Kun je een fietsenstalling bouwen met chemie? - Les 1

• 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 deze les 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 de tweede les uit de lessenserie 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 eerste les uit een lessenserie, bestaande uit twee lessen. Neem beide lessen van te voren even door.
• Zorg voor een laptop voor elke leerling.
• Vraag de leerlingen onderweg naar school op te letten waar zij beton tegenkomen.

Leerdoelen/vaardigheden

• De leerling kan beschrijven wat een hydraat is.
• De leerling kan op zowel macro- als microniveau beschrijven hoe beton wordt gevormd.
• De leerling kan uitleggen wat een composiet is.
• De leerling kan beschrijven wat gewapend beton is.
• De leerling kan een redoxreactie opstellen.

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 cement, beton en reactievergelijkingen

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. Geef de leerlingen voorafgaand aan de les de opdracht om onderweg naar school te kijken waar zij beton zien. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

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

...kun je beschrijven wat een hydraat is.

...kun je uitleggen wat een composiet is.

...kun je beschrijven wat gewapend beton is.

...kun je de reactievergelijking van betonrot opstellen.

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. 

De ontwerpopdracht komt aan bod in de tweede les van deze reeks, maar wordt hier alvast toegelicht om het doel van deze lessenserie te presenteren.

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?

Waar kwam jij beton tegen vandaag?

Geef de leerlingen voorafgaand aan deze les de opdracht om onderweg naar school goed op te letten waar zij beton tegen komen. 

Om een goed ontwerp te kunnen maken, moet je eerst op onderzoek uit gaan. Je kijkt hoe dingen werken en doet nieuwe ideeën op uit de omgeving. Daarom een open vraag: waar ben jij vandaag beton tegen gekomen? 

Een vervolgvraag hierop zou nog kunnen zijn: wat viel je op?

Les 1. Wat is creativiteit?

Beton kom je tegen...

in gebouwen

in tunnels

in riolering

bij spoorwegen

als complexe vormen

Beton speelt een grote rol in de fundering van gebouwen en constructies en binnen de riolering. Met beton zijn ook bepaalde vormen mogelijk, die met andere materialen niet haalbaar of niet sterk genoeg zouden zijn. 

Wat klopt er over beton?

Sleep de eigenschappen die bij beton horen naar het groene vak:

Dit hoort bij beton

Druk-bestendig

Flexibel

CO₂-uitstoot bij productie

Lage dichtheid

Vloeibaar in beginstadium

Brandwerend

Versterken met bewapening

Hoge isolatiewaarde

Transparant

Goed beton heeft een aantal kwaliteiten:

1. Het is drukbestendig. Als het beton niet goed druk aan zou kunnen door het gelijkmatig te verdelen dan zou de levensduur en veiligheid van constructies gecomprimeerd worden.
2. Beton heeft een relatief hoge CO₂ uitstoot bij productie. Dit heeft te maken met de productie van cement. Verderop in de les wordt hier dieper op in gegaan.
3. Beton is vloeibaar in een beginstadium. Dit heeft belangrijke voordelen zoals de mogelijkheid om het in vormen te gieten die met reguliere bouwconstructies (bijna) onmogelijk zijn. De reden dat beton uithardt heeft te maken met de chemische reactie die verderop in de les aan bod komt.
4. Beton is brandwerend, het smelt niet en heeft een hele hoge hitte-tolerantie en een lage mate van hittegeleiding. 
5. Beton wordt regelmatig versterkt met bewapening. Dit komt omdat beton sterk is tegen drukkrachten maar zwak is tegen trekkrachten. Waarbij staal juist sterk is tegen trekkrachten en daarbij ook buigzaam en flexibel is waardoor het gemakkelijk te verwerken is in constructies om beton te gieten.

Les 1. Wat is creativiteit?

Voordelen van beton

Beton is een van de meest gebruikte bouwmaterialen:

10 miljard ton per jaar - wereldwijd

Lage kosten 

Beschikbaarheid grondstoffen

Kan in bijna elke vorm gegoten worden

Stevig

Waarom is beton een van de meest gebruikte bouwmaterialen ter wereld?

Beton is al decennialang het bouwmateriaal bij uitstek voor talloze constructies zoals gebouwen, bruggen en dammen. Een van de belangrijkste redenen hiervoor is de veelzijdigheid en duurzaamheid van beton. Het bestaat voornamelijk uit cement, zand, grind en water, en kan in bijna elke vorm gegoten worden voordat het uithardt tot een stevige, duurzame massa. Beton is bestand tegen druk, weer en wind, en het heeft een lange levensduur, waardoor het ideaal is voor allerlei infrastructuurprojecten.

Met een jaarlijkse productie van ongeveer 10 miljard ton wereldwijd is beton het meest gebruikte bouwmateriaal op aarde. Dit enorme gebruik is te danken aan de relatief lage kosten en de beschikbaarheid van de grondstoffen die nodig zijn om het te maken. Bovendien kan beton worden versterkt met staal, waardoor het nog sterker wordt en geschikt is voor zware constructies zoals wolkenkrabbers en bruggen.

Les 1. Wat is creativiteit?

cement                   betonzand                       grind                        water

Om beton te kunnen maken, moet je de volgende onderdelen met elkaar mengen:

Hoe maak je beton?

Les 1. Wat is creativiteit?

Inzoomen op cement

Cement is een fijn poeder dat wordt gemaakt door kalksteen (CaCO3) te verhitten. Bij deze reactie komt ongebluste kalk (CaO) en koolstofdioxide (CO2) vrij. 

Geef op de volgende slide de ontledingsreactie van kalksteen. 

Voordat beton gemaakt kan worden, moet er eerst cement gemaakt worden. Daarom wordt er eerst ingezoomd op cement. Vanaf deze slide wordt stap voor stap uitgelegd hoe cement gemaakt wordt. 

Opdracht

Geef de ontledingsreactie van kalksteen (CaCO3).

Antwoord:

CaCO₃ --(warmte)--> CaO + CO₂

Vraag

Is de ontledingsreactie van kalksteen endotherm of exotherm?

Endotherm

Exotherm

Geen van beide

Antwoord:

De reactie is endotherm, want de reactie vindt pas plaats wanneer er warmte wordt toegevoegd. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Inzoomen op cement

Vervolgens wordt de ongebluste kalk (CaO) samen met klei verhit in een cementoven. Hieruit ontstaat klinkermateriaal. Dit klinkermateriaal bestaat uit zouten, zoals:

• tricalciumsilicaat
• dicalciumsilicaat
• tricalciumaluminaat
• calciumaluminoferriet

Tot slot wordt het klinkermateriaal vermalen en gemengd met gips. Het eindproduct hiervan noemen we cement.

Opdracht

Kies twee zouten uit die voorkomen in cement (tricalciumsilicaat, dicalciumsilicaat, tricalciumaluminaat en calciumaluminoferriet) en geef hiervan de formule.

Antwoord:

tricalciumsilicaat = Ca₃SiO₅

dicalciumsilicaat = Ca₂SiO₄

tricalciumaluminaat = Ca₃Al₂O₆

calciumaluminoferriet = Ca₄Al₂Fe₂O₁₀

Het antwoord is te vinden met behulp van BiNaS tabel 66B.

Bij deze vraag kan ook in tweetallen gewerkt worden. De ene leerling zoekt de formule op van twee zouten met behulp van Binas en de andere leerling zoekt de andere twee zouten op.

Les 1. Wat is creativiteit?

Van cement naar beton

Door cement te mengen met zand, grind en water ontstaat een nat mengsel dat uithardt tot beton. Dit uitharden heet hydratatie. Beton droogt dus niet, maar er vindt een chemische reactie plaats.

Op macroniveau reageert water met cement. Op microniveau betekent dit dat watermoleculen worden ingebouwd in het ionrooster van de zouten in het cement. Daarbij ontstaan hydraten. Deze hydraten vormen vervolgens een netwerk, waarbij zand en grind worden ingebouwd, wat het beton versterkt.

Hydraat

Een hydraat is een stof waarin watermoleculen zijn ingebouwd in het kristalrooster van een zout. Wanneer een hydraat wordt verhit, komt het kristalwater weer vrij en verandert de hydraat weer in een zout. 

Een hydraat is een stof waarin watermoleculen zijn ingebouwd in het kristalrooster van een zout. Wanneer een hydraat wordt verhit, komt het kristalwater weer vrij en verandert de hydraat weer in een zout. 

Vraag

Waarom moet het beton (bij warm weer) tijdens het uitharden goed nat gehouden worden?

1. Zodat de zand en grind deeltjes niet wegzakken
2. Zodat er voldoende hydraten gevormd kunnen worden, waardoor het beton sterk wordt
3. Omdat het water het beton afkoelt, waardoor het beton uithard
4. Omdat verdamping van het water de structuur van beton verbetert

Antwoord: B

Wanneer water met cement reageert, ontstaan er hydraten en hardt het beton uit. Er moet dus genoeg water aanwezig zijn om met alle cement deeltjes te kunnen reageren. Wanneer het warm weer is, verdampt er ook een gedeelte van het water. Daarom moet het beton voortdurend nat gehouden worden, totdat het volledig uitgehard is. 

Vraag

Wat kan een gevolg zijn van te veel water gebruiken tijdens het uitharden van beton?

1. Het water en cement reageren dan niet met het grind en zand
2. Het beton hardt alleen aan de buitenkant uit, maar blijft van binnen zacht
3. Het beton hardt te snel uit en breekt in stukjes
4. Het overtollige water verdampt en laat holtes (poriën) achter in het beton

Antwoord: D

Wanneer er teveel water wordt toevoegd aan het beton, kan er ook water worden opgeslagen in beton zelf, zonder dat het hydraten vormt. Wanneer dit water vervolgens verdampt, ontstaan er poriën in het beton. Hierdoor wordt het beton poreus en heeft het meer kans om te gaan scheuren.

Les 1. Wat is creativiteit?

Beton versterken

Beton kan versterkt worden met een ijzeren hekwerk. Het beton wordt dan gewapend beton genoemd en is daarmee een composiet.

Metaal kan goed tegen trekkracht, maar vervormt bij drukspanning. Beton kan tegen hoge drukspanning, maar breekt bij te veel trekkracht. Door beton en metaal met elkaar te combineren worden beide materiaaleigenschappen verbeterd.

Composiet

Een composiet is een materiaal dat bestaat uit twee of meer verschillende stoffen die samen een nieuw materiaal vormen met betere eigenschappen dan originele stoffen.

Een composiet is een materiaal dat bestaat uit twee of meer verschillende stoffen die samen een nieuw materiaal vormen met betere eigenschappen dan originele stoffen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Betonrot

De bewapening in het beton kan oxideren (roesten) wanneer het ijzer in contact komt met water en zuurstof via:

• scheurtjes in het beton
• poriewater in het beton

Geef op de volgende slide de reactie die plaatsvindt wanneer de bewapening in het beton gaat oxideren.

Opdracht

Geef de kloppende reactie die plaatsvindt wanneer de bewapening in het beton oxideert. 

Antwoord:

4Fe+3O₂​+6H₂​O→4Fe(OH)₃​

Les 1. Wat is creativiteit?

Gefeliciteerd!

Nu kun je...

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

...beschrijven wat een hydraat is.

...uitleggen wat een composiet is.

...beschrijven wat gewapend beton is.

...de reactievergelijking van betonrot opstellen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Volgende les

In de volgende les ga je aan de slag met...

...wat het zelfhelende karakter van beton is.

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

...het ontwerp van de nieuwe fietsenstalling.

Les 1. Wat is creativiteit?

Civiele Techniek (WO)

Civiele Techniek

Applied Science (HBO)

Applied Science

Geïnspireerd?

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

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