Kan vi lita på att järnbron håller?

PROFILES-studiematerial - Översikt
Kan vi lita på att järnbron håller?
Naturvetenskap - Kemi – årskurs 7-9
Utvecklare:
Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013)
http://www.uef.fi/profiles
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,
http://www.flickr.com, Paul Hocksenar.
Project funded within the EC FP7 Programme: 5.2.2.1 – SiS-2010-2.2.1
Grant Agreement No.:266589
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
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.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
2/12
PROFILES-studiematerial – Lärarhandledning
Kan vi lita på att järnbron håller?
Naturvetenskap - Kemi – årskurs 7-9
Utvecklare:
Maarit Maksimainen, Sammon koulu (2013)
http://www.uef.fi/profiles
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.
.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
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...)
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
4/12
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
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
5/12
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.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
6/12
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.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
7/12
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.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
8/12
Bedömning
Grunderna för bedömning
Elev
Bedömning: Utmärkt (U)/God(G)
/ Försvarlig (F)
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
- 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
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
9/12
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.
.
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
10/12
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?
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
11/12
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?
Utvecklare: Maarit Maksimainen; Redaktör: Ilpo Jäppinen
UEF-PROFILES -työryhmä (2011), www.profiles-projects.eu, www.uef.fi/profiles
12/12