2.04 Haloformová reakce. Projekt Trojlístek

Transkript

1 2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.04 Haloformová reakce. Projekt úroveň 1 2 3

2 1. Předmět výuky Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu Chemie. Chemie 2. Cílová skupina Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) smiletá gymnázia (tercie a kvarta) 3. Abstrakt Určité typy ketonů, konkrétně alkyl(methyl)ketony nebo aryl(methyl)ketony, poskytují s halogeny v alkalickém prostředí odpovídající haloformy, které se vyloučí jako nemísitelná kapalina nebo nerozpustná sraženina. Jejich přítomnost lze prokázat rovněž čichovou zkouškou nebo ev. změnou zabarvení. Vzniká haloform s typickou čichovou stopou. 4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda (příprava roztoků, (ne)rozpustnost, (ne)mísitelnost, zahřívání, vizuální ev. čichová kontrola experimentů). Mezi okruhy zájmu patří problematika organických sloučenin a jejich reakcí, důkazové a syntetické reakce. Co mají žáci znát: roztoky; organické sloučeniny; chemické reakce. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu prohloubí rozvoj zručnosti nezbytné pro provádění badatelské činnosti. Přispěje k poznání některých anorganických a organických sloučenin, pochopení problematiky přípravy roztoků rozpustných solí, problematiky vzájemné mísitelnosti nebo nemísitelnosti kapalin, problematiky srážení nerozpustných látek. Realizace chemické reakce v reálném čase ilustruje možný způsob provedení chemické reakce doprovázené změnami vlastností látek, jako jsou vylučování z roztoku ve formě nemísitelné kapaliny nebo nerozpustné pevné látky, sraženiny. Ilustrativní je rovněž možnost vizuální kontroly průběhu chemické reakce, popřípadě i čichové zkoušky výsledků chemické reakce. Co se žáci dozví: Co je chemický prvek. Co je organická sloučenina. Rozpouštění a srážení. Provedení chemické reakce. Vizuální kontrola reakce. Čichová kontrola reakce. 2

3 Reakce v laboratorním měřítku demonstruje vizuálně i čichově snadno kontrolovanou chemickou reakci organické sloučeniny používanou často k identifikaci i při syntéze. Využívá známé nebo i běžně dostupné chemické látky. 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 Hydroxid sodný NaH Aceton CH 3 CCH 3 Jod I 2 DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 100 ml Skleněná tyčinka Laboratorní lžička Laboratorní váhy Zkumavka Pipeta 2 ml Pipetovací balónek Střička s acetonem 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. ČASY: 10 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace pokusu probíhá v reálném čase a ve velmi krátké době, změny v reakční směsi jsou okamžitě vizuálně pozorovatelné. Časy: Realizaci jednoho experimentu (vlastní chemické reakce) odhadujeme na 10 minut. 10 minut 3

4 8. Laboratorní postup Do zkumavky navážíme 1 g jodu I 2 a rozpustíme jej ve 2 ml acetonu CH 3 CCH 3. Do roztoku pak za intenzivního míchání přidáváme pomalu a po kapkách 10% roztok hydroxidu sodného NaH. Roztok náhle postupně ztrácí sytě hnědé zbarvení a vylučuje se žlutá sraženina jodoformu CHI 3 suspendovaná ve žlutém roztoku. Úspěšné provedení pokusu závisí na dodržování množství chemikálií. Je nutné přesně odměřit uvedené množství jodu a následně acetonu, při použití většího množství acetonu (asi 3 ml a více) se jodoform nevyloučí, zůstává rozpuštěný v roztoku. Roztok hydroxidu je třeba přidávat po kapkách, celková spotřeba je asi 2 3 ml. Nadměrné množství hydroxidu není vhodné. Hurá! Vylučuje se páchnoucí jodoform! 9. Princip experimentu Liebenova haloformová reakce je založena na rozkladu určitého typu ketonu, konkrétně alkyl(methyl)ketonu R-C-CH 3 či aryl(methyl)ketonu Ar-C-CH 3, působením halogenu v prostředí vodného alkalického hydroxidu. Reakci můžeme realizovat s použitím chloru Cl 2, bromu Br 2 nebo jodu I 2. Výchozí keton se přeměňuje na odpovídající o uhlík kratší karboxylovou kyselinu (resp. její sůl) a současně vzniká odpovídající trihalogenmethan (tzv. haloform). Při použití chloru tedy reakce produkuje chloroform CHCl 3, s bromem bromoform CHBr 3 nebo s jodem jodoform CHI 3. Jedná se o oxidačně-redukční děj, keton se oxiduje na kyselinu a halogen se redukuje na halogenid. Poměrně složitý reakční mechanismus můžeme popsat jednoduchým souhrnným reakčním schématem, který uvádíme na příkladu použití jodu jako výchozího halogenu (Schéma 1). Keton Halogen Haloform R C CH 3 + I 2 NaH R C Na + CHI 3 Schéma 1 becně zapsaný keton ve Schématu 1 nahradíme konkrétně použitým acetonem. Realizovanou chemickou reakci tedy popisuje následující souhrnná chemická rovnice (Schéma 2). Produktem reakce je vedle zmiňovaného jodoformu také octan sodný. H 3 C C CH 3 + I 2 NaH H 3 C C Na + CHI 3 Schéma 2 4

5 Zde vznikající jodoform se vylučuje z vodného roztoku jako žlutá sraženina (jodoform je pevná látka s t.t C). Při alternativním použití chloru nebo bromu reakce produkuje chloroform resp. bromoform, oba coby kapaliny nemísitelné s vodou a s poměrně velkou hustotou (1,4799 resp. 2,8889 g.cm -3 ). Vznik odpovídajícího haloformu lze tedy kontrolovat vizuálně a opatrně také čichově, všechny tři trihalogenmethany mají totiž charakteristický zápach. Liebenova haloformová reakce je vhodným nástrojem kvalitativní organické analýzy, neboť umožňuje jednoznačně prokázat přítomnost výše uvedeného typu ketonu. Hojně se reakce používá také v organické syntéze, tedy k cílené přípravě karboxylových kyselin z odpovídajících o uhlík delších ketonů. Z mnoha příkladů jsme pro ilustraci vybrali dva. Prvním z nich je syntéza kyseliny 4-methylbenzoové, p-toluylové, z methyl(4-methylfenyl)ketonu neboli 4-methylacetofenonu s použitím bromu (Schéma 3). Druhým příkladem je syntéza kyseliny 2,2-dimethylpropanové, pivalové, z terc-butyl(methyl)ketonu neboli pinakolonu rovněž s použitím bromu (Schéma 4). Účinkující chemické látky a sloučeniny: H 2 voda NaH hydroxid sodný CH 3 CCH 3 aceton I 2 jod Kvalitativní analýza rganická syntéza Příklady využití reakce 1. NaH CH 3 C CH 3 + Br 2 2. HCl CH 3 CH + CHBr 3 Schéma 3 (CH 3 ) 3 C C CH 3 + Br 2 1. NaH (CH 3 ) 3 C CH + CHBr 3 2. H 2 S 4 Schéma Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemických látek, se způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba provést v případě poškození zdraví. Hydroxid sodný Hydroxid sodný, louh sodný, je hydroxid (alkálie) a žíravina. Jak bylo uvedeno výše a jak také vyplývá z následujících R-vět a S-vět (H-vět a P-vět), v případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. Zbytky roztoku lze likvidovat v kanalizaci, v případě většího PZR! Hydroxid (louh) sodný je žíravina! 5

6 množství po předchozí neutralizaci (např. octem). R-věty a S-věty: R35 Způsobuje těžké poleptání. S26 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. S37/39 Používejte vhodné ochranné rukavice a ochranné brýle nebo obličejový štít. S45 V případě nehody, nebo necítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomoc (je-li možno, ukažte toto označení). H-věty a P-věty: H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. P280 - Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P301+P330+P331 - PŘI PŽITÍ: Vypláchněte ústa. NEVYVLÁ- VEJTE zvracení. P303+P361+P353 - PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. pláchněte kůži vodou/osprchujte. P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání. P305+P351+P338 - PŘI ZASAŽENÍ ČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P310 kamžitě volejte TXIKLGICKÉ INFRMAČNÍ STŘEDISK nebo lékaře. P405 Skladujte uzamčené. P501 bsah/nádobu likvidujte v souladu s místními/regionálními/národními/mezinárodními předpisy. K hydroxidu sodnému není třeba přistupovat s přehnanou obavou nebo dokonce strachem. Jedná se o běžně dostupnou chemikálii. Svými vlastnostmi je příbuzný dalším volně prodejným žíravinám jako jsou uhličitan sodný Na 2 C 3 (soda) nebo hydroxid vápenatý Ca(H) 2 (hašené vápno). Ty můžeme koupit v individuální formě nebo, v případě sody, jsou obsaženy v mnoha domácích čisticích prostředcích (odpady koupelen a WC apod.). Aceton Aceton (propanon) je hojně používané rozpouštědlo. S acetonem pracujeme vždy v dobře větrané místnosti, zamezíme styku s otevřeným ohněm. V případě poškození organismu (zejména potřísnění očí) doporučujeme oplachovat vodou. Po zasažení pokožky doporučujeme rovněž oplachovat vodou a následně ošetřit krémem. Při nadýchání přemístíme poškozeného na čerstvý vzduch. 6

7 Zbytky acetonu předejte k likvidaci (sběrný dvůr, periodický svoz nebezpečného odpadu v místě bydliště apod.). R-věty a S-věty: R11 Vysoce hořlavý. R36 Dráždí oči. R66 pakovaná expozice může způsobit vysušení nebo popraskání kůže. R67 Vdechování par může způsobit ospalost a závratě. S9 Uchovávejte obal na dobře větraném místě. S16 Uchovávejte mimo dosah zdrojů zapálení - Zákaz kouření. S26 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. H-věty a P-věty: H225 - Vysoce hořlavá kapalina a páry. H319 - Způsobuje vážné podráždění očí. H336 - Může způsobit ospalost nebo závratě. P210 - Chraňte před teplem/jiskrami/otevřeným plamenem/ horkými povrchy. Zákaz kouření. P303+P361+P353 - PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. pláchněte kůži vodou/osprchujte. P370+P378 - V případě požáru: K hašení použijte práškový hasicí přístroj. P305+P351+P338 - PŘI ZASAŽENÍ ČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P337+P313 - Přetrvává-li podráždění očí: Vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P403+P233 - Skladujte na dobře větraném místě. Uchovávejte obal těsně uzavřený. P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání. Aceton je organická látka patřící do skupiny ketonů. Jedná se o čirou kapalinu charakteristického zápachu s t.v. 56 C. V individuální formě je běžně k dostání v drogeriích nebo prodejnách barev a laků. Rovněž je součástí různých ředidel. Jod Jod je tuhá krystalická látka. Lihový roztok jodu se používá ve zdravotnictví k dezinfekci (např. při očkování). Při potřísnění kůže, ev. očí jodem místo oplachujte vodou. R-věty a S-věty: R20/21 Zdraví škodlivý při vdechování a při styku s kůží. R50 Vysoce toxický pro vodní organismy. S23 Nevdechujte plyny/dýmy/páry/aerosoly. 7

8 S25 Zamezte styku s očima. S61 Zabraňte uvolnění do životního prostředí. H-věty a P-věty: H332 - Zdraví škodlivý při vdechování. H312 - Zdraví škodlivý při styku s kůží. H400 - Vysoce toxický pro vodní organismy. P302+P352 - PŘI STYKU S KŮŽÍ: myjte velkým množstvím vody a mýdla. P312 - Necítíte-li se dobře, volejte TXIKLGICKÉ INFRMAČNÍ STŘEDISK nebo lékaře. P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání. Jodoform Jodoform je zdraví škodlivý a dráždivý. Jeho vlastnosti definují níže uvedené rizikové věty a bezpečnostní oznámení. R-věty a S-věty: R20/21/22 Zdraví škodlivý při vdechování, styku s kůží a při požití. R36/37/38 Dráždí oči, dýchací orgány a kůži. S26 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. S36/37 Používejte vhodný ochranný oděv a ochranné rukavice. H-věty a P-věty: H302 + H312 + H332 Zdraví škodlivý při požití, při styku s kůží a při vdechování. H315 Dráždí kůži. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest. P261 Zamezte vdechování prachu. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv. P305 + P351 + P338 PŘI ZASAŽENÍ ČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. Reakční směs Reakční směs po ukončení pokusu obsahuje nebo může obsahovat všechny výše uvedené chemické látky. Proto je třeba zohlednit odpovídající rizikovost a dodržovat zmíněná bezpečnostní oznámení i pro tuto reakční směs. Směs shromažďujte v uzavřeném tmavém obalu a na dobře větraném místě a předejte ji k likvidaci (sběrný dvůr, periodický svoz nebezpečného odpadu v místě bydliště, likvidační firma apod.). Co s reakční směsí? 8

9 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je snadný a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou spotřebou chemikálií. Individuální provedení pokusu jednotlivými žáky doporučujeme v případě vyšší úrovně laboratorních zkušeností a zručnosti žáků. Úspěšná realizace pokusu do značné míry závisí také na dodržování množství použitých chemikálií. Pokud roste teplota reakční směsi, je nutno ji chladit. Reakční směs shromažďujeme v zásobní lahvi na odpady, použitou zkumavku vypláchneme acetonem. Reakci můžeme realizovat také v malé Erlenmayerově baňce (např. 50 ml). Je nutno trvat na důsledném dodržování zásad bezpečné práce! Pracujeme v dobře větrané místnosti ev. použijeme digestoř. 12. Přínos Pokus představuje snadno realizovatelnou demonstraci reakce organické látky, zde ketonu, která umožňuje jednoduchou vizuální kontrolu, a přítomnost jednoho ze vznikajících produktů lze prokázat čichovou zkouškou. Experiment představuje účinný nástroj pro doplnění teoretické výuky v oblasti organické chemie. Je zároveň příkladem oxidačně-redukčního děje, kterému podléhá organická sloučenina. V organické laboratoři nachází reakce využití při syntéze karboxylových kyselin. Je také jedinečnou možností selektivně identifikovat existenci výše uvedeného typu ketonu (viz. kap. 9). 9

10 13. Fotografie Počáteční a finální stav, eventuálně i průběh experimentu, můžeme dokumentovat pořízením fotografií. br. 1 br. 2 Jod ve zkumavce Jod rozpuštěný v acetonu br. 3 br. 4 Sráží se jodoform Vysrážený jodoform Doba realizace pokusu je poměrně krátká, takže její průběh můžeme zaznamenat i krátkou videosekvencí. 10