ATRAKTIVNÍ CHEMICKÉ EXPERIMENTY

Transkript

1 PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ CZ.1.07/1.1.30/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. ATRAKTIVNÍ CHEMICKÉ EXPERIMENTY PaedDr. Vladimír Sirotek, CSc. Mgr. Jitka Štrofová, Ph.D.

2 1 ÚVOD Nedílnou součástí chemie je experimentální činnost, která má své nezastupitelné místo i ve výuce. Pokusy je možné zařadit do jakékoliv fáze výuky motivace k učení, osvojování nového učiva, procvičování a opakování, ověřování výsledků výuky. Velmi důležitou roli hrají experimenty při motivaci žáků. Pro tyto účely je vhodné vybrat experimenty spolehlivé, nenáročné na přípravu a provedení, doprovázené výraznými změnami. Samozřejmostí musí být bezpečnost, a to i případě, kdy experimenty provádí sám učitel. Hlavním cílem této přednášky je představit žákům chemii z té přívětivější strany a přesvědčit je o tom, že chemie nejsou jen vzorce, rovnice a spousta teorie, ale že může být také zábavná. Jádrem přednášky je demonstrace experimentů. Komentář a vysvětlení jednotlivých pokusů je možné snadno přizpůsobit věku a znalostem žáků. Experimenty, které jsme vybrali, jsou doprovázené výraznými barevnými, světelnými a zvukovými efekty. 2 BAREVNÉ ZMĚNY 2.1 Tříbarevný inkoust Existuje řada návodů na přípravu různých inkoustů. V tomto případě připravíme inkoust, kterým můžeme napsat text ve třech barvách. Připravíme čtyři roztoky. Samotným tříbarevným inkoustem bude roztok chloridu železitého (FeCl 3 ). Zbývajícími třemi roztoky - thiokyanatanem draselným (KSCN), hexakyanoželeznatanem draselným (K 4 [Fe(CN) 6 ], tzv. žlutá krevní sůl) a kyselinou salicylovou natřeme různé oblasti filtračního papíru a ten necháme uschnout. Všechny roztoky obsahující 0,5 hm. % rozpuštěné látky. Pokud nebudeme papír používat okamžitě, je třeba jej uchovávat na suchém a temném místě. Na takto připravený papír píšeme text štětcem, který namáčíme v roztoku chloridu železitého. Barva textu závisí na roztoku, kterým byl papír v daném místě napuštěn. Dochází k reakci železitých kationtů s jednotlivými roztoky. Reakcí Fe 3+ s thiokyanatanem draselným vzniká červenohnědé písmo, s hexakyanoželeznatanem draselným modré a s roztokem kyseliny salicylové růžovo-fialové. 2.2 Modrý roztok Základem pokusu je alkalický roztok glukosy. Ve 250 cm 3 rozpustíme 5 g hydroxidu sodného a 5 g glukosy. K tomuto roztoku přidáme několik kapek methylenové modři (alkoholický nebo vodný roztok), protřepeme a necháme stát. Modrý roztok se po chvíli odbarví, zatřepeme-li jím, modré zbarvení se obnoví. Methylenová modř může existovat ve dvou formách oxidované a redukované. Je-li methylenová modř oxidovaná, je roztok modrý, v případě redukce dochází k odbarvení. 2

3 Redukčním činidlem je alkalický roztok glukosy, vzdušný kyslík methylenovou modř naopak oxiduje. Roztok můžeme připravit do plastové láhve s uzávěrem a můžeme ho poslat žákům po lavicích. Pokud je modrá barva málo intenzívní, stačí přidat několik kapek methylenové modři. 2.3 Semafor Základ je stejný jako v případě modrého roztoku, ale místo methylenové modři přidáme několik kapek indigokarmínu (0,5% vodný roztok). Vznikne zelený roztok, který se po chvíli stání změní na žlutý. Ten lehce promícháme krouživým pohybem, zčervená. Poté jej intenzívně protřepeme a roztok zezelená. Indigokarmín se podobně jako methylenová modř redukuje alkalickým roztokem glukosy a oxiduje se vzdušným kyslíkem. Rozdíl je v tom, že oxidace probíhá ve dvou stupních. V prvním stupni je červený, ve druhém zelený. Redukovaná forma je žlutá. Celý cyklus lze několikrát opakovat. 2.4 Zeleno-modro-červené oscilace Tento experiment se řadí k oscilačním reakcím, které popsal Bělousov a Žabotinskij. Jedná se o složitý systém, v němž probíhá několik reakcí. Některé z nich probíhají současně, jiné na sebe navazují. Reakce probíhají různými rychlostmi a ustavují se mezi nimi rovnováhy. Zbarvení roztoku v určitém okamžiku záleží na tom, který z produktů převládá. Tak jak se pravidelně obnovují rovnovážné stavy, dochází k pravidelnému střídání barev roztoku. Předem připravíme 4 roztoky. Roztok A vznikne rozpuštěním 9,5 g bromičnanu draselného (KBrO 3 ) ve 250 cm 3 destilované vody, roztok B rozpuštěním 8 g kyseliny malonové (HOOC-CH 2 -COOH) a 1,75 g bromidu draselného (KBr) ve 250 cm 3 destilované vody. Roztok C připravíme tak, že ve 200 cm 3 destilované vody rozpustíme 2,65 g dusičnanu ceričito-amonného (Ce(NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 ), přidáme 37,5 cm 3 koncentrované kyseliny sírové a doplníme do 250 cm 3 destilovanou vodou. Poslední roztok D je 0,5% roztok ferroinu, který vznikne rozpuštěním 0,23 g heptahydrátu síranu železnatého (FeSO 4.7H 2 O) a 0,56 g 1,10-fenantrolinu ve 100 cm 3 destilované vody. Do baňky o objemu 1000 cm 3 odměříme 100 cm 3 roztoku A a přidáme 100 cm 3 roztoku B, roztoky A, B i vzniklý roztok jsou bezbarvé. Po chvíli přilijeme 100 cm 3 žlutého roztoku C, roztok je zprvu oranžový, po chvíli zežloutne. Žluté a oranžové zbarvení způsobují ceričité ionty. Nakonec přilijeme 6 cm 3 krvavě červeného roztoku D. Výsledný roztok je zprvu zelený, poté postupně přechází přes zelenomodrou na modrý, fialový a nakonec červený roztok. Aniž bychom roztokem míchali, barvy se ve stejném pořadí znovu a znovu opakují. 3

4 Bromičnan se redukuje a bromid oxiduje na brom, který se aduje na kyselinu malonovou. V okamžiku, kdy vzniká brom, je roztok červený až červenohnědý. Toto zbarvení zmizí v okamžiku, kdy se brom naváže na kyselinu malonovou a vznikne kyselina mono- či dibrommalonová. Jako oxidační činidlo působí ceričité ionty, ty mohou být žluté až oranžové, naopak bezbarvé cerité ionty fungují jako redukční činidlo. Katalyzátorem je červený ferroin, který obsahuje Fe 2+, ferroin se oxiduje na modrý ferrit, v němž je Fe Kouzlení s barvami K tomuto pokusu budeme potřebovat 7 kádinek o objemu cm 3, manganistan draselný (KMnO 4 ) a 6 roztoků: 30% roztok hydroxidu sodného (NaOH), 1% roztok fenolftaleinu, koncentrovanou kyselinu sírovou (H 2 SO 4 ), nasycený roztok síranu železnatého (FeSO 4 ), nasycený roztok thiokyanatanu draselného (KSCN) a nasycený roztok hexakyanoželznatanu draselného K 4 [Fe(CN) 6 ]. S výjimkou roztoku FeSO 4, který musí být vždy čerstvý, můžeme ostatní roztoky připravit předem do zásoby. Kádinky očíslujeme a postupně do nich kápneme několik kapek daného činidla, a to v následujícím pořadí: Kádinka č kapek 30% NaOH Kádinka č kapek fenolftaleinu Kádinka č kapek konc. H 2 SO 4 Kádinka č. 4 najemno rozetřený 1 krystalek KMnO 4 Kádinka č. 5 7 kapek nasyceného roztoku FeSO 4 Kádinka č kapky nasyceného roztoku KSCN Kádinka č kapky K 4 [Fe(CN) 6 ] Kádinky seřadíme do řady podle čísel a do první nalijeme cm 3 destilované vody, roztok je bezbarvý. Roztok z jedné kádinky přelijeme do následující, přičemž se změní jeho zbarvení. První roztok (NaOH) je bezbarvý, druhý je červenofialový, protože se jedná o zásaditý roztok (fenolftalein je v zásaditém prostředí růžovofialový, v kyselém bezbarvý). Ve třetí kádince se roztok odbarví, protože obsahuje koncentrovanou kyselinu sírovou a roztok je tedy kyselý. Fialová barva čtvrtého roztoku je způsobená rozpuštěním malého množství KMnO 4, který se v následující kádince odbarví. Důvodem je redukce manganistanu v kyselém prostředí na manganatou sůl, současně se Fe 2+ oxidují na Fe 3+. V kádince č. 6 dojde k reakci železitých iontů s thiokyanatanovými, vzniká krvavě červená směs komplexních thiokyanatanů [Fe(SCN) 3 ], [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+, [Fe(SCN) 6 ] 3. V poslední kádince roztok zmodrá, protože vzniká berlínská modř Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3. 4

5 2.6 Termobarvy Termobarvy jsou látky, které při změně teploty mění skokem barvu. To souvisí se schopnostmi látek absorbovat záření o různých vlnových délkách ve viditelné oblasti spektra. Příprava termobarev je sice náročná na čas a je třeba postupovat přesně podle návodu. Výhodou je, že po zatavení připravené termobarvy do skleněné trubičky ji můžeme používat opakovaně. Termobarva, kterou jsme připravili, je tetrajodortuťnatan stříbrný. Na jeho přípravu potřebujeme jodid draselný (KI), dusičnan rtuťnatý (Hg(NO 3 ) 2 ) a dusičnan stříbrný (AgNO 3 ). Nejprve v kádince o objemu 250 cm 3 rozpustíme 2,5 g Hg(NO 3 ) 2 v malém množství vody. Za míchání postupně přidáváme roztok 5 g KI ve 100 cm 3 vody. Vzniká temně červená sraženina jodidu rtuťnatého, jakmile se rozpustí na bezbarvý roztok, přestaneme KI přidávat. Pokud se část sraženiny nerozpustí, použijeme dále jen čirý roztok. K němu postupně přidáváme roztok 1,3 g AgNO 3 ve 30 cm 3 vody tak dlouho, dokud vzniká temně žlutá sraženina tetrajodortuťnatanu stříbrného Ag 2 [HgI 4 ]. Tuto sraženinu odsajeme na Büchnerově nálevce a necháme vysušit volně na vzduchu nebo v sušárně při mírně zvýšené teplotě. Vysušeným žlutým Ag 2 [HgI 4 ] naplníme na jednom konci zatavenou skleněnou trubičku a poté opatrně zatavíme i její druhý konec. Ponořením tyčinky s Ag 2 [HgI 4 ] do horké vody (alespoň 70 C) se žlutá změní na sytě oranžovou a po ochlazení ve studené vodě znovu zežloutne. Tento proces můžeme neomezeně opakovat. 2.7 Vodotrysk Tento experiment demonstruje velkou rozpustnost amoniaku ve vodě. Budeme potřebovat jednoduchou aparaturu tvořenou Erlenmeyerovou baňkou (100 cm 3 ), vysokou kádinkou (800 cm 3 ), baňkou s kulatým dnem (1000 cm 3 ) a gumovou zátkou, kterou ji uzavřeme. Zátkou je protažená skleněná trubička na konci vytažená do špičky, po uzavření baňky bude špička směřovat dovnitř. Amoniak připravíme reakcí chloridu amonného s hydroxidem sodným. NH 4 Cl + NaOH NH 3 + NaCl + H 2 O Do Erlenmeyerovy baňky nasypeme směs 7,5 g NH 4 Cl a 6 g NaOH a přelijeme malým množstvím vody (5 cm 3 ). Vznikající amoniak jímáme do baňky s kulatým dnem, kterou nasadíme na Erlenmeyerovu baňku s reakční směsí. Mezitím kádinku naplníme vodou a přidáme fenolftalein. Po skončení bouřlivé reakce baňku naplněnou amoniakem nadzdvihneme, držíme ji stále dnem vzhůru, aby z ní plyn neunikal. Rychle ji uzavřeme zátkou s trubičkou a pomoříme ji hrdlem do kádinky s vodou a fenolftaleinem. 5

6 Voda trubičkou pomalu stoupá vzhůru. Jakmile se ve vodě rozpustí první podíl amoniaku, v baňce vznikne podtlak a voda z kádinky se nasává rychleji. Vytvoří se vodotrysk. Rozpouštěním plynného amoniaku vzniká jeho vodný roztok, který je zásaditý. Proto je vodotrysk růžovofialový. Kdybychom místo fenolftaleinu použili thymolftalein, byl by vodotrysk modrý. 2.8 Chemické hodiny Tímto experimentem můžeme žákům demonstrovat vliv koncentrace na rychlost chemické reakce a také ukázat způsob, jak indikovat vznikající jod. Experiment je založen na reakci siřičitanu sodného s jodičnanem sodným, při které vzniká jodid sodný. Ten dále reaguje s jodičnanem za vzniku jodu, který barví škrob modře. 3 Na 2 SO 3 + NaIO 3 NaI + 3 Na 2 SO 4 5 NaI + NaIO H 2 SO 4 3 Na 2 SO I H 2 O Předem připravíme dva roztoky. Roztok A vznikne rozpuštěním 1 g siřičitanu sodného v 500 cm 3 destilované vody. Roztok B připravíme rozpuštěním 1 g škrobu v malém množství studené vody a ten rozmícháme ve 250 cm 3 horké vody. Roztok ochladíme, přelijeme do odměrné baňky o objemu 500 cm 3. Přidáme 0,1 g siřičitanu sodného, přilijeme 2,5 cm 3 kyseliny sírové o koncentraci 6 mol dm 3 a doplníme destilovanou vodou po rysku. Roztok A naředíme do 5 Erlenmeyerových baněk se širokým hrdlem (100 cm 3 ) a roztok B do 5 malých kádinek (50 cm 3 ). Poměr zásobního roztoku (A nebo B) a vody je uveden v následující tabulce. Ředění roztoků Číslo baňky Zásobní roztok (cm 3 ) Voda (cm 3 ) Poslední fáze pokusu spočívá ve slití sobě odpovídajících roztoků A a B ve stejném časovém okamžiku. Na to potřebujeme pět asistentů, kteří přelijí roztok z kádinek do baněk. Jakmile proběhnou výše popsané reakce, roztok zmodrá. Postupné zbarvování roztoků podle klesající koncentrace můžeme připodobnit k tikání hodin. 3 OHEŇ 3.1 Sopka Dichroman amonný (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 se teplem rozkládá na oxid chromitý Cr 2 O 3, dusík N 2 a vodu. 6

7 Na trojnožku položíme síťku s keramickým středem a na ní nasypeme hromádku (1-2 lžičky) dichromanu amonného, který zapálíme hořící špejlí. Dichroman se začne rozkládat, přičemž z původně oranžového (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 na síťce zůstává šedozelený, velmi jemný Cr 2 O 3. Protože je velmi lehký, je nadnášen vzhůru vznikajícím dusíkem, který je lehčí než vzduch. Uprostřed hromádky zeleného oxidu chromitého vzniká kráter a z něj se chrlí sopečný popel. Probíhající děj můžeme vyjádřit rovnicí (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) Cr 2 O 3 (s) + N 2 (g) + 4 H 2 O (g) 3.2 Faraonův had Pokus můžeme provést ve dvou variantách. V obou je základem směs na faraonova hada tvořená směsí cukru a jedlé sody v poměru 9:1. Můžeme použít moučkový cukr nebo krystalový předem rozetřít najemno. Směs cukru a sody důkladně promícháme, nejlépe přesypáváním na papíře. Had potřebuje k vylíhnutí teplé hnízdo. To můžeme připravit dvěma způsoby. V první variantě jej tvoří porcelánová miska, do které nasypeme oxid chromitý (můžeme využít z předchozího pokusu 3.1), uprostřed vyhloubíme důlek a do něj nasypeme směs cukru a jedlé sody. Poté na oxid chromitý nalijeme ethanol (15-20 cm 3 ) a zapálíme hořící špejlí. Po chvíli hoření začne v misce vyrůstat had. Ve druhé variantě místo oxidu chromitého a lihu použijeme tuhý podpalovač Hexa. Dvě kostky podpalovače rozetřeme najemno, navršíme na nehořlavou podložku (cihla, dlaždice), uprostřed vyhloubíme důlek, do něj nasypeme směs na hada a zapálíme. Stejně jako v první variantě se po chvíli z hromádky začne líhnout had. Jedlá soda (NaHCO 3 ) se teplem rozkládá, vzniká oxid uhličitý, který vytlačuje tělo hada. To je tvořeno uhlíkem vznikajícím při spalování cukru. 3.3 Hořící bankovka Připravíme směs ethanolu a vody v poměru 1:1. V ní namočíme bankovku, kleštěmi ji vyndáme a zapálíme. Bankovka hoří, ale neshoří. Hoří jen páry ethanolu, zatímco voda zabrání vznícení bankovky. Pokus je velmi jednoduchý a rychlý. Pozor musíme dávat při práci s hořlavinami, hrozí nebezpečí požáru. Směs vody a ethanolu nesmí být v blízkosti otevřeného plamene a po vyjmutí bankovky nádobu s lihovým roztokem okamžitě uzavřeme. Bankovku při zapalování držíme v kleštích, nikdy ne v ruce! 3.4 Ohnivá koule Z plechu o rozměru 60x10 cm nebo z několika vrstev silného alobalu zhotovíme žlábek, který upevníme šikmo do stojanu. Spodní část žlábku by měla sahat těsně nad hořící 7

8 svíčku. Z náplně do zapalovačů, která může obsahovat samotný butan nebo jeho směs s propanem, odpustíme do zkumavky 1 2 cm 3 stlačeného plynu. V náplni je butan nebo propan-butan pod vysokým tlakem, proto je kapalný. V okamžiku, kdy jej přepustíme do zkumavky, se tlak vyrovná vnějšímu tlaku. Následkem snížení tlaku začne kapalina ve zkumavce vřít při nízké teplotě ( 10 až 15 C). Butan ze zkumavky přelijeme do větší kádinky ( cm 3 ) a až se vypaří, lijeme ho do žlábku. Páry butanu okamžitě vzplanou. Butan je těžší než vzduch, proto zůstává v kádince a můžeme ho z kádinky nalít do žlábku. Protože je hořlavý, tak ve chvíli, kdy se přiblíží k plameni, vzplane. 3.5 Hořící pěna Do větší porcelánové misky napustíme vodu a přidáme saponát. Tímto roztokem necháme probublávat zemní plyn. Vzniklou pěnu zapálíme hořící špejlí přímo v misce nebo můžeme pěnu nabrat rukou a zapálit ji na dlani. Pěnu tvoří bubliny naplněné hořlavým zemním plynem. Při pokusu dbáme na bezpečnost. Ruku s pěnou zdola osušíme a natáhneme ji, aby plameny nezasáhly obličej. 3.6 Zapalování vodou Látky je možné zapálit nejen otevřeným plamenem, ale v některých případech i vodou. Zapalovat budeme směs práškového hliníku s jodem. Nejprve rozetřeme najemno jod. Přesypáváním na papíře smícháme práškový hliník s jodem v poměru 1:1. Směs navršíme na nehořlavou podložku v digestoři a přikápneme trochu vody. Voda po chvíli vyvolá silně exotermickou reakci, při níž se uvolňuje velké množství tepla. To vede k sublimaci jodu, který se ze směsi valí jako hustý fialový dým. Dalším produktem reakce je jodid hlinitý, který zůstává na podložce v podobě šedobílého prášku. Jod stejně jako ostatní halové prvky je jedovatý. Proto musíme pokus provádět v digestoři nebo na otevřeném prostranství. 4 ZVUKOVÉ EFEKTY 4.1 Létající plechovka Nejprve si připravíme plechovku, nejlépe hliníkovou od nápojů (0,33 dm 3 ). Uprostřed dna vyvrtáme asi 5 mm otvor. Do Erlenmeyerovy baňky (200cm 3 ) vhodíme několik granulí zinku a přelijeme zředěnou kyselinou chlorovodíkovou (1:1). Baňku rychle přiklopíme připravenou plechovkou, otvor ucpeme prstem. Reakcí zinku s kyselinou chlorovodíkovou vzniká chlorid zinečnatý a vodík. Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 8

9 Ten je lehčí než vzduch, stoupá vzhůru a hromadí se v plechovce. Pokud si myslíme, že množství vodíku v plechovce je dostatečné, opatrně ji sejmeme z baňky, stále ji držíme obrácenou dnem vzhůru a postavíme ji šikmo přes špejli položenou na stole. K otvoru ve dně plechovky přiblížíme hořící špejli. Pokud je celá plechovka naplněná pouze vodíkem, ten začne hořet nesvítivým plamenem. Teprve v okamžiku, kdy se do plechovky zdola nasaje vzduch a vytvoří se výbušná směs vodíku se vzduchem, skočí plamen dovnitř a ozve se silný výbuch. Dojde k prudké reakci vodíku s kyslíkem. Reakce je silně exotermická, vzniká vodní pára a jejím tlakem je plechovka prudce vymrštěna vzhůru. V případě, že v plechovce zůstala při jejím plnění vodíkem i část vzduchu, ozve se výbuch ihned po přiblížení hořící špejle. 4.2 Bručící medvídek Na závěr předvedeme pokus s želatinovými bonbony. Do širší zkumavky nasypeme trochu chlorečnanu draselného, zkumavku upevníme svisle do stojanu a pod ni postavíme misku s pískem. Chlorečnan zahříváme tak dlouho, dokud se všechen neroztaví. Do taveniny chlorečnanu vhodíme gumového medvídka (držíme ho v kleštích). Chlorečnan draselný je silné oxidační činidlo. Želatinové bonbony obsahují velké množství cukru, který se oxiduje kyslíkem uvolněným z chlorečnanu draselného. Silně exotermická reakce je doprovázena světelnými a zvukovými efekty. Při práci s chlorečnanem dbáme na bezpečnost. Zkumavku s roztaveným chlorečnanem dáme do bezpečné vzdálenosti od přihlížejících, aby je nemohla zasáhnout reakční směs, která někdy ze zkumavky vyletí. 5 ZÁVĚR Tento materiál tvoří doprovodný text k demonstracím vybraných experimentů. Záměrně jsme jej nedoplňovali obrázky, protože jejím těžištěm je provedení všech popsaných pokusů v přímém přenosu. Sebelépe zpracované a natočené video nemůže nahradit možnost vidět chemické pokusy na vlastní oči, protože při sledování reálných experimentů se zapojují všechny smysly. Nezanedbatelným přínosem pro žáky je také možnost vidět, jak použité látky ve skutečnosti vypadají a jak se s nimi zachází, včetně informací o bezpečném zacházení s vybranými látkami a možných rizicích při práci s nimi. LITERATURA 1. Richtr, V., in: Chemie XIV (Sborník Pedagogické fakulty ZČU v Plzni), str. 65. Pedagogická fakulta ZČU, Plzeň Richtr, V., Kraitr, M., in: Chemie XV (Sborník Pedagogické fakulty ZČU v Plzni), str. 33. Pedagogická fakulta ZČU, Plzeň

10 3. Richtr, V., Kraitr, M.,Štrofová, J., in: Chemie XVI (Sborník Pedagogické fakulty ZČU v Plzni), str. 49. Pedagogická fakulta ZČU, Plzeň Richtr, V., Kraitr, M.,Štrofová, J., in: Chemie XVIII (sborník katedry chemie), str. 69. ZČU, Plzeň Richtr, V., Štrofová, J., Kraitr, M., in: Chemie XXII (sborník katedry chemie), str. 65. ZČU, Plzeň Beneš, P., Macháčková, J.: 200 chemických pokusů. Mladá fronta, Praha Kontakt: PaedDr. Vladimír Sirotek, CSc., Mgr. Jitka Štrofová, PhD. Katedra chemie FPE ZČU Veleslavínova 42, Plzeň Telefon: sirotek@kch.zcu.cz strofova@kch.zcu.cz 10