Chemie Projekt Jdeme na to od lesa! Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884

Transkript

1 Sada výukových materiálů Chemie Projekt Jdeme na to od lesa! Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884 Izomerie Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Stanovení ph vodných roztoků Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)

2 CHEMIE Izomerie V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

3 CHEMIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Izomerie organických sloučenin... 4 Motivace studentů... 6 Doporučený postup řešení... 7 Materiály pro studenty... 7 Záznam dat... 7 Analýza dat... 7 Syntéza a závěr... 7 Hodnocení... 7 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 7 Pracovní návod... 8 Zadání úlohy... 8 Pomůcky... 8 Bezpečnost práce... 8 Teoretický úvod... 8 Příprava úlohy (praktická příprava)... 9 Postup práce... 9 Pracovní list (řešená učitelská varianta) Téma Úkoly Pomůcky Vypracování Závěr Pracovní list (žákovská varianta) Téma Úkoly Pomůcky Vypracování Závěr... 15

4 3 Zařazení do výuky Laboratorní cvičení je vhodné zařadit v rámci učiva o struktuře organických sloučenin. Vyučovací předměty: chemie, IVT (program ChemSketch freeware) Průřezová témata: Osobnostní a sociální výchova Spolupráce a soutěž Tip Studenti znají Chemsketch z předchozího studia. Jinak je nutné věnovat 1 vyučovací hodinu na jednoduché seznámení se základními možnostmi tohoto programu. Ve vyšších ročnících je vhodné zařadit práci s Chemsketch v biochemii (struktura nukleotidů, alkaloidů atd.) Časová náročnost Příprava laboratorní práce příprava techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pozorování (40 minut sestavování modelů pomocí stavebnice, 30 minut na Chemsketch) 2 vyučovací hodiny (45 minut) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Bezpečnost práce Nutno dodržovat zásady bezpečného používání internetu a práce na školní síti! Úvod V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery. První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil tehdejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pouze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení. V roce 1849 získal Louis Pasteur krystaly obou enantiomerů kyseliny hroznové. Konformaci jednotlivých enantiomerů zjistil pomocí měření otáčení roviny polarizovaného světla (polarimetrie). Typ experimentu: žákovský Cíle Studenti by měli zvládnout: napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek sestavit model pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně zdatné na PC) sestavit model v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D) Klíčové kompetence: kompetence k řešení problémů student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice kompetence k učení student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj CHEMIE Izomerie Materiály pro učitele

5 4 Slovníček pojmů IZOMERIE KONSTITUČNÍ IZOMERIE PROSTOROVÁ IZOMERIE Viz pracovní list (učitel) Přehled pomůcek stavebnice modelů sloučenin PC + program ChemSketch (freeware) pracovní list Teoretická příprava (teoretický úvod) V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery. První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil tehdejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pouze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení. Izomerie organických sloučenin Vlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace. Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb. Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci). CHEMIE Izomerie Materiály pro učitele Struktura je pojem nadřazený pojmům konfigurace a konstituce: Struktura = konstituce + konfigurace Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumárnímu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání atomů v molekule) nebo několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru). V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe strukturou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi. Sloučeniny, které sice mají stejný souhrnný vzorec, ale liší se strukturou a vlastnostmi svých molekul, se nazývají izomery. Protože izomery se mohou lišit buď konstitucí, nebo konfigurací svých molekul, existují dva základní typy izomerie: izomerie konstituční (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konstituci molekul) a izomerie konfigurační (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konfiguraci jejich molekul). Jsou tři konkrétní příčiny v rozdílné konstituci molekul a tedy tři konkrétní druhy konstituční izomerie. Jsou dvě konkrétní příčiny v rozdílné konfiguraci molekul a tedy dva konkrétní druhy konfigurační izomerie. 1. Konstituční izomerie: 1a) Konstituční izomerie řetězová Její příčinou je rozdílné uspořádání uhlíkových atomů v řetězci. Izomery se liší tvarem (vzhledem) uhlíkového řetězce: sloučenina 1 souhrnného vzorce C 5 H 12 má konstituci: CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 sloučenina 2 téhož souhrnného vzorce C 5 H 12 má konstituci: CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3

6 5 1b) Konstituční izomerie polohová Její příčinou je rozdílná poloha násobné vazby v řetězci nebo rozdílné umístění některého atomu nebo skupiny atomů v molekule: sloučenina 1 souhrnného vzorce C 5 H 11 Cl má konstituci: CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Cl sloučenina 2 téhož souhrnného vzorce C 5 H 11 Cl má konstituci: CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3 Cl sloučenina 3 souhrnného vzorce C 4 H 8 má konstituci: CH 3 CH=CH CH 3 sloučenina 4 rovněž souhrnného vzorce C 4 H 8 má konstituci: CH 2 =CH CH 2 CH 3 CHEMIE Izomerie Materiály pro učitele 1c) Konstituční izomerie skupinová Příčinou je přítomnost rozdílných charakteristických skupin atomů v molekulách se stejným souhrnným vzorcem: sloučenina 1 souhrnného vzorce C 2 H 6 O má konstituci: CH 3 CH 2 OH (alkohol) sloučenina 2 téhož souhrnného vzorce C 2 H 6 O má konstituci: CH 3 O CH 3 (ether) 2. Konfigurační izomerie: 2a) Konfigurační izomerie geometrická Příčinou tohoto typu izomerie je přítomnost dvojné vazby v molekule, kolem které neexistuje volná otáčivost atomů. Tím je dána možnost rozdílného prostorového rozmístění některých skupin atomů: sloučenina 1 souhrnného vzorce C 4 H 8 má konfiguraci: CH 3 CH 3 C = C H H sloučenina 2 rovněž souhrnného vzorce C 4 H 8 má konfiguraci: CH 3 H C = C H CH 3 Obě uvedené konfigurace nejsou navzájem převeditelné jedna v druhou bez zásahu do konstituce (zrušení některých chemických vazeb a vznik chemických vazeb nových). 2b) Konfigurační izomerie optická Příčinou je přítomnost uhlíkového atomu v hybridním stavu sp 3, který k sobě váže čtyři různé atomy nebo skupiny atomů. Tím je dána možnost rozdílného prostorového uspořádání těchto atomů nebo skupin atomů:

7 6 sloučenina 1 obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfiguraci: A X C Y B sloučenina 2 rovněž obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfiguraci: A Y C X CHEMIE Izomerie Materiály pro učitele B Podrobnosti o jednotlivých typech izomerie a pojmenovávání izomerů jsou uvedeny v kapitolách systematické organické chemie. Z uvedených příkladů vyplývá, že pro přesné určení konstituce nebo konfigurace (= pro přesné určení druhu izomerie a pojmenování izomeru) je nutné znát strukturní (v některých případech stačí alespoň racionální) vzorec organické sloučeniny. Konfiguraci atomů v molekule znázorňují geometrické nebo konfigurační strukturní vzorce. Čím větší jsou rozdíly v konstituci nebo konfiguraci molekul izomerů, tím větší jsou rozdíly ve fyzikálních a chemických vlastnostech izomerů. Největší rozdíly ve vlastnostech izomerů způsobuje skupinová izomerie, nejmenší rozdíly izomerie optická. Izomerie je (po schopnosti uhlíkových atomů tvořit různě dlouhé a různě složité řetězce) druhou příčinou ohromného počtu organických sloučenin. Praktické provedení Tipy Studenti již umí zacházet s programem ChemSketch. Motivace studentů Vlastnosti chemických sloučenin nejsou ovlivněné pouze jejich složením (typy a počty obsažených atomů), ale rovněž vnitřním uspořádáním těchto částic. Tuto skutečnost si vědci uvědomovali již v 19. století. V 20. století bylo zjištěno, že příroda preferuje D-izomery u monosacharidů. Obr.1: Optické izomery kyseliny mléčné Zdroj: on-the-right-side-of-chemistry/

8 7 Doporučený postup řešení 1. Napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek 2. Sestavení modelu pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně zdatné na PC) 3. Sestavení modelu v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D) Materiály pro studenty Pracovní list postup. Pro práci na PC také v elektronické podobě. Záznam dat Práce na Chemsketch. Analýza dat Porovnání jednotlivých typů izomerií. CHEMIE Izomerie Materiály pro učitele Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou. Hodnocení Sestavili studenti správně jednotlivé typy izomerií? Pojmenovali správně vzorce chemických látek? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: CHEMIE II. pro gymnázia (organická a biochemie). 2. vydání, SPN, Praha, ISBN

9 CHEMIE Izomerie Pracovní návod Zadání úlohy 1. Sestavte modely zadaných látek. 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch. Pomůcky Stavebnice modelů sloučenin PC + program ChemSketch (freeware) Bezpečnost práce Nutno dodržovat zásady bezpečného používání internetu a práce na školní síti! Teoretický úvod Vlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace. Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb. Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci). Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumárnímu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání atomů v molekule) nebo několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru). V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe strukturou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi. Izomerie není pouze chemická záležitost, ovlivňuje také naše tělo. Např. u nenasycených mastných kyselin dochází vlivem nestability k přeměně cis-izomerů (zdravý prospěšných) na trans-izomery (škodlivé). Obr.1: Geometrická izomerie mastných kyselin Zdroj:

10 9 Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem na praktickou práci je nutno si zopakovat práci s ChemSketch. Postup práce Nastavení HW a SW Stažení volně přístupného programu pro chemiky ChemSketch (freeware). Analýza naměřených dat Porovnání struktur organických sloučenin ze stavebnice a z ChemSketch. CHEMIE Izomerie Pracovní návod

11 CHEMIE Izomerie uhlovodíků Pracovní list (řešená učitelská varianta) Téma Izomerie uhlovodíků Úkoly 1. Sestavte modely zadaných látek 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch Pomůcky Počítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin Vypracování A. KONSTITUČNÍ IZOMERIE 1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C 6 H 14 hexan izohexan 2,3-dimethylbutan 3-methylpentan neohexan

12 11 1-chlorbutan 2-chlorbutan 1-chlorizobutan 2-chlor-2-methylpropan 2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C 4 H 9 Cl 1-chlorbutan 2-chlorbutan 1-chlorizobutan 2-chlor-2-methylpropan ethanol ethanol dimethylether 3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru ethanol dimethylether Vysvětlete jaký je rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou? Liší Liší se se umístním dvojné dvojné vazby. vazby. Liší se umístěním dvojné vazby. dvojná dvojná vazba vazba ketoforma enolforma aceton aceton prop-1-en-2-ol CHEMIE Izomerie Pracovní list (řešená učitelská varianta) dvojná dvojná vazba vazba B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE 1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu. Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu! trans-hex-3-en trans-hex-3-en cis-hex-3-en cis-hex-3-en 2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací. Polohy schematicky zakreslete! ethan cyklohexan zákrytová konformace židličková konformace nezákrytová konformace vaničková konformace

13 12 3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné. Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné. Značí se se hvězdičkou u chirálního uhlíku. Závěr Izomerie jev v organické chemii, kdy sloučeniny mají stejné složení (sumární vzorec), ale rozdílné struktury a vlastnosti. CHEMIE Izomerie Pracovní list (řešená učitelská varianta)

14 CHEMIE Izomerie uhlovodíků Pracovní list (žákovská varianta) Téma Izomerie uhlovodíků Úkoly 1. Sestavte modely zadaných látek 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch Pomůcky Počítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin Vypracování A. KONSTITUČNÍ IZOMERIE 1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C 6 H 14

15 14 2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C 4 H 9 Cl 3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru Vysvětlete jaký je rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou? CHEMIE Izomerie Pracovní list (žákovská varianta) B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE 1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu. Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu! 2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací. Polohy schematicky zakreslete! ethan cyklohexan

16 15 3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné. Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné. CHEMIE Izomerie Pracovní list (žákovská varianta) Závěr

17 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Neutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Milan Schleider

18 CHEMIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Motivace studentů... 4 Doporučený postup řešení... 5 Pracovní návod... 6 Zadání úlohy... 6 Pomůcky... 6 Bezpečnost práce... 7 Teoretický úvod... 7 Příprava úlohy (praktická příprava)... 7 Postup práce... 8 Pracovní list (řešená učitelská varianta) Slovníček pojmů Teoretická příprava úlohy Vizualizace naměřených dat Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa Závěr Pracovní list (žákovská varianta) Slovníček pojmů Teoretická příprava úlohy Postup práce Vizualizace naměřených dat Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa Závěr... 20

19 3 Zařazení do výuky Laboratorní cvičení je vhodné zařadit v rámci učiva obecné chemie o kyselinách a zásadách nebo také v učivu pojednávající o molárních veličinách a chemických výpočtech. Lze jej také zařadit v rámci učiva organické chemie o karboxylových kyselinách. Časová náročnost a) příprava odměrného roztoku a určení hustoty octa (45 min., pokud činnosti rozdělíme do skupin) b) titrace octu odměrným roztokem (45 min.) c) zpracování naměřených výsledků (45 min.) Pozn. 1: Časové požadavky mohou být zkráceny na 45 min., pokud ad a) vyučující připraví sám odměrný roztok a pokud ad c) studenti zpracují výsledky měření za domácí úkol. Pozn. 2: Z úsporných důvodů zde nebudu rozepisovat přípravu 0,1 M odměrného roztoku NaOH a jeho standardizaci na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové. Minimální požadavky na pomůcky Xplorer, chemický senzor PS nebo senzor pro kvalitu vody PS-2169, senzor pro počítání kapek PS-2117 Micro Stir Bar - nástavec na elektrodu s magnetickým míchadlem (dodáván se senzorem pro počítání kapek), magnetické míchadlo. Úvod Neutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy. Cíle Studenti: sestaví aparaturu pro neutralizační titraci určí spotřebu odměrného roztoku zapíši chemickou rovnici neutralizace z dané spotřeby odměrného roztoku vypočítají molární koncentraci octa vypočítají hmotnostní zlomek octa, hmotnostní procenta octa zjištěné hodnoty porovnají s údaji od výrobce (pokud výrobce na etiketě uvádí procenta objemová, je nutné při porovnání provést přepočet na hmotnostní procenta) CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Materiály pro učitele

20 4 Pozn. 3: Teoretická příprava (teoretický úvod) c 1 molární koncentrace octa V 1 daný odměřený objem octa Použitá metoda je metodou odměrné analýzy a nazýváme ji neutralizační c 2 molární koncentrace odměrného roztoku NaOH K roztoku octa o přesně známém objemu přidáváme z byrety roztok titrace. V 2 spotřeba odměrného roztoku NaOH hydroxidu sodného o přesně známé koncentraci. Zjistíme, kdy spolu obě FINAL VERZE látky reagují bezezbytku. Tento bod se nazývá bod ekvivalence a můžeme jej určit pomocí acidobazického indikátoru nebo z titrační křivky. Bod FINAL VERZE Slovníček pojmů LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ ekvivalence nám určuje spotřebu odměrného roztoku hydroxidu sodného, ze které vypočítáme molární koncentraci octa. MOLÁRNÍ KONCENTRACE 1M ROZTOK EKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ BOD EKVIVALENCE Při výpočtu musíme vyjít ze zápisu chemické rovnice. TITR (pojem z analytické chemie) TITRACE ODMĚRNÝ ROZTOK ALKALIMETRIE ACIDIMETRIE Jeden mol kyseliny octové reaguje bezezbytku s jedním molem hydroxidu sodného. Přehled pomůcek Můžeme psát: Xplorer GLX chemický senzor PS 2170 nebo senzor vodní kvality PS 2169 nebo ph senzor PS počítadlo kapek PS titrační baňka byreta magnetické míchadlo magnetické mikro míchadlo nástavec na elektrodu PS 2565 pyknometr Obsah kyseliny octové v potravinářském octu: Výrobce může na etiketě použít hmotnostní procenta, ale také objemová. Motivace studentů Často vyjadřuje složení v g/100 ml Víte, kolikaprocentní roztok kyseliny octové je ocet, který tak často používáme hotového výrobku. k dochucování salátů, nakládaných okurek nebo třeba tlačenky? Např. Bzenecký ocet (kvasný) má na Víte jaký údaj o složení a obsahu kyseliny octové v potravinářském octu etiketě uveden údaj: Obsah kyseliny octové 8g/100ml. uvádí výrobce? Toto pak vydává za 8% ocet. Viz etiketa. Pomocí neutralizační titrace to snadno zjistíme. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Materiály pro učitele

21 5 Pozn. 4: Příprava odměrného roztoku předem nám uspoří čas a studenti se vyhnou práci s kyselinou šťavelovou. Doporučený postup řešení 1. Připravíme si předem odměrný roztok hydroxidu sodného. Jeho faktorizaci provedeme na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové. 2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky zpracovávat v Datastudiu nebo přímo v Datastudiu měřit. 4. Připravíme Xplorer (případně PC s Datastudiem)) a pomůcky k měření. Příprava úlohy Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin. Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin a výpočet koncentrace z naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů. Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Materiály pro učitele Analýza dat Z titračních křivek studenti určí spotřebu odměrného roztoku. Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co a jak dělali a k jakým závěrům došli. Hodnocení Připravili studenti správně odměrný roztok NaOH? (Může připravit učitel.) Provedli faktorizaci odměrného roztoku? (Doporučuji, aby provedl učitel.) Určili spotřebu odměrného roztoku? Vypočítali molární koncentraci kyseliny octové v octu? Určili hustotu octa? Vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v octu? Porovnali svůj výsledek s údaji od výrobce? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje A8704B pdf

22 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod Zadání úlohy Neutralizační titrací zjisti molární koncentraci kyseliny octové v octu a vypočítej hmotnostní nebo objemový zlomek kyseliny octové v octu. Pomůcky Xplorer GLX Chemický senzor s ph elektrodou PS 2170 počítadlo kapek PS 2117 magnetické míchadlo magnetické mikro michadélko nástavec na elektrodu byreta stojan titrační baňky střička s destilovanou vodou pipeta 0,5 ml kádinka nálevka pyknometr hydroxid sodný (nebo přímo zakoupený odměrný roztok) kyselina šťavelová (nebo přímo zakoupený kalibrační roztok 0,05 M) Pozn. 5: Pořizování roztoků dané koncentrace je nesrovnatelně dražší, než když si je sami připravíme. ocet PC (není nutné)

23 7 Bezpečnost práce Dodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami. Hydroxid sodný Pokyny pro bezpečné zacházení: P102 Uchovávejte mimo dosah dětí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P405 Skladujte uzamčené. Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. Kyselina šťavelová Krystalická látka bílé barvy (bezbarvé) rozpustná ve vodě, obsažená v ovoci a zelenině (např. ve špenátu ) a pro tělo v této formě potřebná může působit jako jed v anorganické podobě. Pokyny pro bezpečné zacházení: P302+P352 Při styku s kůží: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. Kyselina šťavelová H302 Zdraví škodlivý při požití. H312 Zdraví škodlivý při styku s kůží CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod Kyselina octová 99 % Standardní věty o nebezpečnosti: H226 Hořlavá kapalina, páry. H314 Způsobuje težké poleptání kůže a poškození očí. Pokyny pro bezpečné zacházení: P260 Nevdechujte páry. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P301+P330+P331 PRI POŽITÍ: Vypláchněte ústa. Nevyvolávejte zvracení. P310 Okamžitě volejte Toxikologické informační středisko nebo lékaře. H3O+ Teoretický úvod Titrace je metoda odměrné analýzy. Podstatou neutralizačních titrací je zjištění bodu ekvivalence na základě reakce kyseliny se zásadou. Tedy zjištění, kdy spolu obě látky reagovaly bezezbytku. Vycházíme přitom z neutralizační rovnice. K roztoku o známém objemu V 1 a neznámé koncentraci c 1 přidáváme roztok (odměrný roztok) jehož koncentraci přesně známe c 2 a zjišťujeme spotřebu V 2 tohoto roztoku v okamžiku, kdy spolu zreagují právě ekvivalentní množství těchto látek. Ze zjištěných údajů pak snadno vypočítáme molární koncentraci neznámého roztoku. Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.

24 8 Postup práce Nastavení HW a SW Obecné zásady práce s Xplorerem nebo Datastudiem popisuje uživatelský manuál. Zde popíši jen některá specifika: K Xploreru připojíme např.: Chemický senzor PS-2170 a zapojíme ph elektrodu a počítadlo kapek. Založíme si nový soubor např. ocet1, a v hlavní nabídce zvolíme F1. Tím se dostaneme do grafu. Na svislé ose volíme ph a na vodorovné ose počet kapek, resp. spotřebovaný objem v ml (viz záznam dat). Pokud budeme pracovat v Datastudiu, připojíme Xplorer k PC. Příprava měření 1) Sestavíme si titrační aparaturu. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod FINAL VERZE 2) Připravíme si také střičku s destilovanou vodou a kádinku s destilovanou vodou na oplachování elektrody Vlastní měření (záznam dat) 1) Do titrační baňky odměříme 0,5 ml octu a doplníme destilovanou vodou na objem tak, aby ph elektroda i s magnetickým michadélkem byla dostatečně ponořena. Tip5: Zde se mi osvědčily titrační baňky na 50 ml až 100 ml. Není pak velká spotřeba destilované vody. 2) Z hlavní nabídky v Xploreru zvolíme graf ph vs. počet kapek 3) Provedeme orientační titraci. Zapneme míchadlo a tlačítko start/stop na Xploreru a z byrety po kapkách přidáváme odměrný roztok 0,1 M NaOH o známém faktoru. Po zakreslení titrační křivky opět zmáčkneme tlačítko start stop na Xploreru. 4) Současně při tomto měření určíme objem jedné kapky. Na počítadle kapek zjistíme počet kapek a na byretě objem v ml. Např. byretou necháme odkapat 2 ml odměrného roztoku NaOH a na počítadle kapek zjistíme počet kapek (32 k). Určíme objem jedné kapky

25 9 5) Na kalkulátoru v Xploreru zadáme vypočítat spotřebovaný objem NaOH z počtu kapek. 6) Přejdeme zpět do grafu a na vodorovnou osu, místo počtu kapek, vyneseme vypočítávaný objem přímo v ml. 7) Nyní máme vše pro titraci nastaveno. Provedeme tedy titraci. Určíme spotřebu odměrného roztoku (viz analýza dat) a vypočítáme koncentraci octu (viz zpracování výsledků měření). 8) Vypočítáme hmotnostní nebo objemový zlomek kyseliny octové v octu a porovnáme náš výsledek s údajem od výrobce na obalu. Uložení naměřených dat V nabídce Data Files zmáčkneme F2. Export naměřených dat na flash disk Do Xploreru vložíme flashku. V nabídce Data Files vybereme náš soubor, zmáčkneme F4 a zvolíme Copy File. Kurzorem vybereme flash disk a potvrdíme F1 (OK). Analýza naměřených dat Získali jsme graf ph vs. spotřeba odměrného roztoku. Je několik možností, jak z grafu zjistit spotřebu. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod 1) Pomocí nástroje Smart Tool odhadneme inflexní bod: - v prvním případě V = 7,02 ml - ve druhém V = 7,08 ml Rozdíl je minimální a přesnost větší než při titraci na fenolftalein.

26 10 2) Metoda první derivace. Využijeme Calculator a necháme si spočítat první derivaci. V místě největšího sklonu jde graf derivace prudce nahoru nebo dolů. Opět použijeme nástroj Smart Tool a odečteme spotřebu. Zde odečteme spotřebu V = 7,38 ml. 3) Můžeme z hodnoty ph spočítat koncentraci a sestrojit graf koncentrace vs. spotřeba. A pomocí nástroje Smart Tool odečíst spotřebu. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod

27 CHEMIE L VERZE Neutralizační titrace FINAL VERZE (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (řešená učitelská varianta) Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n Fyzikální veličina, která určuje počet částic (atomů, molekul, iontů). V jednom molu látky je částic. N A je Avogadrova konstanta. Jednotka látkového množství je 1 mol. MOLÁRNÍ KONCENTRACE Molární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku. 1M ROZTOK Jednomolární roztok. Jeden mol látky v jednom litru roztoku. Příprava 1M roztoku: 1 mol látky dáme do odměrné baňky na 1000 ml a doplníme vodou po rysku. EKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ Taková množství látek, která spolu reagují bezezbytku. Rovnost látkového množstvi. BOD EKVIVALENCE Bod, ve kterém spolu právě zreagovala ekvivalentní množství látek. TITR (pojem z analytické chemie) Jedná se o roztok s přesně známou koncentrací (nejčastěji molární koncentrací), tedy odměrný roztok (titrační činidlo). TITRACE Kvantitativní metoda odměrné analýzy. Např. při neutralizačních titracích (neboli acidobazických titracích) zjistíme objemy látek, které spolu při daných koncentracích reagují bezezbytku a vypočítáme neznámou koncentraci roztoku kyseliny nebo zásady.

28 ODMĚRNÝ ROZTOK Roztok přesně známé koncentrace, který přidáváme k roztoku známého objemu a neznámé koncentrace. Teoretická příprava úlohy Zapiš rovnici neutralizace kyseliny octové hydroxidem sodným: Zapiš, v jakém poměru spolu reagují: neboli Vyjádři z této rovnice c 1 : Doplň tabulku: látkové množství kyseliny octové n 1 c 1 V 1 n 2 c 2 V 2 Postup práce viz pracovní list žáka molární koncentrace kyseliny octové objem kyseliny octové látkové množství hydroxidu sodného molární koncentrace hydroxidu sodného objem (spotřeba) hydroxidu sodného 12 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (řešená učitelská varianta) Vizualizace naměřených dat Získáme titrační křivky (ph vs. objem odměrného roztoku).

29 13 Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa 1) Z titračních křivek určíme spotřebu odměrného roztoku. Máme na výběr několik možností. a) Pomocí nástroje Smart Tool (odhadujeme bod ekvivalence): b) Pomocí derivace (bod ekvivalence určíme pomocí derivace) použijeme nástroj derivace: Lépe se mi v tomto případě pracuje v Datastudiu: c) Z hodnoty ph vypočítáme molární koncentraci H 3 O + kationtů. použijeme kalkulačku v Xploreru nebo Datastudiu: CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (řešená učitelská varianta) A z grafu koncentrace vs. objem odměrného roztoku určíme spotřebu odměrného roztoku odečteme objem odměrného roztoku při dosažení nulové molární koncentrace oxoniových kationtů.

30 2) Vypočítáme molární koncentraci octa: Vycházíme z neutralizační rovnice (viz teoretickou přípravu úlohy). c 2 koncentrace odměrného roztoku NaOH (c 2 = 0,1 mol/l ) f faktor odměrného roztoku NaOH. (f = 0,882) Pozn. 7: Jelikož se hmotnost NaOH špatně navažuje, musí se zjistit přesná koncentrace odměrného roztoku faktorizací na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové. Tímto faktorem pak násobíme koncentraci c 2 odměrného roztoku a získáme tak přesnou koncentraci NAL ERZE VERZE odměrného roztoku NaOH. Hovoříme o standardizaci roztoku NaOH FINAL VERZE FINAL VERZE FINAL VERZE V 2 spotřeba odměrného roztoku NaOH V 1 objem octu (V 1 = 0,5 ml) Dosazením do rovnice a výpočtem zjistíme molární koncentraci octu: 3) Vypočítáme hmotnostní zlomek kyseliny octové v octu. a) pomocí pyknometru zvážíme 50 ml octu b) dosadíme do vzorce pro výpočet hustoty: c) dosadíme do vztahu pro výpočet hmotnostního zlomku: vyjádříme hmotnostní procenta: % = w 100=7,6 % d) nebo: 1 M roztok obsahuje 1 mol látky v jednom litru celého roztoku. Naše vypočítaná koncentrace je 1,2 M. V jednom litru potravinářského octa bude kyseliny octové ml octa odpovídá 942 g 942 g je 100% 72,06 g je 7,6 % Závěr (zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli) Ocet jsme titrovali 0,1 M roztokem hydroxidu sodného a ze získané spotřeby jsme určili molární koncentraci octa c 1 =1,2 mol/l a z tohoto údaje jsme vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinářském octu. Zjistili jsme, že ocet je přibližně 7,6 %. Výrobce na etiketě uvádí hodnotu 8 %. Ve skutečnosti jde o údaj 8g/100 ml. Výrobce také uvádí hustotu octa 1,01 g/ml. Po přepočítání nám vychází, že hmotnostní zlomek kyseliny octové v hotovém výrobku je w = 0,0792. Tedy Výrobce uvádí, že jeho kvasný ocet je 7,92 (hm.) %. 14 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (řešená učitelská varianta)

31 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta) Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n MOLÁRNÍ KONCENTRACE Molární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku. Zapiš vztah pro výpočet molární koncentrace, který vyplývá z definice. A zapiš jednotku molární koncentrace. c = [c]= 1M ROZTOK EKVIVALENTNÍ MNOŽSTVÍ LÁTEK BOD EKVIVALENCE TITR (pojem z analytické chemie)

32 16 TITRACE ODMĚRNÝ FINAL VERZE ROZTOK ALKALIMETRIE ACIDIMETRIE Teoretická příprava úlohy Doplň rovnici neutralizace kyseliny octové hydroxidem sodným: Napiš, v jakém poměru spolu reagují kyselina octová a hydroxid sodný: neboli Vyjádři z této rovnice c 1 : Doplň tabulku podle vzoru: n 1 c 1 V 1 objem kyseliny octové n 2 molární koncentrace hydroxidu sodného c 2 FINAL VERZE V 2 CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta)

33 17 Postup práce 1) Připrav si ocet a odměrné roztoky (proveď faktorizaci 0,1 M roztoku hydroxidu sodného na 0,05 M roztok kyselinyšťavelové) Pozn. 6: Bod číslo jedna může připravit vyučující. 2) Sestav titrační aparaturu. 3) Připrav si pipetu na odměřování objemu octa. 4) Do titrační baňky (nejlépe o objemu 50 ml nebo 100 ml) odměř pipetou 0,5 ml octa a doplň destilovanou vodou, tak aby byla dostatečně ponořena ph elektroda. 5) V Xploreru nebo Datastudiu si zobraz graf: závislost ph vs. počet kapek (ph vs. Drop Count (drops)). 6) Proveď první titraci a urči objem jedné kapky. (Na byretě odečti určitou spotřebu v ml a v Xploreru k této spotřebě zjistíš odpovídající počet kapek. Podílem těchto hodnot určíš objem jedné kapky V k =. ml). 7) Nyní pomocí kalkulačky v Xploreru zavedeme spotřebu v ml. 8) Proveď další titrace a výsledky měření ulož nejprve v Xploreru a pak na flash disk. Pokud pracuješ v Datastudiu, tak přímo do PC. 9) Určí průměrnou spotřebu a vypočítej molární koncentraci octa. 10) Určí histotu octa a vypočítej hmotnostní (nebo objemový) zlomek octa, resp. procenta (hm. nebo obj.) kyseliny octové v octu. 11) Výsledek porovnej s údaji od výrobce na obalu. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta)

34 18 Vizualizace naměřených dat Získáme titrační křivky (ph vs. objem odměrného roztoku). titrace č. 1 vlož graf ph vs. objem titrace č. 2 vlož graf ph vs. objem CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta) titrace č. 3 vlož graf ph vs. objem

35 19 Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa Doplň tabulku a z průměrné spotřeby proveď výpočet. Pozn. 8: Pokud se některá spotřeba výrazně liší, pravděpodobně jste udělali chybu. Nezahrnujte chybné měření do výpočtů a titraci opakujte. číslo měření objem octu V 1 spotřeba odměrného roztoku V 2 1 0,5 ml 2 0,5 ml 3 0,5 ml průměrná spotřeba V 2 = 1) Výpočet molární koncentrace octa: Nejprve doplň tabulku: c 2 V 2 f (0,1M NaOH) V 1 c 1 (doplň z výpočtu) postup výpočtu molární koncentrace octa: (zapiš vztah a dosaď hodnoty i s jednotkami): CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta) 2) Výpočet hmotnostního (objemového) zlomku kyseliny octové v potravinářském octě a) určení hustoty octu: hmotnost pyknometru hmotnost pyknometru s octem hmotnost octu m (g) objem octu V (ml) hustota octu ρ (g/ml) hustota octu ρ (g/ l)

36 20 b) výpočet hmotnostního zlomku (procentuální koncentrace): postup výpočtu hmotnostního zlomku a procentuální koncentrace: c) Podle údajů výrobce na etiketě urči hmotnostní zlomek kyseliny octové v hotovém výrobku (kvasném octě). Na etiketě výrobce uvádí údaj: Obsah kyseliny octové 8g/100ml. Dále výrobce uvádí hustotu octa ρ = 1,01 g/ml (pozn.: můžeš použít také svůj zjištěný údaj o hustotě octa). Vypočítej hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinářském octu a výsledek porovnej s údajem, který jsi zjistil. CHEMIE Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta) Závěr (zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli)

37 CHEMIE Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Pivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Některé nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

38 CHEMIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Obsah alkoholu... 4 Charakteristika piva... 4 Odbourávání ethanolu... 5 Kategorie piva... 6 Stupňovitost... 6 Ethanol - CH 3 CH 2 OH... 7 Výroba piva... 7 Motivace studentů... 8 Doporučený postup řešení... 8 Příprava úlohy... 9 Materiály pro studenty... 9 Záznam dat... 9 Analýza dat... 9 Syntéza a závěr... 9 Hodnocení... 9 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 9 Pracovní návod Zadání úlohy Pomůcky Bezpečnost práce Teoretický úvod Příprava úlohy (praktická příprava) Postup práce Protokol (řešená učitelská varianta) Úkoly Pomůcky Chemikálie Princip Nákres Postup Výsledky Závěr Protokol (žákovská varianta) Úkoly Pomůcky Chemikálie Princip Nákres Postup Výsledky Závěr... 17

39 3 Zařazení do výuky Experiment je vhodné zařadit v rámci učiva technologie výroby piva, analytické chemii (obsah alkoholu ve vzorku), odbourání ethanolu v lidském těle, alkoholová fermentace, praktické použití enzymů. Vyučovací předměty: chemie (biochemie), biologie Průřezová témata: Environmentální výchova Problematika vztahů organismů a prostředí Osobnostní a sociální výchova Spolupráce a soutěž Tip Pivo je nápoj známý všem studentům. Toto již samo stačí k motivaci experimentu. Časová náročnost Příprava experimentu příprava aparatury (15 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pokus (40 minut = 15 minut třepání + 20 minut destilace + 5 minut určení objemových procent) Dvě hodiny (2 x 45 min.) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Chemikálie pivo destilovaná voda Bezpečnost práce Zákaz konzumace piva v chemické laboratoři! Úvod Pivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Některé nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy. Rozumná konzumace piva snižuje stres, podporuje krevní oběh, snižuje riziko srdečních onemocnění, snižuje vysoký krevní tlak. Pivo je nápoj, který obsahuje malé množství alkoholu (0,5-10 %). Pivo je určeno k tomu, aby je lidé pili pro chuť, pro radost a pro lepší trávení nikoliv proto, aby se opíjeli. Typ experimentu: žákovský Cíle Studenti by měli zvládnout: sestavit aparaturu pro destilaci provést měření pomocí hustoměru nebo lihoměru pomocí Štastného-Renzova tabulky zjistit obsah ethanolu v pivu odvodit, jak je možné změnou doby fermentace ovlivnit obsah alkoholu v pivu Klíčové kompetence: kompetence k řešení problémů student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice kompetence k učení student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj CHEMIE Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Materiály pro učitele

40 4 Slovníček pojmů PIVO ETHANOL TECHNOLOGIE VÝROBY PIVA ODBOURÁNÍ ETHANOLU V LID- SKÉM TĚLE STUPŇOVITOST PIVA Viz pracovní list (učitel). Přehled pomůcek baňka (800 ml) frakční baňka teploměr vodní chladič kádinky odměrný válec hustoměr nebo lihoměr kahan 2 stojany trojnožka kovová síťka pracovní návod pracovní list Teoretická příprava (teoretický úvod) Pivo je kvašený slabě alkoholický nápoj vyráběný v pivovaru z obilného sladu, vody a chmele pomocí kvasinek (Saccharomyces cerevisiae ssp.), který se těší značné oblibě v Česku i v zahraničí. Na území Česka se jedná o nejkonzumovanější alkoholický nápoj. Pivo je považováno za jeden z českých symbolů a od roku 2008 je název české pivo chráněno jako zeměpisné označení. Pivo je vařeno již od nepaměti a je nemožné určit místo, kde bylo uvařeno první pivo. Jako země původu se uvádí Mezopotámie, a to přibližně již v 7. tisíciletí př. n. l. Obsah alkoholu Pivo může obsahovat od 0,5 do 10 hmotnostních procent ethanolu, ale v českých pivech je ethanolu nejčastěji mezi 4 5 hmotnostních procent. Tabulka: Orientační obsah ethanolu v pivech Charakteristika piva Orientační obsah ethanolu Stupeň piva nealkoholické 8 o 10 o 12 o Obsah ethanolu méně než 0,5% do 2% do 3% do 3,5% Pivo je tradičním a populárním nápojem, který má na území Česka dlouhou tradici. Je sice nápojem alkoholickým (řadí se mezi nápoje s relativně nízkým obsahem ethanolu g v jednom litru), ale kromě alkoholu pivo také obsahuje přibližně dalších látek. Obsahuje významné množství velmi kvalitní vody, takže se jedná o výrazně zavodňující nápoj, dále obsahuje také sacharidy, bílkoviny, hořké látky chmele, polyfenolické sloučeniny, oxid uhličitý, vitamíny a minerální látky. Kombinace těchto složek dává fyziologicky vyrovnaný roztok, který je v rovnováze s osmotickým tlakem krve. Významné je zastoupení minerálů v pivu, kde nacházíme kromě draslíku a sodíku, které jsou zde v příznivém poměru, také chloridy, vápník, fosfor, hořčík a křemík. Z vitamínů obsažených v pivu jsou nejvýznamnější vitaminy skupiny B thiamin (3 % denní spotřeby v jednom litru piva), riboflavin (20 %), pyridoxin (31 %), niacin (45 %) a kyselina listová (52 %). Vitaminy skupiny B jsou důležité pro řadu metabolických procesů (metabolismus sacharidů, lipidů, aminokyselin), funkci nervového systému a další. Jeden litr piva obsahuje přibližně kj představující přibližně 10 % denní spotřeby, což je méně než např. jablečná šťáva, a 200 mg biologicky aktivních látek. Je si třeba uvědomit, že příznivé účinky piva na lidský organismus se mohou projevit při jeho střídmé konzumaci, kdy nepřevažují negativní účinky alkoholu. Pivo obsahuje hořké chmelové látky, které mají blahodárný vliv na sekreci žluči, která přímo podporuje trávení. Současně výrazně podporuje chuť k jídlu, což může vést při nestřídmé konzumaci pokrmů k nárůstu tělesné hmotnosti. Čím vyšší obsah flavonoidů použitých obilnin a obilovin pivo obsahuje, tím vyšší je jeho léčebný a preventivní antioxidační účinek. Obsah flavonoidů zvyšujeme delší a intenzivnější extrakcí sladu, zvýšením množství sladu, resp. přidáním sladu nebo výtažku z dalších obilnin a obilovin, u bylinných a ovocných piv rovněž z bylin a ovoce. Z různých druhů ovoce mají nejvyšší antioxidační účinky flavonoidy CHEMIE Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Materiály pro učitele

41 5 ostružin a malin. Barvení kulérem (karamelem) nebo pražením sladu je sice pro pivo charakteristické, avšak antioxidační hodnotu piva nezvyšuje. Ovšem ovocné šťávy (nebo přímo samotné ovoce) obsahují větší počet flavonoidů aniž by obsahovaly alkohol. Uvádí se, že konzumace piva má příznivé účinky na dobrou náladu, podporu krevního oběhu, snížení rizika srdečních příhod a působí proti vysokému krevnímu tlaku. Konzumace piva může vést k rozvoji alkoholismu s poškozením zdraví. Avšak nejen alkohol, ale jiné látky dlouhodobou konzumací způsobují především tato onemocnění a zvýšenou úmrtnost: cirhóza jater, kolorektální karcinom, karcinom prsu, diabetes mellitus a další. V právním řádu České republiky se pivem zabývá zejména vyhláška č. 335/1997 Sb., která provádí zákon o potravinách (zákon č. 110/1997 Sb.). Vyhláška obsahuje jak definici piva, tak požadavky na výrobu a jakost, rozdělení druhů piva a jeho označování. Odbourávání ethanolu Lidské tělo je schopno odbourávat ethanol dle individuálních měřítek, které záleží na hmotnosti, pohlaví, zdravotním stavu, stupni únavy a dalších faktorech. Doba, za kterou se z těla vyloučí ethanol uvolněný po konzumaci piva se dá jen nepřesně odhadovat. Obecně platí zásada, že čím je člověk obéznější, tím pomaleji se ethanol z jeho těla odbourává. Orientačně se občas uvádí čas okolo 2 hodin a 10 minut pro 80 kg vážícího muže u 10 piva a 3 hodiny a 50 minut u ženy o hmotnosti 60 kg. Pro 12 pivo se pak uvádí při stejných fyziologických parametrech doba 2 hodiny a 50 minut respektive 4 hodiny a 30 minut. Jedním ze základních faktorů schopnosti odbourávat ethanol je enzym ethanoldehydrogenáza (ethanol: NAD oxidoreduktasa). Tento enzym však některým národům úplně chybí (Eskymáci, Indiáni, některé asijské národy). Ethanol se snadno vstřebává v ústech a v žaludku. 2 % 10 % se vylučuje plícemi nebo ledvinami a zbytek se přemění v játrech. CHEMIE Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Materiály pro učitele Možnosti rozkladu: 1. Ethanol se vlivem působení enzymu patřící do skupiny dehydrogenáz - oxiduje na acetaldehyd CH 3 COH a dále na kyselinu octovou CH 3 COOH probíhá v játrech (3/4 rozpadajícího se ethanolu). Ethanoldehydrogenása pracuje stále stejnou rychlostí, není indukovatelná asi 0,12 % o za hodinu. V játrech se z CH 3 COOH vyrábí acetyl CoA (koenzym A), který slouží k syntéze cholesterolu alkoholici mají tzv. tuková játra nebo cirhózu jater popř. ICHS 2. Organely peroxysómy, které obsahují enzymy katalázy (např. peroxidása) přeměňují ethanol na acetaldehyd (asi 10% alkoholu) 3. V cytoplasmě enzym monooxygenása, CH 3 CH 2 OH CH 3 COH + H 2 O 2 Obr. 1: Český pivař

42 6 Kategorie piva Piva se dle staršího dělení dělila dle koncentrace původní mladiny, založené na výpočtu hmotnostní koncentrace skutečného extraktu. Výsledná hodnota se uváděla v hmotnostních procentech. Na základě tohoto dělení se piva rozdělovala na piva výčepní (do 10 % hm.), ležáky (v rozmezí 11 12,5 % hm.) a piva speciální (nad 12,5 % hm.). Nejtypičtější druhy světlého piva v Česku jsou piva výčepní, tj. piva z ječných sladů s extraktem původní mladiny 8 10 % hmotnostních, a piva ležáky, tj. piva z ječných sladů s extraktem původní mladiny % hmotnostních. To však nejsou jediné druhy piva. Vedle obecných náležitostí pro označení piva (dle vyhlášky č. 324/1997 Sb.) je nutno podle vyhlášky č. 335/1997 Sb. pivo označit: názvem druhu a skupiny (např. pivo ležák), obsahem ethanolu v objemových procentech, zda jde o světlé či tmavé pivo a některými dalšími údaji. Pivo se začalo dělit na čtyři základní skupiny dle barvy a extraktů původní mladiny před zkvašením, obsahu alkoholu či způsobu konečné úpravy. Toto dělení prošlo v roce 2000 drobnou změnou a v současnosti platí dělení popsané níže. Základními skupinami jsou skupina světlá, polotmavá, tmavá (z tmavého nebo karamelového sladu) a řezaná piva (při stáčení smíšené z tmavého a světlého piva). Podskupinami pak pivo výčepní, ležáky, speciální, portery, se sníženým obsahem alkoholu, se sníženým obsahem cukrů, pšeničná, kvasnicová, nealkoholická, ochucená a lehká. Kategorie piva je povinným údajem při označení piva při prodeji. Příklady značení: a) nesprávné značení: pivo 10stupňové, pivo 12stupňové, jedenáctka, silné 14stupňové pivo b) správné značení piva: pivo výčepní, pivo ležák, speciál 14 %. CHEMIE Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Materiály pro učitele Stupňovitost Mnoho spotřebitelů piva si v dnešní době nesprávně zaměňuje symbol stupňovitosti piva s obsahem alkoholu. Kvalitu piva z velké části určuje především podíl látek, které se během jeho vaření uvolní ze sladu a z chmelu. Čím je těchto látek více, tím je pivo chutnější, plnější či hutnější,, jak chcete. V desetistupňovém pivu bylo těchto látek 10 %, ve dvanáctistupňovém 12 %, ve čtrnáctistupňovém 14 %. Odborně řečeno, stupňovitost znamená koncentraci (obsah) všech extraktivních látek (rozpustných ve vodě) v mladině před zakvašením (přidáním pivovarských kvasnic), které přešly (rozpustily se ve varní vodě) z použitých surovin (slad, chmel) během výrobního postupu ve varně do roztoku (původně čisté varní vody). Jedná se o složky cukernaté (zkvasitelné a nezkvasitelné) a složky necukerné (minerály, vitamíny a jiné), které se z použitých surovin rozpustily během vaření ve varné vodě. Když si toto vysvětlení převedeme do čísel, znamená to, že například 12% pivo obsahovalo 12 kg rozpuštěných látek z použitých surovin (slad, chmel) ve 100 kg mladiny (meziprodukt) před zakvašením. Z tohoto taktéž vyplývá, že například 12% pivo obsahuje méně vody než 10% pivo, vzhledem k poměru vstupujících surovin (slad, chmel) k vodě v mladině vyrobené ve varně ještě před přidáním pivovarských kvasnic. Pojem stupňovitost lze také vysvětlit rozdílnou plností (hutností) mezi jednotlivými pivy. V současnosti je starší označení stupňovitost nahrazeno dle platné legislativy pojmem extrakt původní mladiny (EPM).