Kun je een fietsenstalling bouwen met chemie? - Les 2

• Scheikunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Introduction

Beton is een onmisbaar materiaal in onze gebouwde omgeving: van treinrails tot wolkenkrabbers, maar hoe wordt beton precies gemaakt? In de eerste les uit de lessenserie duiken leerlingen in de scheikundige processen achter beton, van de reactie tussen cement en water tot de structuur op micro- en macroniveau. Ook ontdekken ze hoe beton verstevigd kan worden met bijvoorbeeld staal en welke rol materiaaleigenschappen daarbij spelen. In deze les staat het herstellen van beton centraal. Leerlingen verkennen het zelfhelende vermogen van beton en onderzoeken manieren om dit effect te versterken. Als afsluiting passen de leerlingen hun kennis toe in een ontwerpopdracht: ze maken een concreet advies voor een fietsenstalling op school, opgebouwd uit beton.

Instructions

Voorkennis van leerlingen

• De leerling kan de verhoudingsformule van een zout opstellen.
• De leerling kan beschrijven hoe een zout er op microniveau uitziet.
• De termen Zout en Kristalwater zijn bekend.

Voorbereiding van de docent

• Deze les is de tweede les uit een lessenserie, bestaande uit twee lessen. Neem beide lessen van te voren even door.
• Zorg voor een laptop voor elke leerling.
• Zorg voor A3 papier (1 vel per 4 leerlingen).

Leerdoelen/vaardigheden

• De leerling kan uitleggen wat het zelfhelende karakter van beton is.
• De leerling kan uitleggen hoe een biologisch systeem kan helpen bij het zelfhelen van beton.
• De leerling kan uitleggen wat biobeton is.
• De leerling kan de eigenschappen van een bacterie in biobeton uitleggen.
• De leerling kan de chemische reactie van biobeton opstellen.
• De leerling kan de voordelen benoemen van de verschillende soorten beton.

Aansluiting curriculum

Deze les sluit aan binnen het domein chemische reacties en materialen. Leerlingen verdiepen zich in de opbouw en eigenschappen van beton, zoals composieten, hydraten en gewapend beton. Ze leren chemische en biologische processen begrijpen door betonrot en biobeton te bestuderen. Reactievergelijkingen op macro- en microniveau worden toegepast in context.

Feedback

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

ut.onl/docent4tu

Ondertitel

Kun je een fietsenstalling bouwen met chemie?

Een les over zelfhelend beton en biobeton

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Benodigdheden

Iconen

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Klik hier

Hotspot met meer informatie

Laptop voor elke leerling

Binas

Vooraf

Deze LessonUp duurt ongeveer 50 minuten.

Leeg A3-vel per 4 leerlingen

Les 1. Wat is creativiteit?

Vorige les

In de vorige les heb je geleerd hoe...

...je op zowel macro- als microniveau kunt beschrijven hoe beton wordt gevormd.

...je kunt beschrijven wat een hydraat is.

...je kunt uitleggen wat een composiet is.

...je kunt beschrijven wat gewapend beton is.

...je de reactievergelijking van betonrot kunt opstellen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

...kun je uitleggen wat het zelfhelende karakter van beton is.

...kun je uitleggen hoe een biologisch systeem kan helpen bij het zelfhelen van beton.

...kun je uitleggen wat biobeton is.

...kun je de functie van een bacterie in biobeton uitleggen.

...kun je de chemische reactie van biobeton opstellen.

...kun je de voordelen benoemen van de verschillende soorten beton.

Les 1. Wat is creativiteit?

Casus

Jouw school gaat tijdens de zomervakantie een nieuwe fietsenstalling bouwen. De fietsenstalling zal uit beton gemaakt worden. Tegenwoordig zijn er veel verschillende type beton: gewapend beton, zelfhelend beton, biobeton, ... 

De school heeft gevraagd of jullie een fietsenstalling kunnen ontwerpen en advies kunnen geven over welk type beton het meest geschikt is voor jullie ontwerp. 

Casus:

De leerlingen gaan een fietsenstalling voor op het schoolplein ontwerpen. De enige eis die zij meekrijgen is dat het uit beton gemaakt moet kunnen worden. In deze lessenreeks leren de leerlingen over de eigenschappen van beton en is het de bedoeling dat deze eigenschappen (deels) terugkomen in het ontwerp.

De leerlingen kunnen alvast nadenken over:

• Hoe wil ik dat de fietsenstalling eruit komt te zien? Heeft deze misschien wel meerdere verdiepingen?
• Welke vormen kan ik maken met beton?
• Hoeveel fietsen moeten er in de fietsenstalling kunnen passen?
• Met welke weersomstandigheden krijgt de fietsenstalling te maken?

Les 1. Wat is creativiteit?

Scheuren in beton

Wanneer er een scheur ontstaat in beton, moet deze gerepareerd worden. De mens kan dit repareren door bijvoorbeeld:

• de scheur op te vullen met epoxyhars
• de scheur te dichten met reparatiemortel
• een stuk van het beton weg te hakken en opnieuw te gieten (wanneer de scheur te groot is)

Vooral de laatste optie kost erg veel tijd en geld.

Epoxyhars is een kunsthars die uithardt door een chemische reactie tussen twee componenten: een epoxyhars en een verharder. Dit is een thermohardende kunststof die na uitharding zeer sterk, waterbestendig en chemisch bestendig is.

Reparatiemortel wordt gebruikt om beschadigd beton te herstellen. Het bestaat uit een mengsel van cement, fijn  zand of fijne steentjes en polymeren of vezels die de hechting en sterkte verbeteren.

Les 1. Wat is creativiteit?

Zelfhelend beton

Soms kan het beton ook zichzelf repareren. Wanneer tijdens het uitharden van beton niet alle cementdeeltjes hebben gereageerd met water, kan het beton zichzelf herstellen. 

Leg op de volgende slide uit hoe een scheur in het beton "vanzelf" hersteld kan worden:

Vraag

Leg uit hoe beton zichzelf kan herstellen.

Antwoord:

Om hydraten te kunnen vormen, moet het cement reageren met het water. Wanneer er cementdeeltjes in het beton zitten, die nog niet gereageerd hebben, kunnen deze alsnog hydraten vormen door hier water aan toe te voegen. Wanneer er een scheur ontstaat in het beton en deze cementdeeltjes bloot komen te liggen, kunnen deze bijvoorbeeld geactiveerd worden door regen en reageren met de waterdeeltjes die erop vallen. Zo kan het beton zichzelf herstellen. 

Het nadeel hierbij is dat er toevallig ongereageerde cementdeeltjes bloot moeten liggen wanner de scheur ontstaat. Wanneer de scheur geen cementdeeltjes bevat, kan dit ook niet vanzelf herstellen. 

Les 1. Wat is creativiteit?

SAP

Het zelfherstellende vermogen van beton is beperkt. Door een SAP (superabsorberend polymeer) toe te voegen aan het betonmengsel kan de herstelcapaciteit worden vergroot. Een SAP is een stof met als stofeigenschap dat erg veel vloeistof kan opnemen en vasthouden.

Leg op de volgende slide uit hoe een SAP kan bijdragen aan het dichten van een scheur:

Vraag

Leg uit hoe de herstelcapaciteit van beton vergroot kan worden door het toevoegen van een SAP (superabsorberend polymeer).

Antwoordopties:

• Doordat de SAP extreem veel water opneemt, zwelt het op en wordt de scheur in het beton gevuld.
• Het calcium in het beton kan reageren met het water dat door de SAP opgenomen is, waardoor de scheur weer wordt aangevuld.

Les 1. Wat is creativiteit?

Biobeton

Een andere manier om beton te kunnen herstellen is door, tijdens het mengen van beton, bacteriën en voeding voor de bacteriën (ureum) toe te voegen aan het mengsel. Dit wordt ook wel biobeton genoemd.

Na het uitharden blijven de bacteriën slapend aanwezig in het beton. Wanneer de bacteriën in contact komen met water of zuurstof  worden ze wakker en zetten het ureum via verschillende stappen om naar kalksteen, waardoor de scheur opgevuld wordt.

Les 1. Wat is creativiteit?

Biobeton

Wanneer de bacteriën in contact komen met water, zetten zij het aanwezige ureum CO(NH₂)₂ om naar ammoniak NH₃ en koolstofdioxide CO₂. 

+

+

Geef de reactievergelijking op de volgende slide:

Vraag

Geef de reactievergelijking waarbij bacteriën ureum CO(NH₂)₂ omzetten naar ammoniak NH₃ en koolstofdioxide CO₂, nadat ze in contact zijn gekomen met water.

Antwoord:
CO(NH₂​)_2​+H₂​O→2NH₃​+CO_2​

Les 1. Wat is creativiteit?

Biobeton

Het koolstofdioxide CO₂ lost vervolgens op in het water en vormt carbonaationen CO₃^2-. De carbonaationen reageren met het calcium dat al aanwezig is in het beton tot kalksteen CaCO₃. Dit kalksteen vult de scheur in het beton op waardoor het beton wordt hersteld.

Geef op de volgende slide de kloppende reactievergelijking van carbonaationen die met calcium reageren tot kalksteen:

Vraag

Geef de kloppende reactievergelijking van carbonaationen CO₃^2- die met calcium reageren tot kalksteen CaCO₃.

Antwoord:
Ca²⁺ _(aq)+CO₃²⁻_(aq)^​→CaCO_{3 (s)}​

Les 1. Wat is creativiteit?

Ontwerp fietsenstalling

Je hebt nu kennis over de eigenschappen van beton, de verschillende typen beton en hoe beton gerepareerd kan worden. Gebruik deze kennis voor het ontwerp van de nieuwe fietsenstalling die in de zomer gebouwd zal gaan worden. 

Maak een poster op A3-formaat met de volgende elementen:

• Een tekening van het ontwerp (denk vooral aan de vorm van de fietsenstalling)

• De keuze voor het type beton: regulier beton, gewapend beton, zelfhelend beton, beton met SAP, biobeton (of een combinatie) en leg uit waarom je hiervoor gekozen hebt

• Noem ten minste 2 voordelen en 1 nadeel van het type beton dat je hebt uitgekozen.

Verdeel de klas in groepen van 4 leerlingen. Laat ze hun resultaten kort aan elkaar presenteren.

De leerlingen kunnen nadenken over:

• Hoe wil ik dat de fietsenstalling eruit komt te zien? Heeft deze misschien wel meerdere verdiepingen?
• Welke vormen kan ik maken met beton?
• Hoeveel fietsen moeten er in de fietsenstalling kunnen passen?
• Met welke weersomstandigheden krijgt de fietsenstalling te maken?

Les 1. Wat is creativiteit?

Gefeliciteerd!

Nu kun je...

...uitleggen wat het zelfhelende karakter van beton is.

...uitleggen hoe een biologisch systeem kan helpen bij het zelfhelen van beton.

...uitleggen wat biobeton is.

...de functie van een bacterie in biobeton uitleggen.

...de chemische reactie van biobeton opstellen.

...de voordelen benoemen van de verschillende soorten beton.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd?

Vond je dit een leuke les? Dan is één van de volgende vervolgopleidingen misschien iets voor jou. 

Chemische Technologie (HBO)

Chemische Technologie

Molecular Science & Technology (WO)

Molecular Science & Technology (MST)

Architecture, Urbanism & Building Sciences (WO)

Architecture, Urbanism & Building Sciences

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Klik hier om naar de vragenlijst voor leerlingen te gaan

Link naar vragenlijst voor leerlingen: 

ut.onl/leerling4tu 

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Vragenlijst voor docenten

ut.onl/docent4tu

Link naar vragenlijst voor docenten:

ut.onl/docent4tu

Les 1. Wat is creativiteit?

Check www.4tuschools.nl voor meer inspirerende lessen!

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd op de gastles Bio-beton: Repareren met bacteriën. https://www.tudelft.nl/docenten-en-decanen-oud/met-de-klas/gastlessen/overzicht-alle-gastlessen 

Bronnen