, og hvor meget fysisk aktivitet der kræves for at forbrænde dette. Forsøget er bygget op således, at eleverne bør kunne finde alle relevante oplysninger i det vedlagte regneark. Størrelsen energiomsætning i kj/(min*kg) ved forskellig former for fysisk aktivitet kan forstås som effekt pr. kropsmasse. Energiforbruget kan efterfølgende udregne når man kender den tid aktiviteten pågår og vægten af forsøgspersonen. Tidsramme 1 lektion 25

26 Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleven skal være i stand til at beregne energiforbruget ved forskellige fysiske aktiviter ved hjælp af tabelværdier for energiomsætning og energiindhold i madvarer ved at aflæse varedeklarationen. Effekt, energiomsætning, energiforbrug, energiindhold, aktivitet, effekt, varedeklaration Det er eksempler på udregninger i vedlagte regneark. Det er vigtigt, at eleverne har fået redskaber til, hvordan man læser en varedeklaration. De nævnte cases er eksempler, men du kan selv lave andre cases, som eleverne skal løse. Man kan desuden overveje at inddrage eleverne selv ud fra en vurdering af, at det kan være motiverende for dem, at cases handler om dem selv. Dog bør man være opmærksom på, at det for nogle elever kan være ubehageligt at oplyse vægt, hvor meget motion de dyrker mv. Tag hensyn til disse elever. Der er ikke anført, hvordan regnearkene skal anvendes eller gemmes efterfølgende, da dette bl.a. afhænger af, hvilke digitale løsninger, der er til rådighed, samt hvor vante eleverne er til at anvende exel/regneark. Forslag til andre små-opgaver : Inden hhv. case 1 og 2 kan eleverne rangere aktiviteterne efter, hvor meget energi, de tror, man forbrænder, samt protein, fedt og kulhydrat efter energiindhold. Dette skal gøres inden, de får udleveret dataarket. Skriv evt. aktiviteterne op på tavlen og bed dem rangere dem. Inden case 3 skal de komme med et ca. bud på, hvor lang tids aktivitet der kræves for at forbrænde den pågældende madvare. Eksempel på efterbehandlings-case; de skal sammensætte et måltid, som de indtager efter skole, med udgangspunkt i, hvilken aktivitet (computer, fodbold mv) de skal lave om eftermiddagen. Hvordan efterbehandlingen ellers skal foregå, kan tage sig ud på mange måder. Det er dog her vigtigt, at det ikke er den matematiske del af opgaven, der kommer til at stå i fokus. Man kan lade eleverne fremlægge deres bud på, hvilket måltid man skal indtage, hvis man eksempelvis skal til fodbold i løbet af eftermiddagen (eller en lignende case). 26

27 Sikkerhed Indkøb af madvarer Ingen særlige Forbrænding i os Faglig sammenhæng Kroppen kan komme af med varmeenergi på fire måder: fordampning af sved, strålingsvarme, konvektion (opvarmning af forbipasserende luft) og varmeledning (ved direkte kontakt med omgivelserne). I fysikfaget vil man være påpasselig med at pointere, at varme er energi, som flytter sig mellem steder med forskellig temperatur. Varme går altid fra det sted med højest temperatur (personen) til et sted med lavere temperatur (den isolerede kasse). I den isolerede kasse kan vi estimere strålingsvarme, konvektion og varmeledning fra forsøgspersonen ved at måle den resulterende temperaturstigning. Hvis skolen har en fugtighedsmåler, kan det være relevant også at inddrage energiovergangen som følge af fordamning af sved. Fordampning af sved er en endoterm (=energikrævende) proces. Så længe den relative luftfugtigheden er mindre end 100 % vil kroppen afgive energi til omgivelsen ved fordampning. I termofysikken kaldes dette for fordampningsvarme (L f). Fordampningsvarmen er temperaturafhængig, men ved kropstemperatur er den 2,4 kj/g for vand. Vand: H 2O(l) H 2O(g), L f= 2,4 kj/g, Det kan også være interesant at måle koncentrationen af ilt og kuldioxid i kassen. De vil ændre sig som følge af cellernes respiration: C 6H 12O O 2 6 CO H 2O + energi Iltindholdet falder, mens kuldioxidindholdet stiger, så længe forsøgspersonen respirerer i kassen. Tidsramme 1 lektion 27

28 Hvis eleverne er hurtigt færdige, kan de måle på andre personer i gruppen. Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleverne skal kunne udtale sig om deres basale energiomsætning og energiomsætning ved aktivitet, ved at måle temperaturændring i en isoleret kasse. Eventuelt også måle relativ luftfugtighed og hvordan sammensætningen af ilt og kuldioxid ændres i kassen. Temperatur, varmeafgivelse, jævnvarme/vekselvarme, respiration, energi (kinetisk, termisk), gasser, luftfugtighed, stofskifte. Temperaturen i kassen vil stige afhængig af, hvor godt isoleret kassen er. Det er vigtig at vente til temperaturen er nogenlunde konstant (altså at forsøgspersonen afgiver lige meget energi til kassen, som kassen afgiver til omgivelserne). En udvidelse af forsøget kan være at sammenligne denne temperaturstigning med temperaturstigningen, vi får ved at varme kassen op med fx en lyspære med kendt effekt (altså erstatter lyspæren forsøgspersonen). Ved en sådan kalibrering kunne man fx komme frem til, at forsøgspersonen bevirkede samme temperaturstigning som en 40 W lyspære: Forsøgspersonens basale stofskifte ville da være på ca.40 W. I dette forsøg er det særligt vigtigt, at graferne og de indsamlede data ikke bare kommer til at stå alene, da det for nogle elever kan være svært at arbejde med dataindsamling. Som anført i efterbehandlingen kan man evt. sørge for, at hver gruppe skriver en lille konklusion om, hvad graferne viser, som de skal fremlægge for klassen. Hermed får de italesat, hvad de har fundet frem til. Hvis skolen har datalogger-censorer til O 2, CO 2, luftfugtighed mv., kan der med fordel også indsamles data for disse. Til den isolerede kasse kan anvendes flamingoplader. Flamingoplader kan købes i byggemarked. De bruges normalt til isolering af fx gulv. De kan genanvendes. Et alternativ kan være en stor papkasse, som isoleres med bobleplast eller fx vattæpper. Hvis skolen er i besiddelse af dataloggere, kan disse anvendes med tilhørende sensorer: Temperatur Ilt CO 2 Luftfugtighed Indkøb af flamingo? 28

29 Sikkerhed Påse at forsøgspersonen ikke udsættes for unødig belastning ved at sidde indelukke i en tilnærmer isoleret kasse over længere tid. Tjek undervejs hvordan eleven har det! Det kan opleves klaustrofobisk! Emne 5 - Enzymer Enzymer er store proteinmolekyler, der styrer og regulerer næsten alle de kemiske omsætninger, der foregår i levende organismer. Et enzym er en biokemisk katalysator, som accelererer en bestemt kemisk proces. Ved den ph, den temperatur og den koncentration af stofferne, der findes i levende organismer, vil de fleste kemiske processer foregå meget langsomt, hvis der ikke er enzymer tilstede. Enzymerne øger hastigheden af stofskifteprocesserne med en faktor Den enzymatiske reaktion foregår ved, at substratet, som skal omsættes, bindes til enzymet, hvorefter det dannede produkt frigøres fra enzymet. Det at have indsigt i hvordan enzymer virker, er vigtigt i forhold til at forstå mange af kroppens omsætningsprocesser ikke mindst de omsætningsprocesser, der finder sted i forbindelse med kroppens fordøjelse af den indtagne føde. Men også når man arbejder med bioteknologi, er det vigtigt at have en god forståelse af, hvad enzymer er, og hvordan de virker. Ordet enzym betyder egentlig gær eller surdej. Mennesket har i årtusinder udnyttet det, at mikroorganismer med deres enzymer har kunnet omdanne forskellige organiske stoffer. Man har også anvendt enzymer isoleret fra levende organismer, fx osteløbe fra kalvemaver i forbindelse med osteproduktion. I dag er brugen af enzymer en vigtig del af mange industrier. Emnet Enzymer består af 4 idéer til øvelser, der giver eleverne et indblik i, at enzymer optræder i mange forskellige sammenhænge, og at hvert enzym katalyserer en bestemt omsætningsproces. Eleverne har bl.a. mulighed for at eksperimentere med temperaturens betydning for enzymernes virkningsgrad. Spalte kulhydrat Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med menneskets fordøjelsessystem. Fordøjelsen starter allerede i mundhulen, hvor spyttet indeholder spyt-amylase, som nedbryder stivelse til mindre kulhydratenheder. Forsøget kan også anvendes i forbindelse med et tema, hvor eleverne arbejder med bioteknologi og enzymer. Forsøget er et godt introduktions-forsøg, som viser hvordan enzymer arbejder. Stivelse udgør størstedelen af det fordøjelige kulhydrat i kartoffelmel. Stivelse er opbygget af lange kæder af glukose. I kartoffelmel klumper 29

30 stivelsesmolekylerne sig sammen i små kugler såkaldte stivelseskorn. Stivelseskorn er uopløseligt i vand ved stuetemperatur, men suger vand til sig efterhånden som temperaturen stiger. På et tidspunkt (omkring 60 o C) bliver bindingerne mellem stivelsesmolekylerne svagere og stivelseskornene begynder at svulme op og viskositeten af opløsningen stiger. Det vil sige, at opløsningen bliver mere tyktflydende. Når amylasen begynder at spalte stivelsesmolekylerne til mindre enheder, vil opløsningens viskositet også falde opløsningen bliver mindre tyktflydende. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion Eleverne skal erfare, at bestemte enzymer i vores spyt kan spalte stivelse. Eleverne skal observere, om stivelsesopløsningen bliver mindre tyktflydende, der hvor opløsningen tilsættes spyt. At opløsningen bliver mindre tyktflydende, kan tolkes som et resultat af, at spyt-amylasen har spaltet en del af stivelsen i opløsningen. Drøft med eleverne, hvad der er årsagen til det, de observerer. Man kan vælge at tilsætte iodiodkalium til stivelsesopløsningen (en enkelt dråbe). Når man blander en opløsning af stivelse med iodiodkalium, fremkommer en kraftig blåviolet farve. Denne farve danner iodiodkalium kun med stivelse. Så længe opløsningen er farvet blåviolet, er der stivelse tilstede. Når stivelsen er nedbrudt, forsvinder den blåviolette farve Det kan måske være svært for eleverne at ramme den rigtige mængde kartoffelmel, når de skal lave deres sovs. Hvis der kommer for meget kartoffelmel i vandet, bliver konsistensen for tyk. Muligvis må nogle elever lave sovsen flere gange. Drøft med eleverne, hvad det er, der gør opløsningen tyktflydende, og hvad der sker, når spyttet tilsættes. Hvis man vælger at anvende iodiodkalium som indikator for stivelse, er det vigtigt, at eleverne forstår, hvad iodiodkaliums rolle er. Faglige begreber Sikkerhed Placer et stykke hvidt papir bag bægerglassene, så erkendes farveskiftet lettest. Enzymer, stivelse, glukose, spaltning af stivelse, fordøjelse, amylase. Ingen Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. 30

31 Spalte protein Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med menneskets fordøjelsessystem. Fordøjelsen af proteiner starter i mavesækken, hvor det proteinspaltende enzym, pepsin, nedbryder proteiner til mindre bestanddele (kortere peptidkæder). I den øvre del af tyndtarmen tilsættes andre enzymer, som spalter peptidkæderne og de proteiner, der ikke blev spaltet i mavesækken, til aminosyrer. Forsøget kan også anvendes i forbindelse med et tema, hvor eleverne arbejder med bioteknologi og enzymer. Forsøget illustrer fint, hvordan enzymer arbejder med specifikke omsætningsprocesser, og at enzymet kan ødelægges (denatureres) ved opvarmning. Proteiner er opbygget af en række mindre molekyler aminosyrer. De enkelte proteinspaltende enzymer kan bryde bindingen mellem bestemte aminosyrer. Gelatine er et eksempel på et protein. Gelatine anvendes som geleringsmiddel / fortykkelsesmiddel. Det anvendes til at gøre vandige levnedsmidler tykkere (tyktflydende). Gelatine kan fremstilles ud fra proteinet collagen, som findes i sener, hud og knogler fra fx pattedyr. Gelatine sælges under navnet "Husblas". Bromelin er et eksempel på et proteinnedbrydende enzym, som findes i ananas. Faktisk en mixture af flere proteinnedbrydende enzymer. Enzym-effekten af bromelin forsvinder dog ved opvarmning. Derfor skal man altid give ananas et kort opkog, når man laver gelé, marmelade eller ananasfromage. Ellers nedbryder bromelinen geléringsmidlet. Nogle mennesker kan opleve, at det svier på læberne under ananasspisning. Det er fordi, bromelinen er gået i gang med at spalte proteinerne i læberne. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Selve forsøget kan afvikles i løbet af en lektion - hertil skal dog lægges tid til afkøling af væskerne, før forsøgsresultatet kan observeres. Eleverne skal erfare, at bestemte enzymer kan spalte proteiner, og at enzymets virkning kan ødelægges ved opvarmning. Eleverne skal observere, hvilke opløsninger der bliver tyktflydende/faste. At opløsningen ikke tyknes (glas 2) kan tolkes som et resultat af, at bromelinen har spaltet gelatinen. Drøft med eleverne, hvad der er årsagen til det, de observerer. Drøft med eleverne, hvad det er, der gør opløsningen stiv, og hvordan enzymer virker. 31

32 Et supplement til undersøgelsen kan være, at man tester hhv. den kogte og friske ananassaft på tungen. Udnyt evt. de muligheder, eleverne har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der sker i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder. Bromelin findes både i ananassaft og frugtkød. Men det er vigtigt, at der anvendes saft fra en frisk ananas, da ananassaft på flaske eller i karton, sandsynligvis har gennemgået en opvarmning. Faglige begreber Sikkerhed Enzymer, stivelse, glukose, spaltning af stivelse, fordøjelse. Hvis eleverne ikke selv skal presse saft fra en frisk ananas, skal dette forberedes inden lektionen. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Ananassaft kan dog svie, hvis det fx kommer i øjet. Leverpølse Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor eleverne arbejder med enzymer fx i forbindelse med fordøjelse eller bioteknologi. Forsøget illustrerer på dramatisk vis, hvordan enzymer katalyserer en omsætningsproces, og at temperatur og mængde af enzym har betydning for omsætningshastigheden. I dette forsøg anvendes enzymet, katalase, fra svine- eller kalvelever. Leveren er et stort og vigtigt organ i kroppen. Alt blod fra fordøjelseskanalen løber via portåbningen ind i leveren. Alle de stoffer, som optages fra fordøjelsessystemet, kommer altså igennem leveren, inden de får mulighed for at komme videre ud i kredsløbet. Leverens stofskifte udgør en fjerdel af det samlede hvilestofskifte og har en temperatur, der er et par grader højre end de øvrige indre organer. Dette giver et billede af, at leveren foretager mange biokemiske processer, og leverens celler indeholder da også et meget stort antal enzymsystemer. En af leverens mange funktioner er at uskadeliggøre stoffer, der er farlige for kroppen og dens celler. Et af disse farlige stoffer er brintoverilte (hydrogenperoxid), som dog dannes naturligt i kroppens celler i forbindelse med forskellige reaktioner. Brintoverilte vil blive nedbrudt af sig selv, men reaktionen foregår meget langsomt. Kroppens celler producerer derfor enzymet katalase, som katalyserer nedbrydningen af brintoverilte til vand 32

33 og ilt. Leveren indeholder specielt meget katalase. Tidsramme Faglige mål Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion eller to. Den første opstilling tager ca. 30 minutter. Den efterfølgende eksperimenterende del kan tage en del tid - afhængigt af elevernes fantasi. Eleverne skal erfare, at enzymer kan accelerere omsætningsprocesser. Eleverne skal kunne, på baggrund af egne hypoteser, rekonstruere forsøg, så omsætningsprocessen forøges yderligere. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleverne skal på baggrund af deres første forsøg dels give et bud på, hvilke observationer der kan indikere, at der foregår en kemisk reaktion. Dels give et bud på, hvordan forsøget kan udføres anderledes, så reaktionshastigheden øges. Efter at have gennemført yderligere forsøg, skal eleverne vurdere hvilke ændrede parametre, der har været med til at forøge reaktionshastigheden. Da det er observationer af, hvor meget opløsningen skummer, der giver eleverne indikationer af reaktionshastigheden, ligger der en udfordring i at huske, om det ene eller det andet forsøg skummede mest. Her kan det være en god idé at udnytte de muligheder, eleverne har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der sker i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder eller små videosekvenser. Drøft med eleverne, hvorfor netop deres ændringer i forsøgsafviklingen har forøget (eller ikke forøget) reaktionshastigheden. Drøft med eleverne, hvilke observationer, der kan indikere noget om reaktionshastigheden. Drøft med eleverne, hvilke parametre der kan ændres på for at øge reaktionshastigheden. Drøft med eleverne, hvor mange parametre, man må ændre på ad gangen. Lever indeholder forholdsvis meget katalase. Når leveren skæres i mange mindre stykker eller blendes, kommer en større mængde katalase i berøring med brintoverilten. Enzymet virker bedst ved kropstemperatur, derfor vil brug af lunkent vand (ca. 37 o C) også fremme processen. Katalasen katalyserer omdannelsen af brintoverilte til vand og ilt. Ved reaktionen mellem katalase fra leveren og brintoverilten vil den dannede ilt medføre, at væsken skummer op. 33

34 Faglige begreber Sikkerhed Enzymer, reaktionshastighed, temperatur, lever, katalase, brintoverilte. Indkøb af lever Benytte gummihandsker, kittel og beskyttelsesbriller under udførslen. Hvis eleverne får brintoverilte eller skum på huden, skal de tørre det af og skylle godt med vand. H-sætninger for 10 % hydrogenperoxid (brintoverilte): H332 - Farlig ved indånding. H314 - Forårsager svære ætsninger af huden og øjenskader. H302 - Farlig ved indtagelse. H271 - Kan forårsage brand eller eksplosion, stærkt brandnærende. Spalte fedt Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor eleverne arbejder med bioteknologi og enzymer. Forsøget illustrerer på en fin måde, hvorfor man tilsætter fedtspaltende enzymer til vaskemidler. Forsøget kan også bruges som afsæt til at tale om, hvordan fedtstoffer bliver nedbrudt i tarmsystemet ved hjælp af enzymer. De enzymer, som spalter fedt, kaldes lipaser. De lipaser, som er tilsat vaskepulver, spalter de tungtopopløselige triglycerider til mere vandopopløselige slutprodukter: glycerol og frie fedtsyrer. Udover lipase kan vaskepulver også indeholde amylase, som nedbryder stivelseholdige pletter, protease, som nedbryder proteinholdige pletter og cellulase, som nedbryder slidte fibre fra tøjets (bomuld) overflade (medvirker til at tøjets farver bibeholdes klare). Hovedparten af kostens fedtindhold består af triglyserider (90%). Den enzymiske spaltning af fedtstof i tarmsystemet forgår også ved hjælp af lipase. Lipase udskilles til tolvfingertarmen fra bugspytkirtlen. Tidsramme Faglige mål Forsøgsopstilling 20 min.. Derudover 20 min. til iblødsætning. Tørretid: evt. til dagen efter. Kan sagtens ligge en uge, hvis det passer bedre. Eleverne skal erfare, at bestemte enzymer kan spalte fedt, og at dette udnyttes i produktionen af vaskepulver. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleverne skal observere, om der er pletter på tøjstykket efter vask (eller størrelsen af pletterne) afhængig af, om der er vasket med vaskepulver 34

35 indeholdende lipaser, opvaskemiddel uden lipase og rent vand. Pletternes omfang efter vask kan bedst observeres, når tøjstykket er tørt igen. Udnyt evt. de muligheder, eleverne har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der sker i forbindelse med de enkelte pletter. Fx ved at tage billeder. Drøft med eleverne, hvad der er årsag til de forskellige vaskeresultater. Faglige begreber Sikkerhed Vær opmærksom på at vaskepulver til uldvask typisk ikke indeholder enzymer. Vaskepulver til uldvask kan erstatte brugen af opvaskemiddel. Enzymer, spaltning af fedt, vaskepulver, bioteknologi, fedtsyre, glycerol. Medbring klude/stofrester (gerne bomuld). Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Emne 6 - Hjerte lunger Den energi, kroppen har brug for, leveres hovedsageligt af respirationsprocesser i kroppens mange celler. Specielt i kroppens muskelceller foregår der en stor energiomsætning. Respirationsprocesserne kræver ilt. Jo mere ilt kroppen er i stand til at optage fra atmosfæren omkring os, desto mere energi kan kroppen omsætte. I den forbindelse er kroppens evne til at optage og transportere ilt vigtig. Iltoptagelsen og -transporten kan beskrives i fire trin: 1. Første trin er en aktiv udveksling af luft mellem lungerne og den omgivne atmosfære. Indåndingen foregår ved, at brystkassen udvides ved muskelaktivitet. Det er muskler i mellemgulvet og muskler mellem ribbenene, som bidrager til dette arbejde. Udåndingen sker normalt passivt ved at åndedrætsmusklerne slapper af. 2. Andet trin er en diffusion af ilt gennem det tynde væv, der adskiller lunge og blodkar. Lungens indre består af ca. 300 millioner alveoler, som samlet set leverer en meget stor overflade. Alveolernes vægge består kun af ét enkelt cellelag, og rundt om hver alveole er indvævet et net af tynde blodkar - kapillærer. Den modsatte vej diffunderer kuldioxid, som kommer med blodet ude fra kroppens væv tilbage til lungerne. 3. Tredje trin er transport af ilt med blodet ud i kroppen. Ilten bindes til hæmoglobinmolekyler i de røde blodceller. Blodet pumpes rundt i blodkredsløbet af hjertets sammentrækninger. Hjertets venstre side pumper det iltede blod fra lungerne ud i kroppens blodkar, mens den højre side pumper det iltfattige blod, som kommer tilbage fra kroppen, ind i lungerne, hvor det iltes på ny. Det tryk der skabes i atrierne, når hjertet sammentrækkes, kaldes det systole systoliske tryk, det der skabes, når hjertet afslappes, kaldes det diastoliske tryk. 35

36 4. Det sidste trin er diffusionen af ilt mellem de små kapillærer ud i kroppen og de omgivende celler. Transporten af ilt sker ekstra hurtigt i muskelcellerne, da de har et iltbindende stof myoglobin i sig, som er med til at trække ilten til sig. 5. Samtidigt diffunderer der kuldioxid fra cellerne over i blodet. Blodtryks-testen Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med menneskets fysiologi og menneskets sundhed. Et vigtigt element i denne forbindelse er at arbejde med blodkredsløbet. Blodtryksmålinger kan bruges som afsæt til at tale om de fysiologiske sammenhænge mellem hjerte og blodkredsløb, men også som afsæt til at tale om de sundhedsmæssige sammenhænge mellem fx livsstil og blodtryk. Når blodtrykket måles får man opgivet to tal, fx 130 over 80 (angives i millimeter kviksølv/mmhg). 130 angiver det systoliske tryk altså det tryk blodet udøver på arterievæggene i hjertets sammentrækningsfase - og 80 angiver det diastoliske tryk altså det tryk blodet udøver på arterievæggene i hjertets afslapningsfase. Når lægen måler en patients blodtryk, benytter han normalt et blodtryksmanometer og et stetoskop. Blodtryksmanometeret består af en hul gummimanchet, en håndpumpe, som kan pumpe luft ind i gummimanchetten og et manometer, som kan registrere trykket i gummimanchetten. Gummimanchetten placeres stramt om højre overarm i hjertehøjde. Stetoskopet benyttes til at lytte til overarmsarterien i albuebøjningen. Vha. håndpumpen pumpes luft i manchetten indtil overarmsarterien er klemt helt sammen, så der ikke kan høres noget i arterien vha. stetoskopet. Nu er der lukket af for blodgennemstrømningen - selv ved hjertets systole. Luften slippes herefter ud af manchetten ganske langsomt, indtil der pludseligt kan høres en svag rytmisk bankelyd i stetoskopet. Det er tegn på, at trykket fra hjertes systole er i stand til at overvinde det tryk, der nu er i manchetten. Men trykket under hjertets diastole er ikke i stand til at overvinde trykket i manchetten. Manometertrykket er nu lig med hjertets systoliske tryk, fx 130 mmhg. Der fortsættes med at lukke luft uf af manchetten, mens der lyttes efter pulsslagene i stetoskopet. Denne lyd vil langsomt blive svagere og til sidst forsvinde helt. Det diastoliske blodtryk aflæses (fx 80 mmhg), når pulslyden ikke længere kan høres. Nu kan blodet passere igennem overarmsarterien selv under hjertets diastole. På skolerne benyttes ofte elektroniske blodtryksapparater. Her anvendes der ikke 36

37 stetoskop. Apparatet kan selv registrere, når trykket i manchetten svare til de systoliske og diastoliske tryk - og fremvise værdierne på displayet. Ellers er princippet i målingen det samme. Blodtrykket siger en hel del om, hvordan hjertet og blodkredsløbet har det. Blodtrykket og pulsen stiger og falder med kroppens behov for ilt. Under dynamisk arbejde stiger blodtrykket dog ikke så meget, som hvis arbejdet er statisk. Andre forhold der også kan medføre svingninger i blodtrykket over forholdsvis kort tid, kan fx være: stres og nervøsitet rygning får blodkarrene til at trække sig sammen og så stiger blodtrykket lakrids indeholder stoffer som minder kroppens egne hormoner, der øger blodtrykket Ved meget lavt blodtryk, kan hjertet få vanskeligheder med at pumpe blodet rundt i hele kroppen. Forhøjet blodtryk er dog oftest det, der er det mest udbredte. Mange mennesker går rundt med forhøjet blodtryk uden at registrere det. Et konstant forhøjet blodtryk belaster hjerte og blodkar. Det kan medføre, at karvæggene bliver ujævne, så fedt og kalk nemmere aflejres på indersiden af karrene. Dette kan medføre karforsnævringer eller blodprop. Forhøjet blodtryk forøger også risikoen for hjerneblødninger. Forhøjet blodtryk er udtryk for, at hjertet arbejder hårdere end normalt. Dette slider meget på hjerte og blodkar. Blodtrykket bør normalt være mindre end 140/90 mmhg. WHO har defineret, at der er tale om forhøjet blodtryk, hvis det systoliske tryk er over 140 mmhg, eller det diastoliske tryk er over 90 mmhg. Tidsramme Faglige mål Forsøget kan afvikles i løbet af to lektioner. Eleverne skal erfare, hvordan blodtrykket måles, og at forskellige forhold kan påvirke blodtrykket. Eleverne skal kunne trække perspektiver til andre forhold i vores livsførelse, som har indflydelse på blodtrykket. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Hver blodtryksmåling resulter i to værdier: det systoliske og det diastoliske tryk. Når eleverne skal udregne gennemsnitsværdier, skal de systoliske og det diastoliske tryk holdes adskilt. 37

38 Drøft med eleverne, hvorfor man skal arbejde med gennemsnitsværdier. Drøft med eleverne, hvad forskellen er på det systoliske og det diastoliske tryk. Drøft med eleverne, hvorfor blodtrykket ændrer sig. Drøft med eleverne, hvilke andre parametre der kan have indflydelse på blodtrykket. Drøft de sundhedsmæssige perspektiver af at have et forhøjet blodtryk med eleverne. Som supplement til lakrids kan eleverne også prøve at indtage energidrik med koffein. At fx A28 kan nedsætte blodtrykket, skyldes nogle blodtryksnedsættende peptider. De hæmmer Angiotensin Converting Enzym (ACE), et enzym som er vigtigt i reguleringen af blodtrykkets opadgående retning. Peptider med blodtryksnedsættende egenskaber kan dannes ved fermentering af mælk med mælkesyrebakterier, når man laver ost og yoghurt. Der skal muligvis indtages surmælksprodukter over længere tid, før der kan observeres en vedvarende effekt. Blodtrykket skal måles på højre overarm, så manchet og hjerte er i samme højde. Det kan være en fordel, at eleven, der måles på, ligger ned. Faglige begreber Sikkerhed Følg vejledningen som følger med det blodtryksapparat, I har på jeres skole. Lad eleverne afprøve apparatet et par gange, så de bliver fortrolige med metoden, inden selve forsøget afvikles. Hjerte, blodkredsløb, blodtryk, hjertekarsygdomme, livsstil. Brug tid på, at eleverne bliver fortrolige med brugen af blodtryksapparatet. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Nogle elever kan dog føle ubehag ved manchettens pres på overarmen. Lungekapacitet Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med menneskets fysiologi og menneskets sundhed. Et vigtigt element i denne forbindelse er at arbejde med lungernes funktion. Lungekapacitetsmålinger kan bruges som afsæt til at tale om de fysiologiske sammenhænge mellem lungerne og iltoptagelse, men også som afsæt til at tale om de sundhedsmæssige sammenhænge, der er relateret til lungernes funktionsevne. Hos en voksen er luftvejenes samlede rumfang ofte mellem 5 6 liter. Dette svarer til den totale lungekapacitet. Det er dog ikke al luft i lungerne, som kan udåndes, da lungerne ikke kan klappe helt sammen. Den mængde luft, der ikke kan presses ud af lungerne, kaldes residualvolumen. Den totale lungekapacitet 38

39 minus residualvoluminet, kaldes vitalkapaciteten eller vital lungekapacitet. Vital lungekapacitet er altså et udtryk for, hvor meget luft, der maksimalt kan udskiftes fra lungerne ved hvert åndedræt. Den vitale lungekapacitet kan variere fra person til person alt efter kondition, alder, størrelse og beskadigelser på lungerne, fx ved rygning. Det er den vitale lungekapacitet, der arbejdes med i denne øvelse. Tidsramme Faglige mål Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion tidsrammen er dog afhængig af, hvor mange elever, der skal have målt deres lungekapacitet Eleverne skal erfare, hvordan den vitale lungekapacitet kan måles, og at lungekapaciteten kan variere. Eleverne skal kunne trække perspektiver til andre forhold i vores livsførelse, som har indflydelse på lungekapaciteten. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Man kan opleve, at dunken grundet trykket vil trække sig lidt sammen. Men hvis eleverne sørger for, at dette er nogenlunde ensartet i alle forsøg, vil sammenligningsgrundlaget stadig være til stede. Drøft med eleverne, hvorfor man skal arbejde med gennemsnitsværdier (af de målte volumener). Drøft med eleverne, om der er forskellige måder at repræsentere måleresultaterne på. Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem forsøgspersonens højde og lungekapaciteten. Drøft med eleverne, hvilke andre parametre der kan have indflydelse på lungekapaciteten. Drøft de sundhedsmæssige perspektiver af at have reduceret lungekapacitet med eleverne - og hvilke forhold, der kan være årsag til reduceret lungekapacitet. Det kan være en fordel at udføre forsøget udendørs. Forsøget kan være ret tidskrævende, hvis alle eleverne skal igennem forsøget tre gange. Man kan evt. udvælge 3-4 forsøgspersoner, son repræsenter forskellige højder. Vær sikker på, at eleverne forstår princippet i forsøgsopstillingen og er klar over, hvordan volumen af udåndingsluften måles. Faglige begreber Sikkerhed Lunger, ilt, åndedræt, lungekapacitet, livsstil. Der skal indsamle materiale til spirometret. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. 39

40 Temaet Energi og samfund Temaet Energi og samfund indeholder fem emner med tilhørende idéer til øvelser: 1. Potentiel og kinetisk energi (2 øvelser) 2. Alternative energikilder (2 øvelser) 3. Energioplagring (2 øvelser) 4. Olie (2 øvelser) 5. Strømproduktion (2 øvelser) Temaet er specielt rette mod faget fysik/kemi og geografi, men inddrager også elementer af faget biologi. Fælles mål Fællesmål, som relaterer sig til temaet Energi og samfund hentet fra faghæfterne i Fysik/kemi og Geografi. Faghæftet for fysik/kemi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin anvende enkle fysiske eller kemiske begreber til at beskrive hverdagens fænomener, herunder magnetisme, korrosion og tyngdekraft beskrive og forklare energioverførsel, herunder elektrisk energioverførsel surhedsgrad, varmeudvidelse, elektriskog termisk ledningsevne beskrive og forklare udvalgte eksempler på energioverførsel i hverdagen og teknikken beskrive hovedtræk ved samfundets energiforsyning, herunder elektrisk energiforsyning give eksempler på, at der ved energiforsyning ofte produceres stoffer og varme, der påvirker miljøet kende fordele og ulemper ved udnyttelsen af forskellige energikilder give eksempler og forklaringer på, hvordan energiproduktion kan ske på bæredygtig måde i forskellige dele af verden (fælles med geografi) gøre rede for energiomsætninger, nyttevirkning og tab i energikvalitet i forbindelse med samfundets elektriske energiforsyning og brug af solceller, solfangere, biogas og brændselsceller 40

41 beskrive, hvorledes anvendelse af råstoffer eller materialer kan påvirke ressourceforbrug, miljø og affaldsmængde, herunder kul, plast og træ vurdere anvendelser af naturgrundlaget i perspektivet for bæredygtig udvikling og de interessemodsætninger, der knytter sig hertil (fælles med biologi og geografi) Faghæftet for Geografi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin kende til forekomst og udnyttelsen af råstoffer i Danmark og andre regioner vurdere anvendelser af naturgrundlaget i perspektivet for bæredygtig udvikling og de interessemodsætninger, der knytter sig hertil (fælles med biologi og geografi) kende til energiproduktion lokalt, regionalt og globalt, herunder fossilt brændsel, atomenergi og vedvarende energi kende til de miljømæssige konsekvenser af samfundenes forbrugsmønstre kende til verdens energibalance og forskellen mellem energiproduktion og energiforbrug forholde sig til de miljømæssige konsekvenser af samfundenes forbrugsmønstre og udnyttelse af naturgrundlag Energi og samfund i bogsystemerne I det nedenstående er der givet eksempler på, hvilke kapitler/sider (fra de mest brugte grundbøger) der berører temaer kost og krop. Biologi Bios (Gyldendal) Ind i Biologien (Alinea) Xplore (GO-forlaget) A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl. 7.kl. 8.kl. 9.kl. Økologi (22-37) Grundlag for liv Globale miljøproblemer (32-51) (92-117) Fysik/kemi Kosmos (Gyldendal) Naturens univers (Alinea) Xplore Fysik/kemi (GO-forlaget) 41

42 A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl Elektricite t (65-85) Magnetism e (28-49) Energi (50-67) Energi på vej (49-69) Kemi og elektricite t ( ) Tema 5: Elektricitet og magnetism e ( ) Tema 3: Energi overal t (81-88) Tema 1: Spar på energie n En strøm af elektroner(50-61) Energi skal der til (25-41) Bæredygtighe d ( ) Geografi Geos (Gyldendal) Ind i geografien (Alinea) Xplore Geografi (GO-forlaget) A B C A B C 7.kl. 8.kl. 9.kl. Energi (33-59) Ressourcer (31-48) Energi Emnet Potentiel og kinetisk energi Fysikere vil hævde, at det findes to hovedforme for energi: Potentiel og kinetiske energi. Alle andre energiforme kan (med lidt besvær) reduceres til kombination af disse to. For eksempel er energiformen termisk energi knyttet til partikelbevægelse, altså kinetisk energi på mikroniveau. I grundskolen vil det give god mening at anvende også de andre mere deskriptive energiforme for at beskrive den sammenhæng, vi finder energien i. Potentiel energi (eller beliggenhedsenergi) i tyngdefeltet er knyttet til det arbejde, man gør for at løfte noget mod tyngdekraften. Det kan beregnes med formlen: E p = mgh m er genstandens masse g er tyngdeakselerationen. I Danmark sætter vi den gerne til 9,8 m/s 2. h er højden man har løftet genstanden (eller fra en givet nulniveau). NB! Det findes også andre former for potentiel energi, for eksempel vil elektriske ladninger ha elektrisk potentiel energi i et elektrisk felt. Kinetisk energi knytter sig til den energi, en genstand har, fordi det er i bevægelse. Det er defineret som det arbejde, man må udføre for at accelerere en genstand med en given masse fra at ligge i ro til en given fart. For en genstand i lineær bevægelse kan den kinetiske energi beregnes med formlen: E k = ½ mv 2 m er genstandens masse v er farten 42

43 En genstands mekaniske energi er summen af den kinetiske og potentielle energi. I et lukket system vil den mekaniske energi være bevaret. Emnet Potentiel og kinetisk energi består af 2 forslag til øvelser, der hver især fokuserer på nogle karakteristiske egenskaber til potentiel og kinetisk energi. Potentiel, kinetisk og elektrisk energi Faglig sammenhæng Energi kan overføres eller omdannes fra en energiform til en anden. I forsøget skal eleverne omdanne potentiel energi til kinetisk energi i et lod. Den kinetiske energi i loddet skal derefter overføres til kinetisk energi i elmotoren, der omdannes den til elektrisk energi. Den elektriske energi overføres til lyspæren der omdanner den til termisk energi. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleven skal kunne vise, hvordan energi kan omdannes og overføres, og anvende begreberne potentiel energi, kinetisk energi og elektrisk energi til at beskrive energien i en given situation. Energiomdannelse, energioverførelse, potentiel energi, kinetisk energi, termisk energi, elektrisk energi, generator, energibevarelse, energihistorie. Når eleven slipper loddet, falder det, og det får højere og højere fart. Potentiel energi omdannes til kinetisk energi. Snoren, der er fæstet til loddet, trækker remskiven på generatoren (elmotoren) rundt. Generatoren snurrer hurtig rundt: Den kinetiske energi til loddet omdannes til kinetisk energi i generatoren. Lyspæren lyser så længe elmotoren drejer rundt, og er kraftigst lige inden loddet rammer bordet/gulvet. Den kinetiske energi i generatoren er omdannet til elektrisk energi og derefter termisk energi i lyspæren. Jo højere loddet hænger over gulvet eller bordet (nulpunktet), desto mere potentiel energi har loddet. Det giver i sidste ende mere lys i lyspæren. Eleverne skal arbejde målbevist på deres fagsprog og anvende begreberne potentiel, kinetisk, elektrisk og termisk energi, herunder ved at skrive deres energihistorie. Energihistorie er en genre, hvor eleverne med egne ord skal beskrive, hvad der sker med energien i forløbet. Mange elmotorer kan også bruges som generator. Sikkerhed Ingen specielle Ingen specielle 43

44 Energiberegneren Faglig sammenhæng Potentiel energi (eller beliggenhedsenergi) i tyngdefeltet er knyttet til det arbejde, man gør for at løfte noget mod tyngdekraften. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleven skal kunne beregne en genstands potentielle energi ved at indtaste massen til genstanden og højden til genstanden i et regneark. Energiomdannelse, energioverførelse, potentiel energi, kinetisk energi, termisk energi, elektrisk energi, generator, energibevarelse, energihistorie. Genstandenes potentielle energi kan beregnes med formlen: E p = mgh m er genstandens masse. g er tyngdeakselerationen. I Danmark sætter vi den gerne til 9,8 m/s 2. h er højden man har løftet genstanden (eller fra en givet nulniveau). I det vedlagte regneark vil en energiberegning for en afrikansk elefant på 5,0 ton (5,0 ton = 5000 kg = g) i toppen af Rundetårn (41,8 m højt) se sådan ud: Energiberegner Potentiel energi: Elefant (5000 kg) i toppen af Rundetårn (41,8 m) Indtast genstandens masse (vægt): G Indtast genstandens højde over jorden: 41,8 M Genstandens potentielle energi: J J er et stort tal (med alt for mange cifre!) som vi kan skrive enklere: J = kj = MJ = 2,05 GJ Med tanke på antal gældende ciffer (3) i de opgivne værdier bør vi opgive den potentielle energi til elefanten som 2, J eller 2,05 GJ. 44

45 Energiberegner Potentiel energi: Femkrone (9,2 g) i 10 km højde Indtast genstandens masse (vægt): Indtast genstandens højde over jorden: 9,2 G M Genstandens potentielle energi: J Med tanke på antal gældende ciffer (2) i de opgivne værdier bør vi opgive den potentielle energi til femkronen som 9, J eller 0,90 MJ. Energiberegneren er udarbejdet med henblik på, at eleverne skal eksperimentere sig frem til, hvor stor en mængde potentiel energi en genstand kan have. I stedet for at eleverne begrænses af matematiske færdigheder, får de mulighed for at få en fornemmelse af, at både massen og højde har betydning for, hvor meget potentiel energi en genstand har. Nogle elever vil på den anden side kunne drage fordel af, at der knyttes matematiske formler til energibegreberne. Det må være lærerens vurdering, hvordan der bedst differentieres på dette område. I opgaven er der lagt op til, at eleverne selv skal finde masse for forskellige elementer, som kan indgå i beregningerne. Dette kan muligvis give noget spildtid, så som alternativ kan man på forhånd finde forskellige data, som eleverne kan anvende. Elefant: kg Femkrone: 9,2 g Scooter (Vespa Piaggio): 86 kg Islandsk hest: 350 kg Sikkerhed Ingen specielle Ingen specielle Emnet Energioplagring Det er fundamentalt for ethvert samfund at sikre tilgang på energi. Det meste af den energi vi bruger stammer fra solen. Solen sender enorme energimængder ud. Hvis vi fuldt ud kunne udnytte alt den 45

46 energien, som rammer jorden, ville nogle timers solstråling være nok til at dække verdens energibrug i et helt år! Desværre er det ikke så enkelt i praksis. For eksempel er 71 % af jorden oceaner. Og områder med størst solinstrålingen er ofte ikke der, det største behov for opvarmning er. I stedet er det de koldeste områder på jorden, som har størst behov for opvarmning, men her er der også færrest soltimer. Oplagring af energi er derfor en meget væsentlig forudsætning for ethvert samfund. Fossile energikilder er oplagret solenergi gennem fotosyntesen og nebrydning af organisk materiale uden tilgang af ilt. Batterier Faglig sammenhæng Blyakkumulatoren, som ofte kaldes «bilbatteri», er bygget op af blyplader, der står i en forholdsvis stærk svovlsyre. Reduktionsmidlet omkring den negative elektrode er porøst bly (Pb), og oxidationsmiddelet omkring den positive elektrode er bly(iv)oxid (PbO 2). Reduksjon:PbO (s) + SO (aq) + 4H (aq) + 2e PbSO (s) + 2H O(l) E = 1,69 V E Oksidasjon:Pb(s) + SO (aq) PbSO (s) + 2e - = - (- 0,36 V) = 0,36 V 0 Cellereaksjon:Pb(s)+PbO 2(s) 2H 2SO 4(aq) 2PbSO 4(s) 2H 2O E (1,69 0,36) celle + + = + V= 2,05 V Når cellen afgiver elektrisk energi, bliver der dannet bly(ii)sulfat(pbso 4) både ved den positive og ved den negative pol. Bly(II)sulfat er tungtopløseligt og afsættes derfor på elektrodepladerne. Når cellen aflades, bliver svovlsyren fortyndet. Ved opladning af en blyakkumulator sker den modsatte proces. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleven skal kunne lave en model af en blyakkumulator og ved hjælp af modellen vise, at man kan oplagre elektrisk energi. Akkumulator, elektrolyse, serieforbindelse, blycelle, elektrisk energi, ladning, afladning, plus og minuspol. Ved elektrolyse sker følgende: Negativ blystang: Der dannes små gasbobler. Gassen er hydrogengas (brint) dannet ved reduktion af H + -ioneren (fra svovlsyren): 2H + + 2e - H 2(g) Ved positiv blystang: Stangen tæres og der afsættes noget nyt materiale (PbO 2) på blystangen. Forklaringen er, at der først oxideres noget bly til bly(ii)ioner, som går ud i 46

47 løsning blysulfat. PbSO 4. Bly(II)ionerne oxideres videre til bly(iv)ioner, som afsættes som fast bly(iv)oxid, PbO 2 på blystangen. Pb(s) + SO (aq) PbSO (s) + 2e PbO 2(s) + SO 4 (aq) + 4H (aq) + 2e PbSO (s) 2H O(l) Vi har nu fået dannet en løsning (elektrolyt), som indeholder opløst PbSO 4 og en blystang belagt med PbO 2. Altså en opladet blyakkumulator. Cellespændingen til en blycelle er 2,0 V, så en 1,5 V lyspære bør kunne lyse svagt. Mens blyakkumulatoren bliver ladet op, bliver eleverne stillet den opgave, at de skal beskrive, hvad der sker nede i bægerglasset. Det forventes, at de her vil beskrive det makroskopiske niveau. De kemiske processer, vurderer vi, vil være for komplicerede for eleverne at arbejde med. Fokus vil i stedet være, at eleverne får indblik i, at man kan oplagre elektrisk energi, samt få repeteret det centrale i elektrolyse, strøm mv. Det afsluttende forsøg, hvor eleverne skal forsøge at beskrive, hvad der sker med energien i systemet, er et forsøg på at få italesat nogle af de begreber, som eleverne allerede kender til, i en ny sammenhæng. Energiens omdannelse gennem systemet er desuden valgt for at tilgodese, at de kemiske reaktioner er for svære for eleverne at arbejde med. Indledningsvis bliver der beskrevet, at man anvender blyakkumulatorer forbundet i serie som batterier i biler. For at lave en perspektivering til dette kan man undersøge fælles i klassen, hvor mange blyceller der skal kobles i serie for at drive en lille motor. Sikkerhed Ingen specielle Bly er et tungmetal. Det er ingen speciel risiko forbundet ved at anvende blylader. I øvelsen bliver der dannet en opløsning af fortyndet blysulfat. Det skal opsamles som uorganisk, surt affald. Blysulfat er et stof, eleverne normalt ikke bør anvende som et rent stof. Blysulfat som rent fast stof har faresymbolet Xn med risikosætningerne R20/22 N;R50/53 R33 og H302, H332, H360, H373, H M svovlsyre kræver, at eleverne arbejder med sikkerhedsbriller og handsker. Det har H-sætning H314 - Forårsager svære ætsninger af huden og øjenskader. 47

48 Energilagring i karse Faglig sammenhæng Fotosyntesen er en vigtig proces i kulstoffets kredsløb. Ved denne proces fikseres luftens CO 2 og carbonet indbygges i organiske forbindelser. I plantecellernes kloroplaster (grønkorn) reagerer kuldioxid og vand med hinanden, og der dannes ilt og glukose: 6 CO 2 + 6H 2O + lysenergi C 6H 12O 6 + 6O 2 Energien til processen kommer fra sollyset. Tidsramme Igangsætning: 30 min, Groning: 1 uge, Efterbehandling: 30 min Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Sikkerhed At eleven kan bruge dyrkning af karse som et eksempel på at planter fanger solenergi og omdanner det til energirige forbindelser. Fotosyntese, energi, energioplagring, energiomdannelse, spiring, frø. Har man dyrket fx 10 g karse, bliver energien 10/100 * 114 kj = 11,4 kj. Diskuter med eleverne, om det måske er en idé at bestemme massen til karsefrøene inden forsøget går i gang? Hvad med de tilbageværende rødder? Har rødderne og frø måske omtrent samme masse? Diskuter med eleverne, hvornår fotosyntesen går i gang. Er spiringen af karse afhængig af andet en vand? Fx lys, O 2, CO 2, næring/gødning? Her er der rigtig mange faktorer, som kan undersøges nærmere. Ingen specielle Ingen specielle Emnet Alternative energikilder Alternative energikilder som emne omhandler de energikilder, der ikke er baseret på fossile brændsler og kernekraft. Alternativ energi omfatter for eksempel vandkraft, vindkraft, solenergi, bølgeenergi og geotermisk energi. På verdensplan er vandkraft langt den vigtigste alternative energikilde. Solenergi har et stort potentiale både som direkte varmekilde og til at producere elektrisk energi. Solen udsender enorme energimænger! Selvom alternativ energi ofte opfattes som ren energi uden miljøbelastning, er det imidlertid ikke helt korrekt: al energiproduktion kræver indgreb i naturen, eller at der laves anlæg, der forurener. 48

49 Vandvarmer Faglig sammenhæng Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Solfangere har et stort, uudnyttet potentiale i Danmark. En solfanger absorberer solenergi, og omdanner det til termisk energi (varmeenergi) i vand. En moderne solfanger har ofte en virkningsgrad på 80 %. På en skyfri dag har solinstrålingen en effekt på ca 1000 W/m 2. Det betyder, at 1 m 2 moderne solfanger har effekten 800 W. 1-2 lektioner Eleven skal kunne lave en opstilling, der kan varme vand op med solenergi og sammenligne denne energiovergang med en solcelle. Termisk energi, absorption, indstråling, temperatur. Vandvarmeren bør stå vendt direkte mod solen, og med en vinkel så pladen står vinkelret på den indkommende solstråling. En måde at optimere vandvarmeren på er at bruge en endnu længere slange, så vandet er i slangen i længere tid og bliver varmet op af solen. En større del af solens energi bliver udnyttet. Hvis der ikke er noget sol, kan der evt bruges en overheadprojektor. Vandvarmeren skal helst stå noget tid i solen for at få så stor en temperaturstigning som muligt. Cirkulationspumpen kan være en lille akvariepumpe eller en 12v pumpe beregnet til campingvogne. Kan fås hos diverse campingbutikker. Det er ikke altid en direkte sammenhæng mellem effekten til solcellen og den hvilespænding, man måler med et voltmeter (effekt = strøm * spænding, P = I * U). Derfor bør man hellere måle effekten, når solcellen er belastet. Egentlig kan man helt udelade voltmeteret og bare benytte en lille elmotor med propel og vurdere solcellens effekt ved at betragte, hvor hurtig motoren drejer rundt. Sikkerhed Indkøb af materialer Ingen specielle Solovn Faglig sammenhæng Princippet bagved solovnen er at lave en ovn, der fokuserer solstrålerne fra et sort areal i et lille område. I vores tilfælde skal vandbeholderen 49

50 placeres i brændpunktet til en parabol. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber 2 lektioner At eleven selv kan forklare, hvordan man kan samle solstråling fra et stor område i et mindre område og på den måde øge effekt/areal. Termisk energi, refleksion, absorption, indfaldsvinkel, brændpunkt. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Med lidt snilde kan vandet i glasset sagtens komme til at koge. Beholderen skal være sort for at absorbere mest muligt af solindstrålingen. Posen har funktion som et drivhus, som slipper solstrålerne ind, men stopper varmestrålerne (infrarøde stråler) fra metalbeholderen/vandet i at slippe ud. Solovnen skal være mest mulig parabolsk for at samle solstrålerne i et brændpunkt (fokus). For at få det optimale ud af forsøget vil det være fordelagtigt, at eleverne har noget viden om lys og strålegange. Eksempelvis at eleverne kender til strålegang, refleksion, absorption mv. Mens vandet varmes er der lagt op til, at eleverne svarer på de anførte spørgsmål. Disse kan evt. også indgå i en fælles efterbehandling på klassen. Teorien bag solfangerens form kan evt. kræve en yderligere illustration, hvorpå brændpunktet kan visualiseres. Sikkerhed Måske skal der laves en skabelon til kartongen. Laver man en effektiv solovn, skal man passe på med at henstille den et sted, hvor den kan antænde noget. 50

51 Emnet Olie Råolie er tyk, mørkebrun og brændbar væske, som består af en kompleks blanding af forskellige kulbrinter. Råolien kan variere meget i udseende, sammensætning og renhed. Råolie udvindes fra jordens undergrund og raffineres til forskellige produkter på et olieraffinaderi. De forskellige fraktioner kan anvendes som en vigtig energikilde til drivstof for forbrændingsmotorer. I tillæg er olie råmateriale i petrokemisk industri. Destillation af olie Faglig sammenhæng På et olieraffinaderi raffineres råolie til fraktioner (produkter), såsom benzin, diesel, petroleum og asfalt. Råolien varmes op og ledes over i et destillationstårn. Her vil kun stoffer med de højeste kogepunkter forblive i væskeform, mens resten fordamper. Gassen afkøles langsom på vej op i tårnet. Her vil de forskellige fraktioner så fortætte til en væske og samles op. På laboratoriet er destillation en metode til adskillelse af væsker eller faste stoffer med forskellige kogepunkter. Adskillelsen foregår ved at opvarme blandingen i en beholder, indtil et af stofferne fordamper. Dampen afkøles til fortætning, og destillatet opsamles i en separat beholder. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleven skal kunne lave et enkelt destillationsopsæt og destillere en hjemmelavet råolieblanding med opsamling af 3 fraktioner. Destillation, fragmenter, destillater, carbonhydrid, kogepunkt Kogepunkterne afhænger af længden på kæden samt mængden af forgreninger. Her tager vi dog bare udgangspunkt i længden på alkanerne. I destillaterne vil der selvfølgelig også findes alkaner med forgreninger. Temperaturen, termometeret viser, vil være højere end det kogepunkt, som destillatet har, da termometeret i denne opstilling sidder længere nede end knækket, hvor destillatet bliver taget fra. Dette skal eleverne være opmærksomme på, når de kommer med bud på, hvilke alkaner de har i deres forskellige destillater. Det vil være fordelagtigt, at eleverne allerede har kendskab til den organiske kemi samt opbygningen af forskellige carbonhydrider. Navngivningen er ikke et must, da fokus er på sammenhængen mellem størrelsen og kogepunktet. Råolie hjemmelavet (fra Fremstilling af 20 gram råolie: 51

52 0,5 g sort tjære (f.eks. tagtjære; svovlholdig) 1,5 g fast paraffin 2 g vaseline 3 g flydende paraffin (apoteket har det) 2 g smøre- eller motorolie 2 g dieselolie eller fyringsolie Varm blandingen på en kogeplade til temperaturen når grader C - indtil det ser homogent ud. Afkøl til grader og tilsæt derefter yderligere: 3 g petroleum 2 g mineralsk terpentin 4 g rensebenzin Rør indtil blandingen ser homogen ud. Hvis man ønsker en tykkere "råolie", kan mængden af højtkogende bestanddele forøges på bekostning af en tilsvarende mængde af de lavtkogende komponenter. Evt. kan noget af den faste paraffin erstattes af en tilsvarende mængde vaseline. Der er mange variationsmuligheder. Vær opmærksom på at det sviner meget at lave, så det kan betale sig at lave en stor portion og gemme til senere. Sikkerhed Det er ikke tilladt at anvende rigtig råolie i undervisningen. I stedet kan der laves en hjemmelavet råolieblanding. Produktet er mærkepligtigt, og skal have summen af de klassificeringer med tilhørende R- og H-sætninger, som de enkelte kemikalier har hver især. Det er sandsynligvis dieselolien, der udgør det største problem, da dieselolie ofte er klassificeret med R-40 (Mulighed for kræftfremkaldende effekt). R-40 forefindes på eksklusionslisten (bilag 1 til At-meddelelse nr ) over stoffer elever i grundskolen ikke bør arbejde med. I henhold til At-meddelelse nr må eleverne lejlighedsvis og kortvarigt anvende stoffer, der giver skadevirkninger efter langvarig og gentagen udsættelse herunder organiske opløsningsmidler, hvis dette er nødvendigt for at gennemføre en given opgave, og hvis arbejdet i øvrigt gennemføres på en forsvarlig måde. Det betyder blandt andet, at eleverne skal have tilstrækkelig oplæring og instruktion i at udføre de praktiske 52

53 øvelser sikkert, og at eleverne får grundig information om farer ved arbejdet. Når eleverne anvender råolien, vil det være nødvendigt, at dampene fjernes på udviklingsstedet ved procesventilation. Cracking Faglig sammenhæng Cracking kommer af det engelske ord cracke, som betyder at knække. Processen medfører, at man bryder C-C-bindinger i lange carbonhydridkæder og danner kortere umættede kæder (også aromatiske). Cracking benyttes i petroindustrien til at omdannet tunge fraktioner til lettere fraktioner som LPG og benzin. Højtemperatur-cracking kaldes også for pyrolyse. C-C-bindinger, der brydes, fører først til dannelse af frie radikaler, som kan reagerer og danne alkener (carbonhydrider med enkeltbindinger), fx sådan: CH 3CH 3 2 CH 3* CH 3* + CH 3CH 3 CH 4 + CH 3CH2 * CH 3CH 2* CH 2=CH 2 + H* Vælger vi et relativt kort carbonhydrid som butan (CH 3-CH 2-CH 2-CH 3) som eksempel, kan vi opstille 3 forskellige resultater af crackingen: 1. alternativ (sandsynlighed: 48%): brydning sker ved CH 3-CH 2 binding. Radikaler: CH 3* / *CH 2-CH 2-CH 3 Slutprodukt: CH 4 + CH 2=CH-CH 3 (methan og propen) 2. alternativ (sandsynlighed: 38%): brydning sker ved CH 2-CH 2 binding. Radikaler: CH 3-CH 2* / *CH 2-CH 3 Slutprodukt: CH 3-CH 3 + CH 2=CH 2 (ethan og ethen) 3. alternativ (sandsynlighed: 14%): brydning sker ved C-H binding Slutprodukt: CH 2=CH-CH 2-CH 3 + H 2 (but-1-en og dihydrogen) Tidsramme Faglige mål 1 lektion Eleven skal kunne gennemføre en cracking på en forsvarlig måde, og relatere processen til de forskellige produktionsmetoder, som findes i den petrokemiske industri. 53

54 Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Cracking, carbonhydrid, gas, katalysator, kemisk formel, model af carbonhydrid. Eleverne vil typisk opsamle nogle ml. væske i reagensglasset, som står i koldt vand (midterste reagensglas) og en halvfyldt urinpose med en gasblanding. Dodecan, C 20H 42, CH 3-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2- CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 3 Nonan, C 9H 20, CH 3-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-CH 3 Butan; C 4H 10; CH 3-CH 2-CH 2-CH 3 Propan; C 3H 8; CH 3- CH 2-CH 3 Ethen; C 4H 8; CH 2=CH 2 Man kan overveje at lave test på produkterne, gerne som lærerforsøg: 1. Undersøg om væsken er brændbar ved at antænde nogle dråber af væsken i en forbrændingsske. Gør dette under udsugning. En sodende flamme indikerer, at blandingen indeholder carbonhydrider med dobbeltbindinger. 2. Undersøg om gassen i urinposen er brændbar: Kobl et glasrør for enden af slangen på urinposen og tryk jævnt på posen for at få en passende gasstrøm ud af glassrøret. Antænd gassen med en tændstik. Gør dette under udsugning. En sodende flamme indikerer, at gasblandingen indeholder carbonhydrider med dobbeltbindinger. 3. Man kan teste produkterne for dobbeltbindinger ved at tilsætte bromvand og ryste. Jo mere bromvand som affarves, desto flere carbonhydrider med dobbeltbindinger er det i produktet. Dette er et lærerforsøg, da eleverne ikke selv bør anvende bromvand. Forsøgets formål er bl.a., at eleverne kan stifte bekendtskab med de forskellige reaktionstrin, som findes i den kemiske industri. Det vil derfor være oplagt at lave cracking-forsøget i forlængelse af destillationen af olien. Et andet mål er desuden, at der bliver arbejdet både på det mikroskopiske og makroskopiske niveau. Det mikroskopiske repræsenteret ved selve crackingreaktionen på mikroniveau, herunder hvad der sker med de enkelte carbonhydrider. Makroniveauet repræsenteret ved den synlige reaktion i forsøget foruden 54

55 selve perspektiveringen til industrien. Arbejdet med mikroniveauet vil stille relativt høje krav til elevernes kognitive kapacitet. Man kan derfor overveje at anvende forskellige modeller for molekylerne. Selve forsøgsbeskrivelsen vil for en stor del af eleverne være ret kompliceret, så det er derfor vigtigt, at det gøres klart, hvad det centrale i forsøget er, så det ikke drukner i selve opstillingen. Sikkerhed Parafinolie er mærket med H-sætning H319 - Forårsager alvorlig øjenirritation. Det er derfor vigtigt, at eleverne arbejder med sikkerhedsbriller. Der vil dannes forskellige produkter i reaktionen, som kan udgøre fare. Derfor er det vigtigt, at hele forsøget udføres med god udsugning, også når udstyret kobles ned. Cracking kræver kraftig opvarmning af perlekatalysatoren. Det er vigtigt, at eleverne er fuldt indforstået med, at de IKKE skal røre ved udstyr, der har været varmet kraftig op, før de er helt sikre på, at det har haft tid til at køle ned. Emnet Strømproduktion Vores samfund er i høj grad afhængig af rigelig tilgang af elektrisk energi. Men elektrisk energi er ikke en primær energikilde det er en energibærer. Det vil sige, at elektrisk energi skal produceres fra en anden energikilde, for eksempel vindenergi eller fossile energikilder. På de store kraftvarmeværker sker der en energiomdannelse fra kemisk energi i kul (eller biomasse) og til elektrisk energi. Her spiller opvarmning af vand og damp en vigtig rolle. Damp til bevægelse Faglig sammenhæng Forsøget er en måde, hvorpå man kan lade eleverne arbejde med selv at konstruere en energihistorie og tilhørende opstilling. Nogle klasser eller elever vil have brug for meget hjælp, hvorimod andre nemt kan finde på idéer selv. For at tilgodese dette kan man evt. have lavet et eksempel på en konstruktion. Det anbefales i alle tilfælde, at der er fundet en masse materialer frem, som vil være fordelagtige for eleverne at anvende i deres konstruktioner. Forsøget er placeret under emnet Strømproduktion, da det er tænkt som et trinbræt til at arbejde med, hvordan man producerer elektricitet. Fra dampmaskinen kan der perspektiveres til en samfundsmæssig vinkel på strøproduktionen, hvor selve elevernes konstruktioner og energihistorier 55

56 kan perspektiveres til, hvordan man kan anvende bevægelse til at generere en strøm. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri Sikkerhed 1 lektion Eleven skal kunne konstruere en energihistorie og tilhørende opstilling, hvori de beskriver, hvordan energi omdannes. Alle energiord Efterbehandlingen leder frem mod, at eleverne skal fremlægge deres konstruktion og energihistorie for hinanden. Dette kan eksempelvis gøres som en tur til små stationer i klassen. Energihistorien skaber både grundlag for, at eleverne kan få gavn af hinandens idéer og overvejelser, samt se mange forskellige eksempler på, hvor vi møder de forskellige energiformer. Ved at eleverne i talesætter deres viden, er det desuden en måde, hvorpå læreren kan evaluere eleverne. En progression i forsøget kan være, at der skal anføres, hvor der udføres et arbejde, eller hvor der afgives energi til omgivelserne. Dampmaskinen er tænkt som en introduktion til opgaven, og kan evt. forklares og introduceres ved hjælp af en energihistorie. På Youtube findes der adskillelige eksempler på dampmaskiner, som kan benyttes, hvis ikke skolen er i besiddelse af en fysik model. Ingen specielle Ingen specielle Bevægelse til strøm (elektrisk energi) Faglig sammenhæng En elektrisk generator er en maskine, hvor bevægelsesenergi omdannes til elektrisk energi ved hjælp af induktion: En elektrisk leder (spole) udsættes for et varierende magnetfelt, hvorved der induceres en elektrisk spænding. Tidsramme Faglige mål Faglige grundbegreber Eksempel på behandling af forsøgsempiri 1 lektion Eleven skal kunne opstille en vekselspændingsgenerator og undersøge, hvilke faktorer der har betydning for den inducerede spænding. Generator, magnetisme, induktion, spænding, variabelkontrol. Ting eleverne fx kan ændre på: Magnetens styrke Antal vindinger 56

57 Rotationshastighed Hvor tæt magneten og jenskernen er på hinanden Sikkerhed Hvis eleverne skal have mulighed for variabelkontrol er det vigtig, at de finder en metode til at skabe en jævn roterende bevægelse af magneten. Det kan for eksempel være en elmotor. Har skolen en dampmaskine, kan den tjene som model for kraftværket. Men den kan være svær at få til at give en konstant bevægelse. Ingen Ingen 57

58 Temaet Vand og liv Temaet Vand og liv indeholder fire emner med tilhørende ideer til øvelser: 1. Vandets tilstandsformer (5 øvelser) 2. Vejr og klima (3 øvelser) 3. Vandrensning (3 øvelser) 4. Vand og liv (5 øvelser) Temaet er rettet mod de tre fag biologi, fysik/kemi og geografi og væsentlige dele af det trinmål, de tre fag deler på 8. klassetrin: beskrive hovedtræk af vand og kulstofs kredsløb i naturen. Emner og øvelser, der kan tænkes ind under kulstofs kredsløb i naturen, kan findes under temaet Kulstofkredsløb. Der er vand over alt! ¾-dele af jorden er dækket af oceaner. I tillæg har vi søer, vandløb, sne og gletsjer. Levende organismer kan indeholde optil 99 % vand. Både fotosyntesen i planterne og celleåndingen i alle levende organismer er afhængig af reaktioner i cellerne, som foregår i vand. Fælles mål Fællesmål, som relaterer sig til temaet Vand og liv hentet fra faghæfterne i Fysik/kemi, geografi og Biologi. Faghæftet for Biologi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin kende levende cellers bygning og funktion kende forskellige celletyper og deres funktion, herunder nerve- og muskelceller samt kønsceller give eksempler på og sammenligne forskellige arters tilpasninger i bygning, funktion og adfærd i forhold til føde, næringsstoffer, vand, oxygen og temperatur beskrive hovedtræk af vand og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med fysik/kemi og geografi) kende til grundvandsdannelse i Danmark og forhold, der har indflydelse på vores muligheder for at indvinde rent drikkevand (fælles med fysik/kemi og geografi) 58

59 Faghæftet for fysik/kemi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin anvende enkle fysiske begreber og sammenhænge i beskrivelsen af fænomener, der knytter sig til vejr og klima, herunder vands tilstandsformer, temperatur, tryk, luftfugtighed, gnidnings - elektricitet og vindhastighed (fælles med fysik/kemi) beskrive vigtige forhold, der har indflydelse på vejr og klima - herunder menneskelige aktiviteter, der kan påvirke vejr og klima (fælles med fysik/kemi) kende enkle modeller, herunder forestillingen om, at stof er opbygget af partikler beskrive nogle grundstoffer og kemiske forbindelser, der har betydning for liv eller hverdag kende generelle egenskaber ved hverdagens stoffer og materialer, herunder tilstandsformer, surhedsgrad, varmeudvidelse, elektrisk- og termisk ledningsevne beskrive hovedtræk af vands og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med biologi og geografi). kende til grundvandsdannelse i Danmark og forhold, der har indflydelse på vores muligheder for at indvinde rent drikkevand (fælles med biologi og fysik/kemi) Faghæftet for Geografi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin 59

60 anvende enkle fysiske begreber og sammenhænge i beskrivelsen af fænomener, der knytter sig til vejr og klima, herunder vands tilstandsformer, temperatur, tryk, luftfugtighed, gnidnings - elektricitet og vindhastighed (fælles med fysik/kemi) beskrive vigtige forhold, der har indflydelse på vejr og klima - herunder menneskelige aktiviteter, der kan påvirke vejr og klima (fælles med fysik/kemi) beskrive hovedtræk af vands og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med biologi og geografi) kende til grundvandsdannelse i Danmark og forhold, der har indflydelse på vores muligheder for at indvinde rent drikkevand (fælles med biologi og fysik/kemi) Vand og liv i bogsystemerne I det nedenstående er der givet eksempler på, hvilke kapitler/sider (fra de mest brugte grundbøger) der berører temaer kost og krop. Biologi Ferskvand (s 6-27) Bios (Gyldendal) Ind i Biologien (Alinea) Xplore (GO-forlaget) A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl. 7.kl. 8.kl. 9.kl. Skov Økologi Det åbne Havet Ingenting (6- (22-37) land bærdygtig forsvinder 29) Forurening (6-31) udnyttelse ( ) Kyst (84-97) Grundlag ( ) og Affald for liv hav (98-105) (32-51) (30- Ferskvand 45) ( ) Økosystemer/ Økosystemer (9-13) Modeløkosystemer (14-17) To økosystemer (18-19) Regnskov et økosystem (20-37) Ørkenen et økosystem (38-49) Jordens vejr (27-45) Seje planter med stærke rødder (60-73) Det er bare vand (88-107) Fysik/kemi Kosmos (Gyldendal) Naturens univers (Alinea) Xplore Fysik/kemi (GO-forlaget) 60

61 A B C 7. kl. 8. kl. Stofegenskaber (28-45) Tryk og opdrift (47-63) Stoffer i hverdagen ( ) Tilstandsformer (12-25) Vand, hydrogen og oxygen (63-69) Den blå planet (93-121) 9.kl Jordens vejr (16-31) Det er bare vand (84-103) Geografi Vejr og klima ( ) Geos (Gyldendal) Ind i geografien (Alinea) Xplore Geografi (GO-forlaget) A B C A B C 7.kl. 8.kl. 9.kl. Råstoffer (18- Det er bare vand 22) (92-113) Vandets kredsløb (63-88) Vejret (89-112) Emne 1 Vands tilstandsformer Vand er et af de få stoffer, vi finder naturligt i alle tre tilstandsforme. Is, vand og vanddamp har helt specielle egenskaber, som knytter sig til den tilstandsform, de er i. Handske på kolbe Faglig sammenhæng Forsøget udforsker det fænomen, at vand fylder mere som vanddamp end i væskeform. Der er hydrogenbindinger (brintbindinger) mellem vandmolekyler i både fast form og væskeform. I is ordner vandmolekylerne sig i et regelmæssig, tredimensionalt netværk med en relativt åben struktur. Det giver større tomrum mellem vandmolekylerne i is end i vand i flydende form. Isen tag mere plads og udvider sig. Det gør, at is får mindre massefylde end vand, og dermed flyder i vand. Når vand skifter tilstandsform fra væske til gas, sker der en endnu større ændring i massefylde. Samtlige hydrogenbindinger brydes, og vandmolekylerne kan bevæge sig uafhængig af hinanden. Vand har størst massefylde ved + 4 C. Vand har en massefylde (densitet) på 1,00 kg/l ved + 4 C og 0,958 kg/l ved 100 C, mens vanddamp blot har massefylden 0, kg/l ved 100 C og 1 atm. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion Eleven skal kunne vise, at vand har større massefylde i flydende form end i dampform. Engangshandsken udvider sig efterhånden som der dannes vanddamp i kolben. Der vil på et tidspunkt opstå en ligevægt, således at handsken ikke længer 61

62 udvider sig. Det skyldes, at vanddampen kondenserer (fortætter) på indersiden af handsken og løber tilbage i kolben. Der opstår altså et lille vandkredsløb. Så snart kolben afkøles, vil vanddampen kondensere, og handsken klapper sammen. Massefylde er ikke et nemt begreb for eleverne. Man kan overveje, om man blot vil fokusere på rumfanget, når mængden af vand er konstant. Som et demonstrationsforsøg kan man som lærer vente med at sætte handsken fast på kolben til ca. et minut efter, at vandet er kommet i kog i kolben. Således sikrer man, at al atmosfærisk luft er drevet ud af kolben og erstattet med vanddamp. Når man efterfølgende afkøler kolben, vil handsken skubbes ind i kolben af den omkringliggende atmosfære, fordi der nu ikke er noget luft tilbage i kolben. Faglige begreber Sikkerhed Varme, vanddamp, termisk energi, kinetisk energi, faseskift, bevægelse, massefylde. Ingen specielle Eleverne bør instrueres i at lave en opstilling, som sikrer, at de ikke skoldes ved kontakt med kogende vand eller vanddamp. Lav din egen is Faglig sammenhæng Forsøget går ud på at fryse flødeis ved hjælp af en kuldeblanding. Ren is smelter, når temperaturen bliver 0 C. Ved smeltpunktet råder ligevægten: H 2O (s) H 2O (l) Ved smeltningen brydes de permanente brintbindingerne mellem vandmolekylerne, og det kræver energi. Vi må derfor konstant tilføre energi i form af varme fra omgivelserne, for at isen skal smelte. Temperaturen kommer ikke over 0 C, før al is er smeltet. Når vi opløser salt i blandingen, vil temperaturen i kuldeblandingen falde. Saltet sænker smeltepunktet, så smeltning nu vil kunne ske ved temperaturer langt under 0 C. I en kuldebladning af 3 vægtdele knust is og 1 vægtdel natriumklorid (kogsalt) vil blandingstemperatur synker til ca. 21 C. Temperaturfaldet skyldes ikke saltet i sig selv, men smeltningen af is. Smeltning af is kræver energi, og energien tages fra kuldeblandingen (blanding af is, vand og salt), og så falder temperaturen. Vi kan forklare det ændrede smeltepunkt på mikroniveau med, at ionerne påvirker bindingsforholdet i vand, således at det ikke kræver så meget energi, at bryde de permanente brintbindinger. Kuldeblandingens temperatur vil være under frysepunktet til ismassen. Ismassen 62

63 vil derfor fryse til is. Frysningen af ismassen frigør energi, og vil medvirke til at temperaturfaldet i elevernes ismaskine bliver knapt så stor som i en ren kuldebladning. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleven skal kunne lave en kuldebladning af is, vand og salt og forklare energiovergangene i kuldeblandingen med at smeltning kræver energi. Når vi opløser salt i blandingen, vil isen smelte og temperaturen i kuldeblandingen falde. Smeltning af is kræver energi. Ismassen fryser til flødeis, og det frigør energi. Kuldeblandinger kan være svære at forstå for elever. Det er vigtig at diskutere energiovergangene med eleverne: Salt køler ikke. Derimod sænker saltet smeltepunktet til is således, at isen snydes til at blive ved med at smelte ved temperaturen godt under 0 C. Temperaturfaldet skyldes at smeltning af isen stjæler varmeenergi fra i kuldeblandingen. Dette tyveri kan vi måle med et termometer og observere ved, at ismassen fryser til flødeis. Husk at begrebet varme i naturfag per definition er energi som overføres fra et sted til et andet pga. en temperaturforskel. Varme er ikke noget, man kan have (på samme måde som man ikke kan have et kys det er noget, der også blot eksisterer, som noget der overføres ) derimod kan man have varmeenergi (= termisk energi). Man skal også overveje brugen af ordet is og måske skelne mellem isterninger og flødeis, så der ikke opstår misforståelser. Vi kan sagtens lave kuldebladninger med andre stoffer end salt. Det kan være sjovt at prøve med fx sukker. Faglige begreber Sikkerhed Tilstandsform, fase, smelt, fryse, smeltepunkt, temperatur, varme. varmeenergi. Indkøb af ingredienser til ismassen. Nedfrysning af isterninger. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Vand og damp Faglig sammenhæng Forsøget udforsker vandets tilstandsformer. Vand fylder mere som vanddamp end i væskeform. Samtlige hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne brydes, og vandmolekylerne kan bevæge sig uafhængig af hinanden. Vand har størst massefylde ved + 4 C. Vand har en massefylde (densitet) på 1,00 kg/l ved + 4 C og 0,958 kg/l ved 100 C, mens vanddamp blot har massefylden 0, kg/l ved 100 C og 1 atm. 63

64 Forsøget berører også energiforhold ved kogning. Når vandet koger, går energien med til at ændre tilstandsformen (bryde hydrogenbindingerne) og ikke til at ændre temperaturen. Den varme Q, vi må tilføre for at fordampe massen m vand, kalder vi for specifik fordampningsvarme (L f): L f = Q/m Vi måler specifik fordampningsvarme i J/Kg. (NB! Den specifikke fordampning er en lille smule temperaturafhængig). H 2O (l) H 2O (g), L f = 2257 kj/kg (ved 100 C og 1 atm) Når vanddampen kondenserer, frigøres fordampningsvarmen. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleven skal kunne koge vand og forklare de fænomener, som opstår med ændringer i vands tilstandsform. Efterhånden som eleverne varmer vand op i kolben, vil der i begyndelsen frigøres små luftbobler, der har været opløst i vandet. Opvarmningen får også luften i kolben til at udvide sig, således at der bobler luft ud af røret, der går ned i karet med vand. Disse bobler er altså luft. Når vandet varmes op til kogepunktet, sker der en ændring i tilstandsform fra væske til gas. Vanddampen fortrænger luften i kolben og presses ud igennem slange/rør og ud i karet. Eleverne kan observere, at boblerne, som nu dannes ved udløbet af glasrøret, nu ændrer karakter. Boblerne af vanddamp kollapser (imploderer) umiddelbart efter, at det rammer det kolde vand i karet. Kollaps af boblerne larmer! Derudover sker der nu en hurtig temperaturstigning i karet, da vanddampen kondenserer og frigør sin fordampningsvarme. Når der slukkes for bunsenbrænderen, vil den vanddamp, der nu fylder kolben, fortætte til vand. Atmosfæretrykket vil nu presse vand fra karet tilbage i kolben. Forsøget egner sig godt til at diskutere forskellen på vand i væskeform og i gasform. Det kræver både nøjagtige observationer og fagbegreber for at forklare det, der sker. Eleverne vil nok beskrive sidste del af forsøget som et tilbagesug. Diskuter forskellen på, at undertrykket i kolben suger vandet tilbage, og at lufttrykket underfor kolben presser vandet tilbage i kolben, med eleverne. Faglige begreber Sikkerhed Vands tilstandsformer, massefylde, tryk, temperatur, varme, termisk energi. Ingen specielle Det er vigtigt, at opstillingen bliver lavet således, at der ikke er risiko for, at den vælter. Der er meget energi i varmt vandt, og endnu mere energi i vanddamp! 64

65 Æg og dåser Faglig sammenhæng Forsøget udforsker vandets tilstandsformer; specielt vand og vanddamp. Vand fylder mere som vanddamp end i væskeform. Samtlige hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne brydes, og vandmolekylerne kan bevæge sig uafhængig af hinanden. Vand har størst massefylde ved + 4 C. Vand har en massefylde (densitet) på 1,00 kg/l ved + 4 C og 0,958 kg/l ved 100 C, mens vanddamp blot har massefylden 0, kg/l ved 100 C og 1 atm. Det vil sige, at 1,00 kg vand ved 100 C fylder 1,04 L i væskeform og 1695 L som vanddamp. Det vil derfor opstå et stort undertryk i en beholder, der er fyldt med vanddamp, som kondenserer til vand i væskeform. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion Eleven skal forklare det undertryk, der opstår, når vand kondenserer i en (næsten) lukket beholder. Vanddampen kondenserer (fortætter) indeni kolben, når opvarmningen stopper. Vanddamp (med volumen som kolben) omdannes til et lille volumen vand i væskeform. Ægget bliver presset ind i kolben, fordi det omgivende lufttryk ikke længere modsvares af et tilsvarende tryk inde i kolben. Vanddampen kondenserer (fortætter) meget hurtig indeni sodavandsdåsen, når opvarmningen stopper, og dåsen vendes på hovedet i koldt vand. Vanddamp (med volumen som sodavandsdåsen) omdannes til et lille volumen vand i væskeform. Sodavandsdåsen kollapser, fordi det omgivende lufttryk ikke længere modsvares af et tilsvarende tryk inde i dåsen. Dette er to små forsøg, som vækker underen hos eleverne og kræver en forklaring. Lad eleverne opstille hypoteser og diskuter, hvordan de kan afprøves. NB! Det er det omgivende lufttryk, der presser ægget ind, ikke undertrykket der suger. Faglige begreber Sikkerhed Vanddamp, temperatur, undertryk, kinetisk energi, termisk energi, massefylde. Koge æg og fremskaffe sodavandsdåse. Selv om eleven benytter en grillhandske, er det muligt at brænde sig. Så gennemgå forsøgsbeskrivelsen nøje med eleverne. 65

66 Emne 2 Vejr og klima Vand spiller en meget vigtig rolle i Jordens vejr- og klimasystem. Vanddamp er for eksempel en drivhusgas. Fordampning og kondensering er helt centrale processer for at forstå energiomsætningen i atmosfæren. Sky i flaske Faglig sammenhæng Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Faglige begreber Sikkerhed Når man pumper luft ind i flasken, udfører man et arbejde. Arbejdet øger luftens termiske energi, og det kan man observere som en temperaturstigning. Når luften slippes hurtig ud af flasken, er det den, som udfører et arbejde på omgivelserne. Energien, der skal til for at udføre arbejdet, tages fra den termiske energi, og dermed falder temperaturen. Damptrykket er afhængigt af temperaturen. Når temperaturen stiger vil mere vand kunne fordampe. Når temperaturen falder igen, vil vanddamp fortætte til små vandråber. Og det er disse vandråberne, der ses som en hvid sky. Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleven skal kunne gennemføre et forsøg, der viser princippet for skydannelse. Der dannes en fin tåge af små vanddråber, der kondenserer, når luften lukkes ud af flasken. Det er det samme, som sker, når en sky dannes, fordi varm, fugtig luft stiger opad til et lavere atmosfæretryk og derfor udvides. Det er selve udvidelsen, der giver temperaturfaldet. Temperaturfaldet gør, at man når dugpunktet. Fysikken bagved forsøget er måske mere sammensat, end man kan forvente at eleverne forstår. Derfor: Læg hovedvægt på det rent observerbare. Kan eleverne koble skyen i flasken med den skydannelse, der sker i naturen? Tryk, faseskift (fortætning), energi, udvidelse, omgivelser. Ingen specielle Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Vandets kredsløb Faglig sammenhæng Vandets kredsløb (den hydrologiske cyklus) er den kontinuerlige cirkulation af vand mellem oceanerne, atmosfæren og Jordens overflade. Vandets kredsløb drives af solenergien, og er nødvendig for alt liv på Jorden. Når vandet bevæger sig igennem kredsløbet, veksler det mellem tilstandsformene fast stof (is), væske (vand) og gas (vanddamp). Vandet bevæger sig fra vandlager til vandlager, for eksempel fra vandløb til ocean, gennem processer som fordampning, nedbør, afstrømning og grundvandsbevægelse. Vandet kan opholde sig i lang tid i gletsjer, søer eller grundvand, men er hele tiden i bevægelse tilbage til oceanern. Opholdstiden i grundvand og gletsjere kan være tusinder af år; i atmosfæren derimod er opholdstiden kort, i gennemsnit ca. 10 døgn. 66

67 Størstedelen af det vand, som årlig cirkulerer, fordamper fra oceanerne og falder som nedbør tilbage på oceanerne. Differencen løber tilbage til oceanerne fra landjorden eller fordamper fra landjorden. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Faglige begreber Sikkerhed Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleven skal være i stand til at lave en enkel model af vandet kredsløb. En mulig måde at løse opgaven på: akvariet indrettes med et hav samt en ø med vat og karsefrø. Akvariet dækkes med husholdningsfilm, der skal slutte tæt. Øen placeres i den ene ende. Isterningerne/ eller små sten lægges i en bunke på filmen, over øen. Eleverne skal så vidt muligt selv konstruere deres kredsløb. De skal bygge modellen på baggrund af de overvejelser, de gør sig om kulde og varme, fortætning og fordampning, regn og tørke etc. Modellen kan udbygges med en større ø med en sø (en fordybning i midten), der også kan vise tilbageløb til havet. Hvis solenindstrålingen ikke er kraftig nok, kan der bruges en kraftig lampe i stedet. Fortætning, kondens, plantevækst, nedbør, fordampning, energi. Ingen specielle, udover indkøb af materialer. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Vands massefylde Faglig sammenhæng Vand har størst massefylde ved + 4 C. Vand har en massefylde (densitet) på 1,00 kg/l ved + 4 C. Et temperaturspringlag (termoklin) skiller det varme overfladevand i en sø eller havet fra det kolde bundvand. De to lag kan kun vanskeligt blandes, fordi det varme vand har en lavere massefylde (er lettere) end det kolde. Springlag er en af årsagerne til, at der kan udvikles langvarige iltsvind i bundvand. Først når temperaturen i overfladevandet falder om efteråret, nærmer massefylden sig bundvandets, så vinden kan blande de to lag og føre vand med ilt til bunden. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Faglige begreber Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleverne skal kunne udføre et forsøg, der viser, at vandets massefylde er temperaturafhængig, og at det er en vigtig faktor for at forklare omrøring i en vandmasse. Det røde, varme vand vil ligge ovenpå det blå, kolde vand. Massefylde, temperatur, springlag, cirkulation. Ingen specielle 67

68 Sikkerhed Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Emne 3 Vandrensning Mennesker har brug for rent drikkevand. Drikkevand må ikke indeholde sygdomsfremkaldende mikroorganismer eller giftstoffer. Vi kan derfor anvende forskellige metoder til rensning af drikkevand: Filtrering, hvor vandet passerer en si med tilstrækkeligt fin maskestørrelse. Kogning, hvor vandet bringes i kog længe nok til, at mikroorganismer er uskadeliggjort eller dræbt. Kogning kan også fjerne "hårdhed" i vandet ved at kalk udfældes som kedelsten. Metoden fjerner dog ikke andre mineralske stoffer fra vandet. Destillation, hvor vandet bringes i dampform ved kogning, hvorefter dampen fortættes under afkøling. Filtrering med aktivt kul. Omvendt osmose er en metode, hvor man udnytter en såkaldt halvgennemtrængelig hinde (membran). Ved omvendt osmose sætter man den forurenede vandmængde under et tryk, der er stærkt nok til at presse vandet igennem hinden. Demineralisering er en proces, hvor vandet passerer et filter med harpiksagtige stoffer, der binder metalioner. Regnvandets tur gennem undergrunden Faglig Forsøget går ud på at bestemme gennemløbstiden til vand gennem forskellige sammenhæng jordtyper. Vandet skal passere: Sand er sedimenter, der har en diameter på ca. 0,06-0,5 mm. Kornene er ofte afrundede. Jord kan have mange forskellige udseender og egenskaber, men består af en blanding af både ler (meget fint), fint og groft sand, samt organisk materiale. Ler er meget fine sedimenter med en diameter på under 0,002 mm. Lerpartikler er ofte flade. Tidsramme Faglige mål Faglige begreber Sikkerhed Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleven skal kunne bestemme gennemløbstiden for vand gennem forskellige jordtyper. Grundvand, jordtyper, grundvandsdannelse, overflade vand, vandkredsløb Ingen specielle Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. 68

69 Vandrensning med destillering Faglig sammenhæng Destillation er en metode til adskillelse af væsker eller faste stoffer med forskellige kogepunkter. Adskillelsen foregår ved at opvarme blandingen i en beholder, hvorfra et af stofferne fordamper. Dampen afkøles til fortætning, og kondensatet opsamles i en separat beholder. Tidsramme Faglige mål Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleverne skal kunde planlægge og gennemføre et forsøg, som demonstrerer rensning af vand ved destillation. Eleverne skal introduceres for destilleringsopstilling. Enten gennem et papir med en forsøgsopstilling, eller ved at have stillet en model op på katederet, som de kan kigge efter. Hvis klassen har brug for en udfordring mere, kan bakterieindholdet også testes. Dette kan gøres med Uricult testen. De to type af vandrensning kan sammenlignes. Hvad virker bedst? Er der fordele/ulemper ved dem? Fx energiforbrug ved destillering. Faglige begreber ph, surhedsgrad, destillering, organisk spildevand, kemisk spildevand. Opskrift på de to typer spildevand hver gruppe skal have 400 ml af hver spildevandstype til rådighed. ORGANISK SPILDEVAND (skal laves et par dage i forvejen): - En liter lunken vand i en tom sodavandsflaske med skruelåg - 3 spiseskefulde kaffegrums - 3 spiseskefuld jord fra haven - 5 spiseskefuld mælk Skru låget på og ryst flasken. Lad den så stå lunt et par dage evt. weekenden over. Lad vandet bundfælde sig. Når det skal bruges, hæld da forsigtigt, så bundfaldet ikke kommer med. KEMISK SPILDEVAND: - En liter lunken vand i en tom sodavandsflaske med skruelåg - 1 spiseskefuld opvaskemiddel - 1 spiseskefuld vaskepulver - 2 spiseskefuld kalkfjerner Skru låget på og ryst flasken. Dette kan bruges med det samme. Sikkerhed Der skal benyttes sikkerhedsbriller og handsker. 69

70 I henhold til At-meddelelse bør rengøringsmidler, der er klassificeret som ætsende, ikke anvendes af eleverne. Dog må eleverne godt arbejde med brugsklare blandinger af rengøringsmidler, hvor det koncentrerede rengøringsmiddel er ætsende, blot den brugsklare blanding ikke er ætsende. Vandrensning, mekanisk Faglig Det første trin i renseprocessen vil være at fjerne større enheder, sand, fedt og sammenhæng grove partikler. Dette fjernes gerne ved mekanisk rensning med en rist. Tidsramme Faglige mål Forsøget kan afvikles i løbet af en lektion. Eleverne skal kunde planlægge og gennemføre et forsøg, som demonstrerer mekanisk rensning af vand. Hvis klassen har brug for en udfordring mere, kan bakterieindholdet evt. også testes. Dette kan fx gøres med Uricult testen. Hvis der er tidsmangel, kan den ene halvdel af grupperne i klasserne lave denne opgave, mens den anden laver vandrensning ved hjælp af destillering (se foregående øvelse: Vandrensning, destillering). De to type af vandrensning (mekanisk og destillering) kan sammenlignes. Hvad virker bedst. Er der fordele ulemper ved dem. Fx energiforbrug ved destillering. Faglige begreber ph, surhedsgrad, kemisk spildevand, organisk spildevand, mekanisk rensning. Opskrift på de to typer spildevand hver gruppe skal have 400 ml af hver spildevandstype til rådighed. ORGANISK SPILDEVAND (skal laves et par dage i forvejen): - En liter lunken vand i en tom sodavandsflaske med skruelåg - 3 spiseskefulde kaffegrums - 3 spiseskefuld jord fra haven - 5 spiseskefuld mælk Skru låget på og ryst flasken. Lad den så stå lunt et par dage evt. weekenden over. Lad vandet bundfælde sig. Når det skal bruges, hæld da forsigtigt, så bundfaldet ikke kommer med. KEMISK SPILDEVAND: - En liter lunken vand i en tom sodavandsflaske med skruelåg - 1 spiseskefuld opvaskemiddel 70

71 - 1 spiseskefuld vaskepulver - 2 spiseskefuld kalkfjerner Skru låget på og ryst flasken. Dette kan bruges med det samme. Sikkerhed Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risicis forbundet med dette forsøg. Emne 4 Vand og liv Vand er et grundlæggende stof for alle levende organismer. Vand er forudsætningen for, at der findes liv på Jorden. En stor del af Jordens planter og dyr lever i kortere eller længere tid i et vandigt miljø. Det er jo helt oplagt, at disse organismer er afhængige af vand, men alle andre dyr og planter er altså også afhængige af vand. Hos mennesket udgør vand mellem % af legemsvægten. Vand er langt den største stofgruppe i menneskekroppen. Vand har flere vigtige roller i organismen: Vand bruges til opløsning og transport af stoffer. Rigtig mange stoffer kan opløses i vand, dog ikke fedtstoffer. På den måde kan stofferne transporteres rundt i cellen og hos flercellede organismer rundt i hele organismen. Vand benyttes bl.a. til transport af næringsstoffer og ilt inde i cellerne, ligesom vand er med til at fjerne affaldsstofferne. Fx urinstof. Vand indgår i kemiske reaktioner. Vand indgår ofte i de mange biokemiske reaktioner, som finder sted i en organismes celle. Vand bruges til temperaturregulering. Sved og blod består hovedsageligt af vand. Når vi bliver varme af at bevæge os kraftigt eller af at opholde os i høje temperaturer, cirkulerer blodet hurtigere i vores årer for at regulere temperaturen i kroppen. For at undgå, at kroppens temperatur stiger for meget øges blodgennemstrømningen til huden. Blodkarrene tæt ved huden sørger for, at varmen afgives til omgivelserne. For at øge varmeafgivelsen til omgivelserne forøger hudens svedkirtler svedproduktionen. Fordampningen af sveden øger kroppens afgivelse af varme til omgivelserne. Vand smører og blødgør led og væv, vand er hovedkomponenten i de væsker, der smører vore led, som knæ og albuer, ligesom vandet er med til at blødgøre bl.a. vævet i vores hud. Vandtransport mellem celler og deres ydre miljø skyldes i høj grad osmose. Dette handler to af emnets forsøg om. For landlevende organismer er vandtab en udfordring. Hos pattedyr og herunder mennesket er huden en meget væsentlig faktor til at fremme en god vandøkonomi. Selv om den ikke er helt uigennemtrængelig for vandmolekyler, udgør den en vigtig barriere for et alt for stor tab af vand ved fordampning. Hos mange planter udgør korklaget en tilsvarende barriere. Forsøget Udtørring med og uden hud handler om betydningen af sådan et væv som fordampningsværn. Planter består hovedsageligt af vand. Alligevel er planters indhold af vand på et givet tidspunkt kun en brøkdel af den mængde vand, der konstant transporteres igennem planter. Hos mange planter 71

72 fordamper mere end 95 % af det optagne vand. Det er hovedsageligt fra plantens blade, der foregår fordampning. Dette handler forsøget Bladmængde og væskefordampning om. Transport af vand foregår igennem plantens ledningsstrenge eller mere præcist igennem vedkarene, som er en del af ledningsstrengene. Dette handler forsøget Farvede ledningsstrenge om. Osmose i basilikum Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med temaer, hvor klassen arbejder med vands betydning for levende organismer. Med forsøget her kan eleverne erfare, at forskel i saltkoncentration har betydning for vands bevægelse over cellemembraner. Osmose er vands diffusion over en halvgennemtrængelig (semipermeabel) membran som følge af forskellig koncentration af fx sukker eller salt på yderside og inderside af membranen. En semipermeabel membran har huller, der er så store, at vandmolekyler kan bevæge sig igennem, men så små, at større molekyler eller ioner (fx sukker og salt) ikke kan. De opløste stoffer gør koncentrationen af vand lavere. Jo mere opløst stof, jo lavere vandkoncentration. Vandet vil diffundere fra et sted med høj vandkoncentration til et sted med lav vandkoncentration. På grund af den semipermeable membran, vil osmosen ske fra den side af membranen med lav koncentration af opløst stof til siden med høj koncentration af opløst stof. Alle celler er afgrænset af en cellemembran. Cellemembranen er semipermeabel. Derfor vil vandtransporten af vand ind eller ud af cellen være påvirket af forskellen af fx saltkoncentrationen inde i og uden for cellen. I forsøget her benyttes planter. Men princippet med vandbevægelse over cellemembranen som følge af osmose er det samme for andre organismer. Også for mennesket. Når en plantes celler optager vand, vil celleindholdet trykke på cellens cellevægge dette kaldes saftspænding. Når planten ikke er saftspændt, det vil sige, når der ikke er nok vand i cellen til at trykke på cellevæggen, vil blade og skud hænge slapt ned. Tidsramme Forsøget kan afvikles i løbet af to lektioner. Opstillingen skal stå i mindst 24 timer. Faglige mål Eleverne skal erfare, at der er en sammenhæng mellem saltkoncentrationen og vandets bevægelse over cellemembraner. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleverne skal observere, hvad der er sket med planternes stængler og blade. Blandt andet ved at mærke på stænglernes spændstighed. Denne spændstighed skal sammenholdes med de forskellige opløsninger, planterne har stået i. At 72

73 stænglen har mistet spændstighed, kan tolkes som et resultat af, at plantens celler har mistet vand. Drøft med eleverne, hvordan deres observationer stemmer overens med deres hypoteser. Drøft med eleverne, hvad der er årsagen til det, de observerer. Som opfølgning eller hjælp kan de evt. forsøge at tegne deres forklaringer på transport af vand over cellemembranen. Ved at tegne en streg som gør det ud for cellemembran og skrive, hvilke stoffer der er på hver side - vand, salt og mineraler. Herefter skal de sætte pile på, hvor de tror, de forskellige stoffer vil bevæge sig hen. Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder. Efterfølgende kan man lade eleverne efterredigere billederne ved at tilføje pil og tekst, som uddyber, hvad der observeres. Der kan anvendes et stort udsnit af forskellige planter til dette forsøg. Da fx tulipaner er sæsonvarer, er det også muligt at gennemføre forsøget med basilikum eller toppene fra forårsløg med rigtig godt resultat. Er der behov for et hurtigt resultat, er basilikum at foretrække. Med basilikum kan man få et brugbart resultat inden for et par timer. Forårsløgene tager noget længere tid. Tilsættes der frugtfarve til vandet i reagensglassene, vil man på tulipanen med vandhanevand og demineraliseret vand se farvestoffet på stænglerne og have mulighed for også at tale om vandtransport i planter. Forsøget kan evt. kombineres med forsøget farvede ledningsstrenge. Faglige begreber Sikkerhed Osmose, ioner, salt, halvgennemtrængelig membran, celle, cellemembran, vandbevægelse, diffusion. Indkøb af planter Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Udtørring med eller uden hud Faglig Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med sammenhæng vands betydning for levende organismer eller andet tema, hvor der sættes fokus på plantens opbygning og funktion. Med forsøget her kan eleverne undersøge sammenhæng mellem korklag (Kartoffelskrællen består bl.a. af kork) og fordampning af vand fra kartoffelknoldens indre væv. Forsøget lægger op til, at 73

74 der gøres sammenligningen mellem hudens (hos mennesket) og korkens (hos kartoffelknolden) rolle som fordampningsværn. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan igangsættes i løbet af en lektion. Forsøget skal dog følges af eleverne over et par uger se øvelsesvejledningen. Eleverne skal erfare, at der er sammenhæng mellem tilstedeværelsen af et korklag på kartoffelknolden og fordampning af vand fra kartoffelknoldens væv. Eleverne skal kunne overføre dette til hudens tilsvarende rolle i forhold til at forhindre for stor vandtab fra kroppens væv Eleverne skal registrere, hvor meget vand, der er forsvundet fra de to kartofler den ene med skræl, den anden uden. Vandtabet erkendes ved vægttab. Drøft sammenhænget mellem vægttab og fordampning af vand med eleverne. Drøft med eleverne, om der er forskellige måder at repræsentere måleresultaterne på. Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem kartoffelknoldens korklag (skræl) og menneskekroppens hud. Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder. Det kan være en god idé at oprette en mappe på skolens server til hver gruppe, hvor de kan lægge deres billeder op undervejs. Både så de har styr på dem, og alle i gruppen kan benytte dem. Til sidst kan alle billederne sættes op kronologisk, så man kan se udviklingen. I forsøg er der observeret, at den skrællede kartoffel har mistet 75% af sin vægt på en måned, mens den uskrællede kun mistede 4% i samme tidsperiode Faglige begreber Sikkerhed Fordampning, hud, vand, vandtab Ingen Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Vand i cellerne Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med temaer, hvor klassen arbejder med vands betydning for levende organismer. Med forsøget kan eleverne erfare, at forskel i sukkerkoncentration har betydning for vands bevægelse over en halvgennemtrængelig (semipermeabel) membran. Osmose er vands diffusion over en semipermeabel membran som følge af forskellig koncentration af fx sukker eller salt på yderside og inderside af 74

75 membranen. En semipermeabel membran har huller, der er så store, at vandmolekyler kan bevæge sig igennem, men så små at større molekyler eller ioner (fx sukker og salt) ikke kan. De opløste stoffer gør koncentrationen af vand lavere. Jo mere opløst stof, jo lavere vandkoncentration. Vandet vil diffundere fra et sted med høj vandkoncentration til et sted med lav vandkoncentration. På grund af den semipermeable membran vil osmosen ske fra den side af membranen med lav koncentration af opløst stof til siden med høj koncentration af opløst stof. Alle celler er afgrænset af en cellemembran. Cellemembranen er semipermeabel. Derfor vil vandtransporten af vand ind eller ud af cellen være påvirket af forskellen af fx sukkerkoncentrationen inde i og uden for cellen. I forsøget her benyttes hinden omkring et hønseæg. Men princippet med vandbevægelse over æggets hinde som følge af osmose er det samme for celler. Også for menneskets celler. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af 2-3 lektioner. At fjerne æggeskallerne tager ca. 24 timer og selve osmoseforsøget tager 1-2 dage. Opstilling 2 x 15 min. Eleverne skal erfare, at der er en sammenhæng mellem sukkerkoncentrationen og vandets bevægelse over cellemembraner. Eleverne skal observere, hvad der er sket med de to æg. Observationerne gøres ved at registrere vægtforøgelse /-tab efter, at æggene har ligget i henholdsvis postevand og sirup. Lad eleverne opstille hypoteser om, hvad der vil ske med de to æg, inden forsøget igangsættes. Drøft efterfølgende med eleverne, hvordan deres observationer stemmer overens med deres hypoteser. Drøft med eleverne, om der er forskellige måder at repræsentere måleresultaterne på. Drøft med eleverne, hvad der er årsagen til det, de observerer. Hvilke sammenhænge er der mellem vægtændringerne og den væske, æggene var placeret i? Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem det, de observerer i forsøget og kroppen. Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder. Efterfølgende kan man lade eleverne efterredigere billederne ved at tilføje pil og tekst, som uddyber, hvad de har 75

76 observeret. Vær sikker på at eleverne er klar over, at det er sukkerindholdet i sirup, der skaber det osmotiske potentiale. Forsøget kan varieres ved at bruge en saltopløsning i stedet. Faglige begreber Sikkerhed Osmose, ioner, salt, halvgennemtrængelig membran, celle, cellemembran, vandbevægelse, diffusion. Indkøb af æg Pas på at eleverne ikke får eddike i øjnene brug eventuelt sikkerhedsbriller. Eddikesyre er i henhold til Arbejdstilsynets At-vejledning C.0.1 et organisk opløsningsmiddel. 10 % eddikesyre har følgende H-sætninger: H314 - Forårsager svære ætsninger af huden og øjenskader. H226 - Brandfarlig væske og damp. Almindelig husholdningseddike (7 %) vil dog normalt ikke have en faremærkning. Farvede ledningsstrenge Faglig Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med sammenhæng vands betydning for levende organismer eller andet tema, hvor der sættes fokus på plantens opbygning og funktion. Med forsøget her kan eleverne undersøge, hvor i en plante vandtransporten foregår. Langt de fleste planter optager vand gennem deres rødder, hvorefter det sendes op til plantens øvrige dele (stængel, blomst og blade) gennem plantens ledningsstrenge. Ledningsstrenge består af to typer væv, som udgør hvert deres rørsystem: sivævet som forestår transport af organisk materiale (fx sukker, proteiner, hormoner mv.), og vedvævet som forestår transport af vand og næringssalte. Ledningsstrengene afstives af styrkevæv, som er placeret mellem ved-og sivævet. Ledningsstrengene er dog placeret lidt forskelligt i plantens stængel, afhængig af om det er planter, der tilhører gruppen af enkimbladede eller gruppen af tokimbladede planter. Enkimbladede planters stængler har på et tværsnit ledningsstrengene liggende spredt ud over hele tværsnittet. Hos tokimbladede 76

77 planters stængler er ledningsstrengene ordnede i en krans (el. cirkel) på tværsnittet, med sivævet placeret yderst og vedvævet inderst i hver ledningsstreng. Tulipan tilhører gruppen af enkimbladede planter og bladselleri tilhører gruppen af tokimbladede planter. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af to lektioner. Forsøget kan igangsættes i den ene lektion, og den fordampede mængde vand kan observeres i den næste. Eleverne skal erfare, at der er en sammenhæng mellem en plantes samlede bladareal og plantens fordampning af vand. Eleverne skal observere, hvilke områder i plantens stængel, der er blevet farvet. Det er vigtigt at drøfte med eleverne, hvorfor disse dele af planten er blevet farvet, så eleverne kan erkende, at vandet transporteres igennem specielt væv ledningsstrengene. Forsøget lægger op til, at eleverne skal tegne det, de observerer. Alternativt kan man udnytte de muligheder, eleverne har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med de enkelte forsøg. Fx ved at tage billeder. Efterfølgende kan man lade eleverne efterredigere billederne ved at tilføje pil og tekst, som uddyber, hvad eleverne har observeret. Som alternativ til frugtfarve kan der benyttes blæk til farvning af ledningsstrengene. Klip den nederste del af stænglen af under vand. Luftbobler i ledningsstrengenes vedkar kan forhindre vandtransporten op igennem planten. Man kan lade eleverne lave et tværsnit af stænglen og observere de farvede ledningsstrenge under en stereolup. De farvede ledningsstrenge på tværsnittet af bladselleriens tværsnit kan observeres med det blotte øje. Faglige begreber Sikkerhed Vandtransport, ledningsstrenge, plante, stængel. Indkøb af tulipaner / bladselleri Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Bladmængde og vandforbrug Faglig Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med sammenhæng vands betydning for levende organismer eller tema, hvor der sættes fokus på plantens opbygning og funktion. Med forsøget her kan eleverne undersøge sammenhæng mellem en plantes samlede bladareal og fordampning fra planten. 77

78 Langt de fleste planter optager vand gennem deres rødder, hvorefter det sendes op til plantens øvrige dele (stængel, blomst og blade) gennem plantens ledningsstrenge. På bladenes overflade findes et stort antal spalteåbninger. Hos hovedparten af planter er de fleste spalteåbninger placeret på undersiden af bladet. Spalteåbningerne har flere funktioner, bl.a. at lukke CO 2 ind i plantens blade, så det kan indgå i fotosyntesens dannelse af sukker. Samtidigt med at planten optager CO 2, vil der fordampe vand. I tørre perioder kan det det være en ulempe, hvis fordampningen bliver for stor. Derfor kan planten lukke spalteåbningerne, så fordampningen nedsættes men en vis fordampning kan ikke undgås. Fordampning fra bladene er dog også en livsvigtig funktion for planten. Bl.a. medfører fordampningen, at planten afkøles, og selve fordampningen er drivkraften bag transporten af vand fra rødderne op i planten. Fra røddernes rodhår vandrer vandet ind til røddernes ledningsstrenge. Herfra starter den opadgående transport af vandet. Langt det meste vand transporteres til bladene og herfra ud til spalteåbningerne. Fra spalteåbningerne bliver vandmolekylerne afgivet til den omgivne luft (der foregår en fordampning). Det er fordampningen der populært sagt trækker vandet op igennem plantens ledningsstrenge. Det vil sige: jo større bladareal, jo større fordampning og jo større transport af vand op igennem planten. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af to lektioner. Forsøget kan igangsættes i den ene lektion, og mængden af fordampet vand kan registreres i den følgende. Eleverne skal erfare, at der er sammenhæng mellem en plantes samlede bladareal og plantens fordampning af vand. Eleverne skal registrere hvor meget vand, der er forsvundet. Drøft med eleverne, hvordan mængden af forsvunden vand registreres, og om resultaterne fra de forskellige opstillinger kan sammenlignes. Drøft med eleverne, om der er forskellige måder at repræsentere måleresultaterne på. Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem den mængde vand, der er forsvundet, og antal blade på planten. Drøft med eleverne, hvilken fysiologi hos planten, der har indflydelse på fordampningen Der kan gøres brug af andre planter end basilikum, fx bladrige grene/kviste fra et træ eller busk. Sørg for at plantedelene (bortset fra forskellige antal blade) er nogenlunde ens, så forsøgene er sammenlignelige. Klip den nederste del af stænglen af under vand. Luftbobler i ledningsstrengenes vedkar kan forhindre vandtransporten op igennem planten. 78

79 Faglige begreber Sikkerhed Vandtransport, fordampning, vandoptag, ledningsstrenge, plante, stængel, blad, spalteåbninger. Fremskaffe planter til forsøget. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. 79

80 Temaet Kulstofkredsløb Temaet Kulstofkredsløb indeholder seks emner med tilhørende idéer til øvelser: 1. Carbon (2 øvelser) 2. Fotosyntese (3 øvelser) 3. CO 2 s egenskaber (2 øvelser) 4. Udledning af CO 2 (3 øvelser) 5. Drivhuseffekten (1 øvelse) 6. Kalk (2 øvelser) Temaet er rettet mod de tre fag biologi, fysik/kemi og geografi og væsentlige dele af det trinmål, de tre fag deler på 8. klassetrin: beskrive hovedtræk af vand og kulstofs kredsløb i naturen. Emner og øvelser, der kan tænkes ind under vands kredsløb i naturen, kan findes under temaet Vand og liv. Carbon indgår i et stort og vidt forgrenet kredsløb i naturen, hvor det hele tiden udveksles mellem reservoirer i oceanet, på land og i atmosfæren. I oceanerne findes carbon især i form af opløst kuldioxid og i levende organismer som plankton. På land findes carbon især i levende planter og i organisk materiale, som nedbrydes i de øverste jordlag. I atmosfæren findes carbon i form af kuldioxid. Endelig findes carbon i undergrunden som fossilt organisk kulstof og kalksten. Som det fremgår af ovenstående, er kulstofkredsløbet meget kompliceret, og det kan være svært at få det fulde overblik over for eleverne. Som et supplement til klassens grundbøger i biologi, fysik/kemi og geografi, tilbyder vi med dette tema en række videoer og tilhørende øvelser, som dykker ned i nogle væsentlige delelementer af kulstoffets kredsløb. Der bliver sat specielt stort fokus på kuldioxidens rolle i kredsløbet. Fælles mål Fællesmål, som relaterer sig til temaet Kulstofkredsløb hentet fra faghæfterne i Biologi, Fysik/kemi, og Geografi. Faghæftet for Biologi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin kende udvalgte organismer og deres placering i fødekæder, samt anvende begreber om deres livsytringer, herunder fødeoptagelse, respiration, vækst, formering og bevægelse beskrive den biologiske betydning af energistrømme, samt udvalgte kredsløb i forskellige økosystemer 80

81 gøre rede for hovedtræk ved fotosyntese og respiration, herunder disse processers betydning i økosystemer (fælles med fysik/kemi) beskrive hovedtræk af vand og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med fysik/kemi og geografi) Faghæftet for fysik/kemi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin gøre rede for hovedtræk ved fotosyntese og respiration, herunder disse processers grundlæggende betydning i økosystemer (fælles med biologi) forklare, hvordan indgreb i naturens stofkredsløb kan påvirke miljøet, herunder anvendelse fossilt brændsel beskrive hovedtræk af vands og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med biologi og geografi). give eksempler på, at der ved energiforsyning ofte produceres stoffer og varme, der påvirker miljøet beskrive, hvorledes anvendelse af råstoffer eller materialer kan påvirke ressourceforbrug, miljø og affaldsmængde, herunder kul, plast og træ Faghæftet for Geografi Trinmål efter 8. klassetrin Trinmål efter 9. klassetrin kende processerne i et geologisk kredsløb: forvitring, erosion, transport, aflejring og bjergartsdannelse 81

82 beskrive hovedtræk af vands og kulstofs kredsløb i naturen (fælles med fysik/kemi og biologi) kende til naturlige klimasvingninger og menneskets påvirkning af Jordens klima - herunder hvorledes CO2 udledes og indgår i naturen beskrive vigtige forhold, der har indflydelse på vejr og klima - herunder menneskelige aktiviteter, der kan påvirke vejr og klima (fælles med fysik/kemi) Kulstofkredsløb i bogsystemerne I det nedenstående er der givet eksempler på hvilke kapitler/sider (fra de mest brugte grundbøger) der berører temaet kulstofkredsløb. Bios (Gyldendal) Ind i Biologien (Alinea) Xplore (GO-forlaget) A B C 7. kl. 8. kl. 9.kl. 7.kl. 8.kl. 9.kl. Skov (6-29) Økologi (22-37) Forurening (84-97) Grundlag for liv (32-51) Globale miljøproblemer (92-117) Økosystemer (9-13) Modeløkosystemer Ingenting forsvinder ( ) Opsamling (s ) (14-17) Kosmos (Gyldendal) Naturens univers (Alinea) Xplore Fysik/kemi (GOforlaget) A B C Ild ( ) Luft (91-109) Global miljøkem i ( ) Kemisk produktio n ( ) Forbrændingsprocesse r og kuldioxid (71-79) Tema 4: Kulsto f og klima (89-118) Den livgivend e jord ( ) Du bliver hvad du spiser (91-109) Bæredygtighe d ( ) 82

83 Geos (Gyldendal) Ind i geografien (Alinea) Xplore Geografi (GO-forlaget) A B C A B C 7.kl. 8.kl. 9.kl. Jordens klima ( ) Den livgivende jord ( ) Emne 1- Carbon Carbon er grundstof nr. 6 i det periodiske system og kaldes i kemien for carbon. Det forkortes til et C. I ren form kendes carbon bl.a. i to forskellige former: grafit og diamant. Det meste carbon findes dog i kulstofforbindelser. Carbon er det grundstof af alle, som indgår i flest kemiske forbindelser. De fleste carbonforbindelser er organiske stoffer, og der er mange af dem. Det skyldes, at carbonartomerne kan binde sig til hinanden på mange forskellige måde. Nogle organiske stoffer indeholder tusinder af carbonatomer. Ud over carbonartomer findes der i de organiske molekyler altid atomer af hydrogen og som oftest også ilt. Nogle stoffer, der indeholder carbon, regnes ikke for organiske stoffer. Fx kuldioxid (CO 2) og calciumcarbonat (CaCO 3). Carbontest Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med kulstof og dets rolle i naturen (herunder kulstoffets kredsløb) eller et tema, hvor der sættes fokus på, hvordan man identificere forskellige stoffer i naturen. Med øvelsen kan eleverne undersøge, hvordan man identificerer stoffer, der indeholder kulstof. Sod er næsten rent kulstof, som dannes ved en ufuldstændig forbrænding af kulstofholdige stoffer. De kulstofholdige stoffer vil ved ophedning danne dampe og gasser, som forbrænder i en flamme. Soddannelsen foregår i flammen, hvori kulstofholdige gasser gennemgår en ufuldstændig forbrænding pga. mangel på ilt. Stoffernes indhold af hydrogen vil typisk forbrænde (og danne vand), mens kulstoffet (eller blot en lille del af det) forbliver uforbrændt tilbage. Soddannelsen skyldes altså iltmangel i flammen. Iltmanglen kan forårsages af for lille lufttilførsel eller af dårlig sammenblanding af luft og brændbar gas. Når opvarmningen af et stof foregår i et reagensglas, vil ilttilførslen blive reduceret. Hvis det er et kulstofholdig stof, der opvarmes til en tilstrækkelig høj temperatur, vil der foregå en ufuldstændig forbrænding, og der vil dannes sort sod. Fremkomsten af den sorte farve indikerer, at det er et kulstofholdigt stof, der opvarmes i reagensglasset. Når man opvarmer et materiale uden luftens adgang med det formål at uddrive flygtige stoffer, kaldes det en tørdestillation. I de fleste tilfælde sker processen 83

84 ved så høj temperatur, at stoffet delvis nedbrydes, således at der opnås større mængder destillat. Destillatet kan være kulstof. Når man laver trækul, er det en tørdestillation. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne erfarer, at der findes en metode til at identificere stoffer, som indeholder kulstof. Ved tørdestillation skal eleverne afgøre om bestemte stoffer indeholder kulstof. Resultaterne indføres i skemaet som vist i forsøgsvejledningen. Ud fra forsøgsresultaterne skal eleverne give et bud på andre stoffer, de kender fra deres hverdag, som sandsynligvis også indeholder kulstof. Drøft med eleverne, hvilken teori der ligger bag carbon-testen Drøft med eleverne, om der er nogle bestemte forhold, der karakteriserer stoffer, som indeholder kulstof Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med forsøget. Fx ved at tage billeder eller små videosekvenser af det der sker i reagensglassene. Nogle af reagensglassene kan være meget besværlige at gøre rene efter carbontesten (specielt den med sukker), så det vil være fordelagtigt at vælge en billigere type eller gamle brugte reagensglas, som alligevel trænger til at blive udskiftet. Vær dog sikker på, at de pågældende reagensglas tåler opvarmning. Faglige begreber Sikkerhed Carbon (kulstof), organiske forbindelser, sod, ufuldstændig forbrænding. Fremskaffe de materialer der skal anvendes (se forsøgsbeskrivelsen) Udvis altid ekstra agtpågivenhed, når der arbejdes med ild. Eleverne skal benytte sikkerhedsbriller. Hvad indeholder carbon Faglig Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med sammenhæng kulstof og dets rolle i naturen (herunder kulstoffets kredsløb) eller et tema, hvor der sættes fokus på, hvad forskellige stoffer består af. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Øvelsen kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne erfarer, at en lang række stoffer indeholder kulstof. Eleverne skal finde frem til nogle ting, de vil undersøge indeholder kulstof. Eleverne skal fremkomme med begrundede bud på, hvilke af stofferne, de tror, 84

85 der indeholder kulstof og føres ind i tabelen, der er anvist i forsøgsbeskrivelsen. Drøft med eleverne om der er specielle karakteristika ved stoffer, som indeholder kulstof Eleverne kan forud for denne øvelse med fordel have gennemført øvelsen carbontest. Det kan måske være svært for eleverne at finde frem til stoffer, som er oplagte at vurdere på. Læreren kan - som opstart - anvise bestemte ting, der kan tages udgangspunkt i og derefter lade elevernes nysgerrighed tage over. Vær opmærksom på, at mange af de metaller, vi bruger i dagligdagen (fx stål), faktisk indeholder en smule kulstof. Faglige begreber Sikkerhed Kulstof, kulstofforbindelser, organisk stof, uorganisk stof. Sørg for at der er nogle eksemplariske stoffer i lokalet, som eleverne kan udvælge. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Emne 2- Fotosyntese Fotosyntesen er en vigtig proces i kulstoffets kredsløb. Ved denne proces fikseres luftens CO 2 (hvis det er planter i et vandigt miljø, er det CO 2 opløst i vandet, der fikseres), og carbonet indbygges i organiske forbindelser. I plantecellernes kloroplaster (grønkorn) reagere kuldioxid og vand med hinanden, og der dannes ilt og glukose: Energien til processen kommer fra sollyset. 6 CO 2 + 6H 2O + lysenergi ---> C 6H 12O 6 + 6O 2 Ilten afgiver planten til omgivelserne. Glukosen kan planten bruge til opbygning af en lang række andre organiske stoffer, som er med til at opbygge planten. Glukosen kan også optages i plantecellernes mitokondrier, hvor det respireres, og der dannes kuldioxid og vand. Herved får planten omdannet energi, som planten kan udnytte til energikrævende livsprocesser. Så længe planten er i vækst, er den samlede fotosyntese dog større end den samlede respiration, og der foregår en nettoopbygning af organisk materiale (nettoprimærproduktion). 85

86 Fotosyntese og lys Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med planters rolle i kulstofkredsløbet eller et tema, hvor der sættes fokus på plantens generelle opbygning og funktion. Med øvelsen kan eleverne undersøge sammenhæng mellem lysintensitet og planters afgivelse af ilt. Det er energi fra sollyset, som driver fotosyntesen: 6 CO 2 + 6H 2O + lysenergi ---> C 6H 12O 6 + 6O 2 Som det ses af ovenstående ligning producere planten ilt i forbindelse med fotosyntesen. Ilten fra fotosyntesen diffunderer fra planten ud til omgivelserne. I forsøget anvendes vandplanten vandpest. Når planten befinder sig i et vandigt miljø, kan den producerede ilt let erkendes som små bobler, der dannes ved planten og efterhånden begynder at stige op igennem vandsøjlen. Mængden af iltbobler kan give et billede af fotosynteseaktiviteten. Jo flere iltbobler, jo større fotosynteseaktivitet. Sammenhænget mellem fotosyntes og lysintensitet (jo større lysintensitet, jo større fotosyntese) gælder kun inden for et begrænset intensitetsområde. Man siger, at planten når et lysmætningsniveau, hvor yderligere lys ikke fører til øget fotosyntese. Dette skyldes, at det enzymatiske beredskab sætter en begrænsning på hvor meget CO 2, der kan fikseres pr. tidsenhed. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne erfarer, at der er sammenhæng mellem lysintensitet og fotosyntese (mængden af ilt dannet ved fotosyntese). At eleverne gør sig erfaringer med indsamling af data, repræsentation af data og tolkning af de indsamlede data. Eleverne skal registrere antallet af bobler vandpesten producerer i ét minut. Registreringen gentages flere gange med forskellige afstande mellem vandpest og lyskilde (OHP eren). Eleverne skal registrere afstanden mellem plante og lyskilde for hver tælling af iltbobler. Efterfølgende skal eleverne indsætte resultater i et koordinatsystem, og der fremstilles en grafisk repræsentation af de indsamlede data: x- aksen: afstand mellem plante og lyskilde. y- aksen: antal bobler pr. minut. Man kan med fordel indføre de indsamlede data i et regneark og lade regnearket generere den grafiske repræsentation. 86

87 Drøft med eleverne, hvor mange målinger der skal foretages o Hvor mange gange skal afstanden mellem plante og lyskilde varieres? o Kan det være en fordel at registrere antallet af bobler per minut flere gange med den samme afstand mellem plante og lyskilde? Hvordan findes en middelværdi? Drøft med eleverne, hvordan den grafiske repræsentation skal udformes? Skal det fx være en graf eller et pindediagram? Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem lysintensitet og produktion af ilt. Drøft med eleverne hvilken sammenhæng der er mellem plantens produktion af ilt og plantens fiksering af kulstof. Sørg for at bruge frisk vandpest. Sørg for at der er tilstrækkeligt med CO 2 i vandet, fx ved at bruge danskvand (m. brus) eller gennemblæs vandet med udåndingsluft. Man kan også anvende andre lyskilder end OHP er. Sørg blot for, at det er en kraftig lyskilde. Et lysbilledapparat kan fx godt bruges. Faglige begreber Sikkerhed Fotosyntese, lysenergi, ilt, kuldioxid, lysintensitet Fremskaffe vandpest til forsøget. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. Fotosyntese og CO 2 Faglig sammenhæng Forsøget kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med planters rolle i kulstofkredsløbet eller et tema, hvor der sættes fokus på plantens generelle opbygning og funktion. Med øvelsen kan eleverne registrere, at planter optager kuldioxid. Det er energi fra sollyset, som driver fotosyntesen: 6 CO 2 + 6H 2O + lysenergi ---> C 6H 12O 6 + 6O 2 Som det ses af ovenstående ligning forbruger planten kuldioxid i forbindelse med fotosyntesen. Kulstoffet fikseres i den producerede glukose og dermed i det organiske stof, planten opbygger. I forsøget her anvendes vandplanten vandpest. Når planten befinder sig i et vandigt miljø, optager den kuldioxid, som er opløst i vandet. Mængden af opløst kuldioxid i vandet kan man få en indikation af ved at tilsætte CO 2-indikator. CO 2- indikatoren skifter fra rød til gul, når CO 2-indholdet stiger. Hvis CO 2-indholdet 87

88 falder, bliver farven først orange og derefter mørkere rød. Det er kun så længe, at planten modtager lysenergi, at den vil fiksere kuldioxid. Hvis der ikke er lys tilstede (fx om natten), vil planten udelukkende respirere, og så vil den udskille kuldioxid til omgivelserne. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Forsøget kan opstilles i løbet af én lektion det tager ca minutter. Samlede varighed 2 døgn. At eleverne erfarer, at planten så længe at den modtager lysenergi forbruger kuldioxid. Eleverne skal registrere farveskiftet i CO 2-indikatoren. Lad eleverne, i forbindelse med forsøgsopstillingen, give bud på, hvad der sker (de opstiller hypoteser). Drøft med eleverne, hvad de bygger deres hypotese på. Drøft med eleverne, hvorfor der skal indgå et kontrolglas (glasset uden vandpest). Drøft med eleverne, hvad de erfarer, når de blæser udåndingsluft igennem vandet med CO 2-indikatoren. Hvad er det CO 2-indikatoren viser? Drøft med eleverne, hvilke sammenhænge der er mellem plantens fotosyntese og det farveskifte, de observerer. Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at dokumentere, hvad der observeres i forbindelse med forsøget.. Fx ved at tage billeder af reagensglassene lige efter opstillingen og ved øvelsens afslutning. Sørg for at bruge frisk vandpest. Hvis glassene kontrolleres meget tideligt om morgenen, kan det være, at eleverne ikke kan erkende et tydeligt farveskifte (vandet i glasset med vandpest er stadig gul), da planten igennem natten kun har respireret og dermed udskilt kuldioxid. Forsøget kan udvides med endnu et reagensglas med vand, CO 2-indikator og vandpest. Reagensglasset pakkes ind i stanniol (så planten slet ikke modtager lys). Planten kan ikke foretage fotosyntes og vil derfor ikke fiksere vandet kuldioxid. Vandets indhold af kuldioxid vil derimod stige i dette glas, da planten udelukkende respirerer. Faglige begreber Sikkerhed Fotosyntese, lysenergi,, kuldioxid, indikator Fremskaffe vandpest til forsøget. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med dette forsøg. 88

89 Byg fotosyntesen Faglig sammenhæng Øvelsen kan anvendes i forbindelse med et tema, hvor klassen arbejder med planters rolle i kulstofkredsløbet eller et tema, hvor der sættes fokus på plantens generelle opbygning og funktion. Med øvelsen får eleverne erfaringer med de stoffer, der indgår i fotosyntesen på molekyleniveau. 6 CO H 2O ---> C 6H 12O O 2 For hvert molekyle glukose, der produceres i fotosyntesen, produceres der også 6 molekyler ilt. Til denne produktion forbruges der 6 molekyler kuldioxid og 6 molekyler vand. Hvert molekyle er opbygget af atomer. Det samlede antal kulstof-, ilt- og hydrogen-atomer på begge sider af lighedstegnet er det samme. Tidsramme Faglige mål Øvelsen kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne gør sig erfaringer med reaktionsligningen for fotosyntesen og de stoffer, der indgår i fotosyntesen. At eleverne gør sig erfaringer med forskellige måder at repræsentere disse stoffer på. Eksempel på behandling af forsøgsempiri Eleverne skal arbejde med molekylemodeller og derefter finde materialer i undervisningslokalet, som indeholder eller er opbygget af de samme stoffer (molekyler), som de har lavet molekylemodeller af. Opgaven med at bygge fotosyntesen med molekylebyggesæt kan gøres på mange forskellige måder, alt efter hvad man har som fokus. Eleverne skal højst sandsynlig have hjælp til at konstruere glukosemolekylet, så måske man skulle starte med at bygge dette i fællesskab. Det til opgaven skrevne eksempel skal ses som et forslag! Man kan også benytte karton, sakse mv. og klippe figurer ud, som skal illustrere stofferne. Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at fastholde deres molekylemodeler og de stoffer (på makroniveau), de har fundet. Fx ved at tage billeder eller små videosekvenser. Eleverne kan også tegne de forskellige molekyler. På nettet kan man hente programmet CemSketch, som kan downloades på som freeware. Ud over at man kan tegne modeller af molekylerne, får man en grafisk opfattelse af modellernes størrelse og rumlige udformning meget lig det, der fremkommer i de fysiske modelle eleverne har udarbejdet. Ligeledes kan man i programmet skifte imellem forskellige modelrepræsentationer af molekylerne. 89

90 Faglige begreber Sikkerhed Fotosyntese, lysenergi, ilt, kuldioxid, vand, glukose, molekyle, atom, reaktionsligning, model, stofbevarelse. Vedrørende anden del af opgaven, hvor eleverne skal finde makroskopiske udgaver af deres molekyler, kan forberedes en rullevogn med et udvalg af stoffer (eller repræsentationer af stoffer), som eleverne kan vælge imellem. Der er ikke nogle specielle sikkerhedsmæssige risici forbundet med denne øvelse. Emne 3- CO 2 s egenskaber I atmosfæren er kulstoffet hovedsageligt bundet i kuldioxid. Kuldioxidkoncentrationen i atmosfæren er på knap 0,04 % (385 ppm). Ved jordens overflade under normale temperaturer er kuldioxid en gas. Den er lugtløs og farveløs. Kuldioxid har den kemiske formel CO 2. Kuldioxids kemiske struktur giver det den egenskab, at det kan absorbere varmestråling. Det er netop denne egenskab, der gør, at CO 2 virker som drivhusgas. Ved atmosfærisk tryk kan kuldioxid kun findes i to tilstandsformer; som en gas, og ved temperaturer under -78,5 C som et fast stof, der ligner fin, tætpakket sne (tøris). Væskeformen opstår ved tryk over 5,1 atm. Dette udnyttes ved opbevaring af kuldioxid på trykflaske. Kuldioxid kan opløses i vand. En del af kuldioxiden vil reagere med vand og danne hydrogencarbonat (HCO 3 - ): CO 2 + H 2 O <=> [H 2 CO 3 ] <=> H + + HCO 3 - Kuldioxid + vand <=> kulsyre <=> proton + hydrogencarbonat Oceanerne indeholder store mængder kulstof, hvilket er 93% af den samlede tilgængelige kulstofmængde. Hovedparten af dette findes som hydrogencarbonat. Kuldioxid anvendes i industri og samfund til mineralvand og fadøl, ildslukkere, bedøvelse, beskyttelsesgas ved svejsning, som konservering ved pakning af nærings- og nydelsesmidler, øgning af luftens indhold af kuldioxid i drivhuse og til køling og frysning. CO 2 i vand Faglig sammenhæng Kuldioxid har en forholdsvis lav opløselighed i vand. Som for alle gasser gælder det, at opløseligheden i vand afhænger af gastrykket. Yderligere afhænger opløseligheden af vandets temperatur. Jo lavere temperatur, jo mere gas kan der opløses i vandet. Når CO 2 opløses i vand, danner CO 2 svage bindinger til vandmolekylerne. Hvis temperaturen i vandet stiger, mindskes styrken af bindingerne og dermed også mængden af opløst CO 2. Dette princip gælder for alle 90

91 vandopløselige gasser. Opløseligheden af CO 2 i vand er 3,48 g/l ved 0 C og 1,45 g/l ved 25 C. Når CO 2 opløses i vand reagerer det til en vis grad med vand, og der opstår følgende ligevægt: CO 2 + H 2 O <=> H 2 CO 3 H 2 CO 3 (kulsyre) er en syre, der yderligere vil reagere med vand efter følgende ligevægt: H 2 CO 3 + H 2 O <=> HCO H + Dannelsen af H + medfører, at opløsningen bliver mere sur. I forsøget anvendes to forskellige indikatorer til bestemmelse af, om der er kuldioxid til stede: Mættet kalkvand og CO 2 -indikator. Mættet kalkvand giver ved tilstedeværelse af kuldioxid bundfald af calciumcarbonat: Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g)-> CaCO 3(s) + H 2O(l) Calciumhydroxid + kuldioxid -> calciumcarbonat + vand Calciumcarbonat er tungtopløseligt, og vil hurtigt udfælde sig som et hvidt bundfald. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri CO2-indikatoren er egentlig en ph-indikator, der skifter fra rød til gul, når ph en falder (CO 2-indholdet stiger). Hvis ph en stiger (CO 2-indholdet falder), bliver farven først orange og derefter mørkere rød. Øvelsen kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne gør sig erfaringer med, at kuldioxid kan opløses i vand. At eleverne bliver fortrolige med to indikatorer til påvisning af kuldioxid: mættet kalkvand og CO 2-indikator Eleverne skal observere, hvad der sker med henholdsvis det mættede kalkvand og CO 2-indikatoren, når der opløses kuldioxid i de to væsker. Drøft med eleverne, hvad en indikator er Drøft med eleverne, hvad det er, der er årsagen til, at de to indikatorer reagere, som de gør Drøft med eleverne, hvad indikatorerne kan bruges til Drøft med eleverne, om indikatorerne kan bruges til at undersøge om andre stoffer indeholder kuldioxid (fx udåndingsluft, cola, postevand) 91

92 Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at fastholde deres observationer med de to indikatorer. Fx ved at tage billeder eller små videosekvenser af, hvordan de to indikatorer reagerer. Faglige begreber Sikkerhed Vær opmærksom på CO 2indikatorens farve inden forsøget igangsættes. Kuldioxid, opløselighed, indikator, mættet kalkvand, CO 2indikator. Ingen Kalkvand er en basisk, og dermed en ætsende væske. Brug af sikkerhedsbriller er påbudt. Overskydende kalkvand må ikke hældes i afløbet, men bortskaffes som kemisk affald. Skal hældes i affaldsdunken til basisk væsker. Mættet kalkvand har følgende H-sætning: H318 - Forårsager alvorlig øjenskade. CO2-indikatoren ikke klassificeret som farligt. Den har dog følgende H- sætninger: H335 - Kan forårsage irritation af luftvejene. H319 - Forårsager alvorlig øjenirritation. H315 - Forårsager hudirritation. H225 - Meget brandfarlig væske og damp. CO 2 som ildslukker Faglig sammenhæng For at en brand kan opstå og vedligeholdes, kræves der tre ting: et brandbart materiale, en antændelsestemperatur og tilstedeværelsen af tilstrækkeligt ilt. Hvis et af elementerne fjernes fx ilt vil en brand slukkes. Brandtrekanten er et udtryk indenfor brandslukning. Ovenstående tre elementer illustreres normalt som værende siderne i brandtrekanten. Sammensættes disse elementer, kan ilden opstå fjernes et af elementerne slukkes ilden (eller kan ikke opstå). Densiteten af kuldioxid er væsentlig højere end densiteten af atomsfærisk luft. Ved atmosfærisk tryk og en temperatur på 25 o C er densiteten af kuldioxid 1,80 g/l, mens densiteten af atmosfærisk luft kun er 1,18 g/l. 92

93 Pga. den høje densitet kan udledningen af kuldioxid fortrænge den atomsfæriske luft og dermed fortrænge ilten, som er nødvendigt for at vedligeholde forbrændingen. En CO 2 -slukker (kulsyreslukker) indeholder kuldioxid under så højt tryk, at gassen fortættes til væske. Når væsken frigives med stor hastighed mod ilden, opnås en dobbelt virkning: 1) indholdet er koldt og sænker temperaturen, 2) når væsken fordamper fortrænger kuldioxidgassen ilten fra området. Når et stearinlys brænder forbruges ilten, og der dannes kuldioxid. Eleverne kan måske undre sig over, hvorfor lyset i glasset så ikke går ud. Årsagen skal findes i varmeudviklingen, som skaber en opadgående luftstrøm omkring flammen. Kuldioxiden bæres derved hele tiden væk fra flammen og ud af glasset, og der trækkes frisk luft og dermed ilt ind i glasset til flammen. Til produktion af kuldioxid anvendes bagepulver og eddikesyre. Bagepulver består bl.a. af natriumhydrogencarbonat, NaHCO 3, som ved reaktion med eddike (CH 3COOH opløst i vand) vil danne en stor mængde carbondioxid. Bagepulve r + Eddike Natriumacetat + Vand + Carbondioxi d NaHCO 3 + CH 3COOH CH 3COONa + H 2O + CO 2 Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Øvelsen kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne gør sig erfaringer med, at kuldioxid er tungere end almindelig atomsfærisk luft, og at dette kan udnyttes til brandslukning idet ilten fortrænges. Eleverne skal observere, at flammen går ud, når der hældes kuldioxid ned i glasset med det tændte fyrfadslys. Kuldioxiden producerer eleverne selv ved hjælp af bagepulver og eddike. Drøft med eleverne, hvad der sker under reaktionen mellem bagepulver og eddike Drøft med eleverne, hvordan begrebet densitet (vægtfylde) forstås Drøft med eleverne, hvad densitet er for noget, og hvorfor der er forskel på de forskellige gassers densitet Drøft brandtrekanten med eleverne og sæt specielt fokus på iltens rolle i forbindelse med en brand Drøft med eleverne, hvad der er årsagen til, at flammen går ud, når der hældes kuldioxid ned i glasset med det tændte fyrfadslys 93

94 Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at fastholde deres observationer med de to indikatorer. Fx ved at optage små videosekvenser af kuldioxidproduktionen og brandslukningen. Vær opmærksom på, at hvis kuldioxiden hældes for langsomt ned i glasset, kan det trække atmosfærisk luft og dermed ilt med ned i glasset, og lyset bliver ikke slukket. Nu da vi har fokus på kuldioxids høje densitet, kan man tage drøftelsen om faren ved et stort udslip af kuldioxid. I områder med fx vulkansk aktivitet kan kuldioxid fra udsivninger lægge sig i lavninger, og udgør her en potentiel fare for dyr og mennesker. Faglige begreber Sikkerhed Kuldioxid, forbrænding, massefylde (densitet), brandslukning, brandtrekanten, ilt. Indkøb bagepulver Udvis altid ekstra agtpågivenhed, når der arbejdes med ild. Pas på at eleverne ikke får eddike i øjnene brug eventuelt sikkerhedsbriller. Eddikesyre er i henhold til Arbejdstilsynets At-vejledning C.0.1 et organisk opløsningsmiddel. 10 % eddikesyre har følgende H-sætninger: H314 - Forårsager svære ætsninger af huden og øjenskader. H226 - Brandfarlig væske og damp. Almindelig husholdningseddike (7 %) vil dog normalt ikke have en faremærkning. Natron er ikke klassificeret som et farligt stof. Emne 4 Udledning af CO 2 Kuldioxid er slutproduktet ved enhver forbrænding af stof, som indeholder kulstof. Alle organiske stoffer indeholder kulstof. Fx mineralske brændsler som kul, olie og gas, der er dannet af levende organismer for millioner af år siden. Træ, korn, halm og ethanol er eksempler på andre organiske stoffer, som dog er dannet for langt færre år siden. Dyr og planters respiration af organisk stof er en anden slags forbrænding. Den foregår ved en meget lavere temperatur inde i organismernes celler. Denne forbrænding af stof danner også kuldioxid. Derfor indeholder luften som mennesker og dyr udånder mere kuldioxid, end den luft de 94

95 indånder. Så længe planter er i vækst, optager de til gengæld mere kuldioxid via fotosyntesen, end de afgiver via respiration. Ved gæringsprocesser frigøres også kuldioxid. Her foretager organismen kun en delvis nedbrydning af det organiske materiale. De fleste gæringsprocesser foregår, hvis der ikke er ilt til stede og foretages hovedsageligt af bakterier og svampe. Gærsvampe er et eksempel på organismer, som foretager gæring, hvis der ikke er ilt til stede. Når vi bruger gær i vores dej, er det gærcellernes produktion af kuldioxid, der får dejen til at hæve. Afbrænding af flaskegas Faglig sammenhæng Flaskegas består hovedsageligt af kulbrinterne propan (C 3H 3) og butan (C 4H 10). Ved afbrænding dannes vand og kuldioxid. Forbrændingsreaktionen kan for de to gasser kan skrives som: 2 C 4H O 2 8 CO H 2O C 3H O 2 3 CO H 2O Hvis forbrændingsgassen ledes igennem mættet kalkvand, vil kuldioxiden reagere med calciumhydroxiden og danne calciumcarbonat. Calciumcarbonat er tungtopløseligt og vil hurtigt udfælde sig som et hvidt bundfald. Der dannes altså vand og kuldioxid ved afbrænding af de to gasser. CO 2 + Ca(OH) > CaCO 3 + H 2O Hvis forbrændingsgassen ledes igennem vand med CO 2-indikator, vil kuldioxiden reagere med vandet og danne kulsyre. Forsuringen vil få CO 2- indikatoren til at skifte farve fra rød til gul. Tidsramme Faglige mål Eksempel på behandling af forsøgsempiri Øvelsen kan afvikles i løbet af én lektion. At eleverne erfarer, at der dannes vand og kuldioxid ved forbrænding af flaskegas. Eleverne skal observere, om der i det første reagensglas dannes vand, og om der i det andet reagensglas er indikation på tilstedeværelsen af kuldioxid. Efterfølgende skal eleverne færdiggøre forbrændingsreaktionen for propan. Drøft med eleverne, hvad flaskegas er, og hvor det kommer fra Drøft med eleverne, hvad der sker i forbindelsen med 95

96 forbrændingen af flaskegas Drøft med eleverne, hvad der sker ved forbrænding af andre kulbrinter Lad eventuelt eleverne udnytte de muligheder, de har med deres mobiltelefoner til at fastholde deres observationer. Fx ved at optage små videosekvenser af, hvad der sker ved de to reagensglas. Vær sikker på at tragten, der placeres over flammen, er varmebestandig, samt at eleverne holder en tilstrækkelig afstand mellem flamme og slanger, så slangerne ikke smelter. Sørg for at kontrollere elevernes opstilling, inden de går i gang med selve forsøget. Til påvisning af at dråberne i det første reagensglas faktisk er vand, kan bruges kobbersulfat. Det blå kobbersulfat indeholder vand (CuSO 4-5 H 2O), rent kobbersulfat (CuSO 4) er gråhvidt. Opvarmer man det blå kobbersulfat uddrives krystalvandet farven bliver gråhvid. Ved kontakt med vand kommer den blå farve igen. Forsøget kan eventuelt udvides med afbrænding af andre organiske stoffer. Fx træ, stearinlys, papir, sukker (dyppet i aske) osv. Faglige begreber Sikkerhed Forbrænding, organiske stoffer, kulbrinter, ilt, kuldioxid, vand. Ingen Udvis altid ekstra agtpågivenhed, når der arbejdes med ild. Sørg for at elevernes opstilling er godt fastspændt. Kalkvand er en basisk, og dermed en ætsende væske. Brug af sikkerhedsbriller er påbudt. Mættet kalkvand har følgende H-sætning: H318 - Forårsager alvorlig øjenskade. Overskydende kalkvand må ikke hældes i afløbet, men bortskaffes som kemisk affald. Skal hældes i affaldsdunken til basisk væsker. CO2-indikatoren er ikke klassificeret som farligt. Den har dog følgende H- sætninger: H335 - Kan forårsage irritation af luftvejene. H319 - Forårsager alvorlig øjenirritation. H315 - Forårsager hudirritation. 96