Kan vi lita på att järnbron håller?

Transkript

1 PROFILES-studiematerial - Översikt Kan vi lita på att järnbron håller? Naturvetenskap - Kemi årskurs 7-9 Utvecklare: Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013) Studiehelhetens innehåll Meningen med forskningen är att redogöra för eleverna olika sätt att skydda en metallbro (järn-) från miljöns inverkan (korrosion). Eleverna handleds i att ta reda på faktorer som gör att föremål rostar och även hur man med hjälp av en offermetall kan skydda en annan metall mot korrosion. Då man besluter om ett lämpligt sätt att skydda bron ska eleverna också ta i beaktande sociala sidor så som sysselsättning, säkerhetsfaktorer, priset för skyddet och också brons estetik, att den passar in i miljön på bästa sätt. Som förhandskunskap krävs att eleverna under tidigare lektioner lärt känna den elektrokemiska spänningsserien, också genomgång av elektrokemi och elektrolys stöder eleverna att mer mångsidig kunna göra observationer och beslutsfattande. Bilderna i studiehelhetsöversikten, lärarhandledningen, elevinstruktionerna och bilagorna kan användas i undervisningen. Bilderna är från flickr-webbtjänst, Paul Hocksenar. Project funded within the EC FP7 Programme: SiS Grant Agreement No.: Supporting and coordinating actions on innovative methods in science education: teacher training on inquiry based teaching methods on a large scale in Europe 1/12

2 Ämne: Kemi Årskurser: årskurs 7-9 Mål med arbetet Eleven lär sig: att förstå vilka faktorer som påverkar rostbildning metoder, med vilka man kan förhindra korrosion färdigheter i grupparbete experimentella metoder att forska i korrosion att presentera sitt beslut och sina tankar för de övriga i klassen Centralt innehåll: elektrokemi, spänningsserien och korrosion Arbetsmetoder: informationssökning i smågrupp, experimentellt arbete Förslag på tidsdisposition: 4 lektioner á 45 minuter. Bilagor 1. Elevinstruktioner Innehåller mera specifikt fakta om uppgifterna och instruktioner om uppgifternas utförande. 2. Lärarhandledning Instruktioner om uppgiftens frågeställning. 2/12

3 PROFILES-studiematerial Lärarhandledning Kan vi lita på att järnbron håller? Naturvetenskap - Kemi årskurs 7-9 Utvecklare: Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013) Studiehelhetens innehåll I denna studiehelhet bekantar sig eleverna med rostbildning och faktorer som påverkar detta. Meningen är att eleverna funderar ut olika metoder som skyddar mot korrosion (rostbildning) och väljer enligt sin mening den bästa möjliga metoden. Först läser eleverna om ämnet ur sin egen lärobok och/eller på internet. Därefter repeteras elektrokemiska spänningsserien och elektrolys vilka behövs både i beslutsfattandet och det experimentella arbetet. Efter informationssökningen utför elverna forskningsarbeten om korrosion och skyddsmetoder mot korrosion. Resultaten från denna forskning tillämpas vid beslutsfattandet och val av lämpligt skydd..

4 Scenario Eleverna läser texten i elevinstruktionerna. Texten handlar om en bro, gjord av järn, för fotgängare och eleverna skall fundera på dess hållbarhet. Arbetet stegvis Studiehelheten kan genomföras på fyra lektioner a 45 minuter. Det lönar sig för läraren att fundera på smågruppernas sammansättning (3-5 elever), så att arbetet och beslutsfattande blir så mångsidigt som möjligt och att alla har chans att delta. I studiehelheten ingår arbete både som helklass och i smågrupp, självständig informationssökning inom smågruppen, planering och utförande av experimentellt arbete samt beslutsfattande på basen av egna forskningsresultat och resultaten från informationssökningen. Första lektion presentation av arbetet och problemuppställning eleverna läser om korrosion och metoder att skydda mot korrosion i sina läroböcker/internet under ledning av läraren repeteras spänningsserien och dess tillämpning vid val av korrosionsskydd gemensamt gås genom vad som avses med rostbildning, hurdant ämne rost är och varför rostbildning bör förhindras bilda smågrupper i smågrupperna diskuteras olika skyddsmetoder (ytbeläggning av målarfärg, en annan metall eller plast, användning av offermetall ) gruppen leds också in på att fundera på etiska aspekter (hur ser bron ut om den målas/förzinkas/överdrasmed plast/skyddas med offermetall) samt att fundera på den bästa lösningen med tanke på underhållet av bron och ekonomiska aspekter(måste den t.ex. målas eller få nytt överdrag varje år, hur stort blir stadens arbetares satsning...) 4/12

5 Andra och tredje lektion informationssökning i böcker (läraren har olika bokseriers böcker) för experimentellt arbete eleverna utför experiment, med vilka o de kan undersöka olika sätt att förhindra järnbron att rosta o undersöker faktorer som påverkar järnets rostbildning (saltvatten, syrebrist, torr/fuktig miljö) experimenten presenteras för läraren, varefter de kan genomföras denna lektion och nästa lektion (eventuell uppföljning av experimenten under 2-3 dagar mellan två lektioner) material i klassen: järn- och kopparspik, koppar- och zinkplattor, målarfärg, saltvatten, matolja och magnesiumband eleverna antecknar sina iakttagelser och beslut, på basen av dessa utformar de ett sammandrag där de beskriver det bästa skyddet och ger en ca fem minuters presentation eleverna kan också åskådliggöra fenomenen med fotografier eller videofilm Fjärde lektion smågrupperna presenterar (ca 5 minuters sammanfattning) sina observationer med bilder för klassen och berättar, med motivering, varför de valt just denna skyddsmetod tillsammans diskuteras valen av skyddsmetoderna och klassen gör ett enhälligt beslut om bästa skyddsbehandlingsmetoden fundera hur man på andra sätt kunde inverka på korrosion och hur metallföremål över lag kunde skyddas mot korrosion o i detta sammanhang funderas på korrosionens inverkan även på andra metallföremål (bilar, båtar, statyer, tak, verktyg, skepp, bryggor, stolparna för gatubelysning...) o diskutera olika metallers oxidering: t.ex. oxidskiktet på aluminium och zink fungerar som ett skyddande skikt, då järnet som rostar oxiderar genom hela metallen och resultatet är en skör struktur som lätt går i bitar o kopparn ärgar (ärg eller patina) o silverföremål mörknar på grund av silversulfidens inverkan 5/12

6 Lärarens arbetsinstruktioner Järnspiken fräts Meningen med den experimentella forskningen är att utreda vilka faktorer som påverkar järnets rostbildning. Forskningen utförs under andra lektion och resultaten föls upp på den tredje (vid behov ännu på den fjärde) lektion. Utrustning: fyra provrör järnspikar (vanliga och förzinkade) vatten koksalt matolja Arbetsinstruktioner Fyll två provrör till hälften med kranvatten. Sätt en vanlig järnspik i det ena provröret och en förzinkad järnspik i det andra provröret. Fyll det tredje provröret till hälften med saltvatten och lägg i en vanlig järnspik. Fyll det fjärde provröret till hälften med kokat vatten, lägg i en vanlig järnspik och tillsätt några droppar matolja (så att på ytan bildas ett oljeskikt). Lämna provrören i provrörsställningen till nästa vecka. Undersök vad som har hänt i provrören. Frågor 1. I vilket provrör har järnet frätts allra mest? 2. Ändå minst? 3. Ett sammandrag färdigställs där det framgår de olika faktorerna som påverkar hur järnspiken fräts. 6/12

7 Förklaringar Järnet fräts mest i provröret innehållande en vanlig järnspik och saltvatten. Minst fräts järnet i provröret med kokat vatten och matolja. Saltvatten innehåller joner och påskyndar järnets korrosion. Järnet rostar snabbt i saltvatten då det reagerar med syret som är löst i vattnet. I provröret med kokat vatten finns inte löst syre och med matolja förhindrar man ytterligare syreåtkomst. Den förzinkade spiken rostar näst minst och den vanliga spiken i kranvatten näst mest. På basen av detta experiment kan man skydda järn mot korrosion genom att dra över en annan metall (zink), med plast eller målarfärg, eller genom att förhindra att syre har tillträde till metallytan (t.ex. genom att olja). Offermetall Målet med detta arbete är att reda ut hur man kan använda en oädlare metall som offermetall för att skydda en ädlare metall mot korrosion. Utrustning: kopparplattor zinkplattor järnspik (vanliga och förzinkade) kopparspik magnesiumband saltvatten Arbetsinstruktioner Ta två kopparplattor och två zinkplattor. Slå en kopparspik genom den ena kopparplattan och genom den andra kopparplattan en vanlig järnspik. Slå en vanlig järnspik genom den ena zinkplattan och en förzinkad järnspik genom den andra. Vira magnesiumband runt en vanlig järnspik. Placera alla spik- och metallplatts system i saltvatten för en vecka. Betrakta plattornas, spikarnas och magnesiumbandets skick nästa lektion. 7/12

8 Frågor 1. Vad har hänt med kopparplattorna och spikarna? 2. Vad har hänt med zinkplattorna och spikarna? 3. Vad har hänt med spiken, runt vilken magnesiumbandet är snurrat? Ändå magnesiumbandet? 4. Hur fungerar offermetallen som korrosionsskydd? Förklaringar Kopparplatta, i vilken en kopparspik är inslagen, är likadan som i arbetets början. Järnspiken i kopparplattan har däremot börjat rosta. Fenomenet är det samma som t.ex. en bastuskopa av koppar som är fäst med en järnspik i ett järnskaft. I zinkplattan kan man se korrosion vid det ställe där spiken slagits in, i spiken kan ingen förändring ses. Magnesiumbandet runt järnspiken har börjat frätas, men spiken är oförändrad. Förändringarna i metallerna beror på att i fogen mellan två metaller bildas ett slags elektrokemiskt par. Som följd av detta kommer den oädlare metallen i fogen att reagera så att den avstår elektroner till den omkringliggande vätskan och den ädlare metallen. På grund av detta fräts den oädlare metallen. Metoden kan utnyttjas då man vill skydda metaller, så att på föremålet som är gjort av en ädlare metall fäster man en oädlare metall. Detta sätt använd t.ex. då man vill skydda båtar gjorda av järn. Man fäster en magnesium- eller zink bit i skrovet. Denna oädlare metall oxideras först och skyddar på så sätt den ädlare metallen från att korrodera. Offermetallerna byts ut an efter de förbrukas. Samma fenomen är det delvis också fråga om då järnspikar förzinkas och det på zinkskiktet bildas ett tunt skyddande zinkoxidskikt. 8/12

9 Bedömning Grunderna för bedömning Kan söka fakta ur givet material Kan planera forskningsupplägg med hjälp av färdiga instruktioner i boken - läser och tolkar arbetsinstruktioner - gör ändamålsenliga hypoteser Kan utföra en experimentell forskning - utför arbetet enlig instruktioner - hanterar utrustningen säkert och tryggt - arbetar tryggt i förhållande till sig själv och andra - gör meningsfulla observationer och antecknar dem Elev - håller arbetsbordet snyggt Kan tolka gjorda observationer och på basen av dem dra slutsatser - tolkar samlade observationer grundligt - drar slutsatser på basen av forskningsfrågorna Fungerar i grupp under forskningsarbetet - deltar i gruppdiskussioner - fungerar tillsammans med gruppen och deltar till fullo i arbetet Kan presentera resultaten - skriftligt: tydligt och klart - muntlig presentation - uppmärksammar de sociala aspekterna - uppmärksammar det vetenskapliga perspektivet Bedömning: Utmärkt (U)/God(G) / Försvarlig (F) 9/12

10 PROFILES-studiematerial Elevinstruktioner Kan vi lita på att järnbron håller? Naturvetenskap - Kemi årskurs 7-9 Eget namn: Arbetets utgångsläge Man har i århundraden använt metaller som byggnadsmaterial. Ett evigt problem med användning av metaller har varit att de utsätts för miljöpåverkan som leder till att de fräts och blir sköra. I den här forskningen har ni i uppgift att bekanta er med olika faktorer som påverkar hur järnet rostar och på basen av det fundera ut olika sätt att skydda järn mot rost. I uppgiften skall ni, förutom att fundera på de kemiska faktorerna, också tänka på samhälleliga faktorer och göra estetiska överväganden.. 10/12

11 Scenario I närheten av skolan har man byggt ett nytt bostadsområde. Området befinner sig på andra sidan av en livligt trafikerad trafikled med fyra filer. Man skall bygga en bro för fotgängare över vägen så att eleverna tryggt kan ta sig till skolan. Eftersom det är fråga om en gångbro med lätt konstruktion har man beslutat bygga en dekorativ bro av järn. Bron borde hålla i minst 20 år, men är en bro av järn användbar så här lång tid? Hur skall vi försäkra oss om att bron hålls snygg och säker att använda så länge som möjligt? Vilket skulle vara det allra bästa sättet att skydda bron från att rosta? Arbetets gång Din uppgift är att tillsammans med dina klasskamrater bekanta dig med olika faktorer som påskyndar rostbildning och på basen av det göra beslut och komma på lösningar hur man på bästa sätt skyddar föremål mot rost. I smågrupper gör ni experimentella försök där ni undersöker faktorer som påverkar rostbildning. 1. Fundera i liten grupp vad rost är och vilka faktorer som påskyndar rostbildning, sedan deltar ni i klassdiskussion om ämnet. 2. Bekanta dig med hjälp av litteraturen vilka faktorer som påverkar rostbildning och metoder som används för att förhindra rost 3. Alla smågrupper planerar och gör forskning om vilka faktorer som påverkar hur järnet rostar i laboratoriemiljö. I det andra arbetet undersöks reaktioner mellan olika metaller och användning av offermetall som rostskydd. Arbetena förbereds en lektion och resultaten följs upp följande lektion, ca en vecka efter påbörjat arbete. Resultaten av dokumenteras t.ex. med kamera. 4. Fundera tillsammans med din grupp, på basen av dina försök och det du läste, vilket sätt som skulle vara det bästa att skydda bron mot rost. Kom också ihåg att fundera på saken ur samhällelig och estetisk synvinkel(hur kommer bron att se ut med det sätt du valt rostskyddet, har ditt val inverkan på sysselsättningen, vilket skulle vara den mest ekonomiska sättet att skydda bron). Gör ett så omfattande sammandrag som möjligt, på observationer och slutsatser, för er presentation. 5. Utarbeta en 5 minuters presentation om de sätt ni valt att skydda bron och förbered er på att presentera och motivera ert beslut för klassen. Varför valde ni just den här skyddsmetoden? 11/12

12 Beslutsfattande Då ni lyssnat på de andra gruppernas presentationer, fundera ännu på hur ändamålsenligt ert val av skydd är. Anteckna tillsammans era åsikter, kom ihåg att motivera. Presentation av slutsatser Tillsammans formar ni klassens gemensamma åsikt om hur bron sak skyddas. Till sist diskuteras gemensamt med klassen om det finns andra metallföremål eller konstruktioner i er omgivning som borde skyddas. Vilka metoder, tycker du på basen av vad du läst och testat, skulle vara bra metoder att skydda dessa olika metaller? 12/12