1.05 Chladicí směsi. Projekt Trojlístek

Transkript

1 1. Chemie a společnost 1.05 Chladicí směsi. 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) Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta) 3. Abstrakt Chladicí směsi jsou obvykle směsi ledu a nějaké soli, např. chloridu sodného, chloridu vápenatého, dusičnanu sodného apod. Tyto směsi při svém vzniku snižují svou teplotu, někdy i na velmi nízkou (např. -55 C). Tyto směsi mají také velmi nízkou teplotu tuhnutí (např. směs led - chlorid sodný, může být kapalná až do -20 C). Jevu chladicích směsí se využívá také v běžném životě. Aby led na silnici roztál, sypou na něj silničáři sůl. 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. Mezi okruhy zájmu patří problematika nerostných surovin, složení vzduchu, chemických látek a jejich směsí, chemických reakcí, anorganických sloučenin. Co mají žáci znát: nerostné suroviny; voda; chemické látky, směsi; skupenství látek; anorganické sloučeniny. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení rozpouštěcích tepel a chladicích směsí. Ověřené experimentální dovednosti a získané znalosti ohledně typů směsí (roztok, suspenze) a způsobů jejich přípravy (rozpouštění) nebo dělení (filtrace, krystalizace, usazování) jsou přenositelné do každodenních okamžiků běžného života. Realizace rozpouštění ledu v reálném čase ilustruje způsoby přeměny tuhého skupenství na kapalné doprovázené změnou teploty. Co se žáci dozví: Co je a jak vypadá chemická látka. Jak připraví směsi. Rozpouštění, vlivy. Chladicí směsi. Provedení chemické reakce. Výskyt a použití soli (NaCl). Koroze a ekologie. 2

3 Neopomenutelný je praktický dopad realizovaného experimentu, který v laboratorním měřítku demonstruje klíčový děj probíhající při procesu rozpouštění ledu a prevencí vzniku náledí. 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Led H 2 O Chlorid sodný (kuchyňská sůl) NaCl 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Malá plechovka s rovným dnem Dřevěná podložka Lžička Venkovní teploměr Hadr Kladívko DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 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 nachystání všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 15 minut. ČASY: 15 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase a ve velmi krátké době, změny teploty v chladicí směsi jsou okamžitě pozorovatelné na teploměru. Časy: Realizaci jednoho experimentu odhadujeme na 20 minut. 20 minut 3

4 8. Laboratorní postup Led zabalíme do hadru a na podlaze, na dřevěné podložce, jej roztlučeme pomocí kladiva na jemnou tříšť. Na podložku nalijeme trochu vody, a postavíme na ni plechovku. Do plechovky dáme rozdrcený led a přidáme sůl. Poměr ledu k soli by měl být přibližně 3:1. Následně vložíme teploměr do směsi a změříme teplotu. Jednou rukou přitlačíme plechovku k podložce a druhou rukou, asi minutu mícháme směs lžičkou. Sledujeme změny teploty směsi a asi za 3 5 minut se pokusíme oddělit plechovku od podložky. Účinkující chemické sloučeniny: H 2 O voda; NaCl chlorid sodný (kuchyňská sůl). 9. Princip experimentu Rozpouštění látek je obecně provázeno pohlcováním nebo uvolňováním tepla, takže roztok má jiný obsah energie než rozpouštědlo a rozpouštěná látka dohromady. Při rozpouštění halogenovodíků, amoniaku, obecně všech plynů a dehydratovaných sloučenin, které v krystalickém stavu vytvářejí definované hydráty ve vodě, se vyvíjí teplo. Naproti tomu hydratované soli a soli, které hydráty netvoří, teplo při rozpouštění pohlcují (Tabulka 1). Tabulka 1 Chladicí směsi látka díly ledu díly soli dosažitelná teplota Na 2 CO C KCl C NH 4 Cl C NaCl C NaNO 3 + NH 4 NO C NaNO 3 + NH 4 Cl C NaNO 3 + KSCN C NaNO 3 + NH 4 SCN C CaCl 2 6H 2 O C CaCl 2 6H 2 O C Tabulka 1 4

5 10. Bezpečnost práce Vystupující látky jsou běžně používány pro přípravu jídel/potravin/pokrmů. Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce není třeba věnovat zvýšenou pozornost chemickým rizikům. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky.nabízíme následující otázky k řešení: Jaká byla teplota směsi na začátku pokusu? Jaká byla nejnižší naměřená teplota směsi? Podařilo se snadno oddělit nádobku od podložky? Proč? 12. Přínos Souvislosti prováděného experimentu s jevy každodenního života jsou nadmíru patrné a více než zjevné. Některé souvislosti již byly zmíněny v předchozím textu. Zimní posyp Posyp chodníků a vozovek se používá v zimní údržbě pozemních komunikací jako prostředek k zajištění nebo zlepšení sjízdnosti nebo schůdnosti. Posyp inertním zdrsňujícím materiálem (například pískem nebo štěrkem) slouží ke zvýšení adheze mezi pneumatikou a vozovkou nebo mezi podrážkou boty chodce a povrchem cesty na uježděném sněhu, ledovce, náledí nebo námraze. Posyp či postřik některými chemickými látkami (zejména chloridem sodným, tedy kuchyňskou solí) se používají ke snížení bodu tání vody, a tedy k rozmrazení sněhu či ledu nebo k prevenci usazování sněhu či namrzání povrchu. Kuchyňská sůl Chlorid sodný (NaCl), známý v běžném životě pod označením kuchyňská sůl a nejčastěji prostě sůl, je chemická sloučenina vyskytující se v přírodě v podobě nerostu halitu známého též pod označením sůl kamenná. Je to velmi důležitá sloučenina potřebná pro životní funkce většiny organismů. Při nahřátí plamenem se sůl dá roztavit a uvolňuje při tom chlor. Zimní posyp Kuchyňská sůl 5

6 Krystalický chlorid sodný je bezbarvý nebo bílý, průhledný, skelně lesklý a má krychlovou odlučnost. Vzhledem k velké rozpustnosti ve vodě je většina chloridu sodného přítomného na Zemi obsažena v mořské vodě. Průměrná salinita mořské vody činí přibližně 3,5 %, z nichž připadá přibližně 2,7 % na NaCl (téměř 80 % soli obsažené v mořské vodě tvoří NaCl). Extrémním příkladem vysoce salinitních vod je Mrtvé moře, kde celkový obsah solí dosahuje hodnot až 35 %, kde je však obsah NaCl k jiným solím jen 30 %. Chlorid sodný je důležitá surovina pro potravinářský a chemický průmysl. V potravinářství se kromě běžné úpravy potravin používá při konzervaci masa nasolením. V chemickém průmyslu je surovinou pro výrobu sodíku, jedlé sody, chloru, kyseliny chlorovodíkové, hydroxidu sodného a mnoha dalších sloučenin. Jeho další využití je například v mýdlovarnictví, sklářství, metalurgii a v papírenském průmyslu či při výrobě barev. Zásadní význam má chlorid sodný v zimní údržbě komunikací. Prakticky ve všech zemích EU je naprosto převažujícím posypovým materiálem. Eutektický bod, tedy teplota, do které má sůl rozmrazovací účinek, je pro chlorid sodný ve vodném roztoku s ideální koncentrací cca 22 % asi -21 C. V praxi však není možné rovnoměrně dosáhnout ideální koncentrace, a proto hranice skutečné účinnosti leží výše; pro běžné potřeby zimního ošetřování komunikací účinkuje kuchyňská sůl do teploty zhruba -5 C, maximálně -7 C, při teplotách pod -11 C již bývá zcela neúčinná (chlorid vápenatý je velmi účinný až do -35 C, při velkých mrazech se používá zpravidla jen jako příměs chloridu sodného). Kuchyňská sůl normálně prodávaná v běžných obchodech s potravinami bývá ze zdravotních důvodů jodizovaná - je do ní přidáno malé množství jodu ve formě jodidu draselného nebo jodičnanu draselného. Je tím zabezpečeno, že v populaci nevzniká deficit jodu, který by mohl být příčinou vleklých zdravotních poruch či nemocí. Salinita mořské vody Mrtvé mořře Údržba komunikací Eutektický bod Jodizování kuchyňské soli 6

7 Stavový diagram 13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Doba realizace pokusu je dokonce natolik krátká, že její průběh můžeme zaznamenat krátkou videosekvencí. 7