1.06 Jak tuhne malta. Projekt Trojlístek

Transkript

1 1. Chemie a společnost 1.06 Jak tuhne malta. 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 Vodný roztok hydroxidu vápenatého reaguje s vydechovaným oxidem uhličitým za vzniku nerozpustného uhličitanu vápenatého. Experiment představuje chemickou reakci klíčovou při procesu tuhnutí stavební malty. Sráží se uhličitan vápenatý. 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; vzduch; chemické látky, směsi; chemické reakce; anorganické sloučeniny. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení zákonitostí složení hmoty z chemických látek popř. jejich směsí. Nacvičené 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 chemické reakce v reálném čase ilustruje způsoby přeměny hmoty (chemických látek) doprovázené změnami fyzikálního chování a rovněž změnami skupenství. Neopomenutelný je praktický dopad realizované reakce, která v laboratorním měřítku demonstruje klíčovou reakci probíhající při procesu tuhnutí stavební malty jako rozsáhlého souboru chemických a fyzikálních přeměn látek a hmoty. Představené Co se žáci dozví: Co je a jak vypadá chemická látka. Jak připraví směsi. Jak rozdělí směsi. Rozpouštění, vlivy. Srážení, suspenze. Provedení chemické reakce. Výskyt a použití vápna. Výskyt a použití vápence. 2

3 chemické látky jsou sloučeninami, se kterými se žáci setkávají v každodenním životě (kyslík a oxid uhličitý jako plyny doprovázející životní procesy; vápno jako stavební materiál, dezinfekční nátěry nebo součást hnojiv; uhličitan vápenatý jako průmyslová surovina, vodní kámen či krápníková výzdoba krasových oblastí apod.). 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka ml Skleněná zásobní láhev 500 ml ev ml Erlenmayerova baňka 500 ml ev ml Skleněná tyčinka Laboratorní lžička Nálevka skleněná Filtrační papír Zkumavka Stojánek na zkumavky Brčko (slámka) (počet dle počtu žáků) 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. Dále doporučujeme připravit tzv. vápennou vodu, tj. vodný roztok hydroxidu vápenatého Ca(OH) 2, ještě před vlastní demonstrací experimentu nebo individuálním prováděním pokusu žáky. NEZAPOMENOUT NA BRČKA! Cestou ze školy musím navštívit obchod s domácími potřebami nebo papírnictví a zakoupit dostatečné množství brček (vhodné je balení po 100 kusech). Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 15 minut. Dobu nutnou k přípravě vápenné vody odhadujeme dle požadovaného objemu ( ml) na minut. ČASY: 15 minut minut 3

4 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase a ve velmi krátké době, změny v reakční směsi jsou okamžitě vizuálně pozorovatelné. Experiment je možno realizovat včetně předchozí přípravy roztoku hydroxidu vápenatého. V tomto případě se tento krok přesune z etapy 7. 1 Příprava experimentu do aktuální etapy 7. 2 Realizace experimentu. Časy: Realizaci jednoho experimentu (vlastní chemické reakce) odhadujeme na 5 minut. ROZHODNĚME SE: Pokud zamýšlíme pokus před žáky pouze demonstrovat, je vhodné připravit vápennou vodu předem. V případě samostatného provádění pokusu žáky můžeme buď vápennou vodu připravit předem nebo její individuální přípravu zahrnout na začátek vlastního experimentu. 5 minut 8. Laboratorní postup Jak bylo uvedeno výše, experiment sestává z prvotní přípravy pracovního roztoku, zde vodného roztoku hydroxidu vápenatého Ca(OH) 2, tzv. vápenné vody. Následuje provedení vlastní chemické reakce, která demonstruje klíčový proces probíhající při tuhnutí stavební malty. Příprava vápenné vody V kádince postupně (tzn. po částech, po lžičkách) rozpouštíme pevný hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 (tzv. hašené vápno) v potřebném množství pitné vody, mícháme skleněnou tyčinkou. Když se další podíl hydroxidu nerozpouští, vzniklou suspenzi přefiltrujeme do Erlenmayerovy baňky nebo skleněné zásobní láhve přes filtrační papír s použitím skleněné nálevky. Připravíme tak vodný roztok hydroxidu vápenatého Ca(OH) 2, tzv. vápennou vodu. Pozn. Různě hustá kaše (správně suspenze) hydroxidu vápenatého ve vodě je nazývána vápenné mléko. Vznik a srážení uhličitanu vápenatého Do zkumavky předložíme asi 5 ml roztoku připraveného hydroxidu vápenatého, vložíme brčko pod hladinu kapaliny a velmi opatrně, pozvolna a rovnoměrně vydechujeme vzduch z plic. Foukání trvá zhruba sekund. V průběhu realizace se z roztoku vylučuje (sráží) bílá pevná látka, původně čirý roztok se proto kalí. POZOR! Hašené vápno je žíravina! POZOR! Nesmíme si znečistit konec brčka, který vkládáme do úst! Hurá! Musíme Roztok foukat se kalí! zvolna a opatrně, v případě potřísnění pokožky ji CaCO musíme 3 je nerost urychleně vápenec! opláchnout proudem vody! Roztok nesmíme pít! 4

5 9. Princip experimentu Hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 rozpuštěný ve vodě reaguje s vydechovaným oxidem uhličitým CO 2 za vzniku nerozpustného produktu, uhličitanu vápenatého CaCO 3. V důsledku jeho velmi nízké rozpustnosti se vylučuje z roztoku ve formě bílé pevné látky. Proces můžeme popsat následující chemickou reakcí (Schéma 1): Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Schéma 1 Tato chemická reakce je principem tvrdnutí malty. Možné pokračování experimentu a následné souvislosti: Při dlouhodobějším vydechování oxidu uhličitého CO 2 do reakční směsi, tedy v nadbytku CO 2, se tvoří produkt ve vodě rozpustný, tj. hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO 3 ) 2. Proces můžeme popsat následující chemickou reakcí (Schéma 2). Bílý zákal ve zkumavce tedy postupně mizí. POKRAČOVÁNÍ: Můžeme v pokusu (foukání) dále pokračovat. Zákal zmizí. Po zahřátí se vyloučí vodní kámen. CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 Schéma 2 Množství rozpuštěných hydrogenuhličitanů (vápenatého a hořečnatého) ve vodě označujeme jako tvrdost vody. Roztok hydrogenuhličitanu vápenatého Ca(HCO 3 ) 2 obsažený ve zkumavce povaříme a vodu pak vylijeme. Na stěnách zkumavky pozorujeme bílý povlak vyloučeného nerozpustného uhličitanu vápenatého CaCO 3. Tento povlak (vyloučenou pevnou látku) nazýváme vodní (kotelní) kámen, vylučuje se zejména z tzv. tvrdé vody. Zmiňovaný jev je také principem vzniku krasových útvarů (krápníky). Můžeme jej popsat následující chemickou reakcí (Schéma 3). Tvrdost vody Vodní kámen Krápníky Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Schéma 3 Účinkující chemické sloučeniny: H 2 O voda CO 2 oxid uhličitý Ca(OH) 2 hydroxid vápenatý CaCO 3 uhličitan vápenatý Ca(HCO 3 ) 2 hydrogenuhličitan vápenatý 5

6 10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemických sloučenin, se způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba provést v případě poškození zdraví. Hydroxid vápenatý 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 množství po předchozí neutralizaci (např. octem). R-věty a S-věty: R34 Způsobuje poleptání. S22 Nevdechujte prach. S24/25 Zamezte styku s kůží a očima. S26 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. S36/37/39 Používejte vhodný ochranný oděv, ochranné rukavice a ochranné brýle nebo obličejový štít. H-věty a P-věty: H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. P260 Nevdechujte prach/dým/plyn/mlhu/páry/aerosoly. P303+P361+P353 PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. Opláchněte kůži vodou/osprchujte. 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. P310 Okamžitě volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P405 Skladujte uzamčené. P501 Obsah/nádobu likvidujte v souladu s místními/regionálními/národními/mezinárodními předpisy. K hydroxidu vápenatému 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 hydroxid sodný NaOH (louh sodný) nebo uhličitan sodný Na 2 CO 3 (soda). Ty můžeme koupit v individuální formě nebo jsou obsaženy v mnoha domácích čisticích prostředcích (pro odpady koupelen a WC apod.). POZOR! Hydroxid vápenatý je žíravina! Žíraviny v domácnosti. 6

7 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. Je nutno důrazně trvat na bezpečném provedení! 12. Přínos Souvislosti prováděného experimentu s jevy každodenního života jsou nadmíru patrné a více než zjevné. Některé souvislosti již byly zmíněny v předchozím textu. Výroba vápna Vápenec, hornina, která je převážně tvořena nerostem kalcitem neboli přírodním uhličitanem vápenatým CaCO 3, se těží hlavně pro potřeby stavebnictví. Ve výrobním zařízení pojmenovaném vápenka se vápenec přeměňuje na pálené vápno, oxid vápenatý CaO. Ten s vodou reaguje na hydroxid vápenatý Ca(OH) 2, reakci nazýváme hašení vápna. Výchozí chemikálie našeho experimentu, hydroxid vápenatý Ca(OH) 2, se tedy vyrábí z vápence. Pálené i hašené vápno je snadno dostupné každému člověku, je k dostání v prodejnách se stavebními potřebami a stavebním materiálem. Tuhnutí malty Provedený pokus jednoduše a v krátkém čase demonstruje, tedy předvádí, klíčovou chemickou reakci probíhající v maltě při jejím tuhnutí. Oxid uhličitý potřebný k tomuto procesu pochází samozřejmě ze vzduchu. Vedlejším produktem reakce je voda, jak vyplývá z reakčního schématu (Schéma 1), při tuhnutí malty obvykle pozorujeme vlhnutí stavěných budov. Stavebnictví je nedílnou součástí lidské civilizace a vápno bylo jako stavební pojivo do malt používáno již ve starověku. Oxid uhličitý Je vhodné rovněž zmínit spojitost se zákonitostmi živé přírody, jelikož prováděná chemická reakce je mj. důkazem přítomnosti oxidu uhličitého CO 2 ve vydechovaném vzduchu, jež je produkován v našem těle. Tím se okrajově dotýkáme oblastí zájmu biochemie. Vápenec Kalcit Vápenka Pálené vápno Hašení vápna Vápno je pojivo do malty. Při dýchání vzniká oxid uhličitý. 7

8 Vodní kámen Reakcí produkovaný uhličitan vápenatý CaCO 3 je hlavní složkou vodního kamene, jehož problematika je v dnešní době často řešena v domácnostech u některých domácích spotřebičů. Je vhodné zmínit jednoduché způsoby jeho odstraňování běžně dostupnými a levnými prostředky (ocet, kyselina citronová apod.) Krápníky Spojitost mezi rozpustným hydrogenuhličitanem vápenatým Ca(HCO 3 ) 2 a nerozpustným uhličitanem vápenatým CaCO 3 znázorněná chemickou reakcí ve Schématu 3 je základem tzv. narůstání krápníků. Mnoho jevů probíhajících v neživé přírodě se uskutečňuje na základě chemické reakce. Vodní kámen a jeho odstranění. Krápníky Provedený pokus a uvedené souvislosti zapadají do rámce problematiky anorganických sloučenin a výroby základních anorganických chemických surovin. Dotýká se rovněž oblastí biochemie a tzv. domácí chemie. Žáci se rovněž seznámí s přípravou roztoku, s typy směsí a možnostmi jejich přípravy resp. dělení. 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. 8