2.10 Pomědění hřebíků. Projekt Trojlístek

Transkript

1 2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.10 Pomědění hřebíků. 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 Ve vodném roztoku síranu měďnatého se zahřejí nebo povaří železné hřebíky. Na povrchu hřebíků se vylučuje kovová měď, roztok mění barvu z modré na zelenou, vzniká síran železnatý. Železné hřebíky se pomědí. 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 (oxidace, koroze). Mezi okruhy zájmu patří problematika kovů a jejich solí, anorganických sloučenin, chemických reakcí, zejména redoxních reakcí. Co mají žáci znát: kovy; anorganické sloučeniny; chemické reakce; redoxní reakce. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k poznání některých anorganických materiálů a anorganických sloučenin, kovů a jejich solí, pochopení problematiky přípravy roztoků rozpustných solí. Realizace chemické reakce v reálném čase ilustruje možné způsoby provedení chemických reakcí, způsoby přeměny hmoty (chemických látek) doprovázené změnami vlastností látek jako jsou rozpouštění nebo srážení. Ilustrativní je rovněž možnost vizuální kontroly průběhu chemické reakce. Reakce v laboratorním měřítku demonstruje vizuálně snadno kontrolovanou chemickou reakci kovu a soli jiného kovu, tzv. oxidačně-redukční děj, při němž dochází ke změnám oxidačních stavů přítomných reaktantů. Oxidace a redukce jsou podstatou mnoha dějů, které probíhají v životním prostředí, dějů, které doprovázejí přeměny mnoha materiálů používaných člověkem, Co se žáci dozví: Co je a jak vypadá chemická látka. Co je chemický prvek. Co je anorganická sloučenina. Rozpouštění a srážení. Provedení chemické reakce. Oxidačně-redukční reakce. Výskyt a použití železa. Výskyt a použití mědi. Vlastnosti a použití síranu měďnatého. 2

3 jsou i podstatou mnoha dějů, které probíhají v živých organismech včetně lidského těla. S vystupujícími chemickými látkami se běžně setkáváme v každodenním životě a jsou běžně komerčně dostupné. 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O Železné hřebíky (bez povrchové úpravy) 5 ks 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 600 ml Skleněná tyčinka Laboratorní lžička Laboratorní teploměr Pinzeta min. 15 cm Elektrický vařič DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! NEZAPOMENOUT NA HŘEBÍKY! Cestou ze školy musím navštívit železářství nebo obchod pro domácí kutily a koupit potřebné množství železných hřebíků. 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 jednoho 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 V 600 ml kádince rozpustíme 2 g pentahydrátu síranu měďnatého CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) ve 200 ml vody, mícháme skleněnou tyčinkou do úplného rozpuštění soli. Přidáme 5 ks železných hřebíků, kádinku umístíme na elektrický vařič a její obsah zahříváme na teplotu C po dobu asi 5 minut. V průběhu realizace experimentu se na povrchu hřebíků vylučuje (sráží) červenohnědá pevná látka, původně modrý roztok mění svoje zabarvení do zelena. Po ukončení reakce vyjmeme opatrně pinzetou železné hřebíky a přemístíme je na papír (např. filtrační). Pozorujeme červenohnědý povlak, který lze např. pinzetou snadno odstranit. Pozn. Musíme použít obyčejné železné hřebíky. Nevhodné jsou povrchově upravené (pozinkované, pochromované apod.) nebo povrchově poškozené hřebíky (zoxidované neboli rezaté), v případě jejich použití je realizace pokusu neúspěšná. Hurá! Vylučuje se měď! DŮLEŽITÉ: Musíme použít obyčejné hřebíky! 9. Princip experimentu Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) rozpuštěný ve vodě reaguje s pevným kovovým železem za vzniku pevné kovové mědi a síranu železnatého FeSO 4 ve smyslu redoxní neboli oxidačně-redukční reakce. Zelené zbarvení vznikajícího rozpuštěného síranu železnatého (tzv. zelená skalice) dává roztoku odpovídající barevný odstín. Reakci můžeme popsat následující chemickou rovnicí (Schéma 1): CuSO 4 + Fe Cu + FeSO 4 Každý oxidačně-redukční děj je spojen s výměnou elektronů mezi reaktanty, přičemž jeden z reaktantů elektrony e - posky-tuje, oxiduje se, a současně druhý z reaktantů tyto elektrony e - přijímá, redukuje se. CuSO 4.5H 2 O je modrá skalice. FeSO 4.7H 2 O je zelená skalice. Schéma 1 Oxidace Redukce Probíhající chemický děj proto můžeme zjednodušeně zapsat jako reakci mezi mědí a železem ve formě následující chemické rovnice (Schéma 2): Cu 2+ + Fe Cu + Fe 2+ Schéma 2 4

5 Zde se kovové železo Fe oxiduje na železnaté kationty Fe 2+ tak, že poskytuje dva elektrony e -, jeho oxidační číslo se zvyšuje z 0 na +II. Druhý reakční partner, měďnatý kation Cu 2+, se redukuje na kovovou měď, přičemž tyto dva elektrony e - přijímá a snižuje svůj oxidační stav z +II na 0. Tuto elektronovou výměnu můžeme zapsat následujícími dílčími chemickými reakcemi (Schéma 3): Oxidační číslo oxidace: Fe 0 Fe e - redukce: Cu e - Cu 0 Voda v experimentu plní roli prostředí, tedy rozpouštědla. Vlastní chemické reakce se však voda nezúčastňuje (nepodléhá žádné chemické přeměně). 10. Bezpečnost práce Schéma 3 Rozpouštědlo Účinkující chemické látky a sloučeniny: H 2 O voda CuSO 4.5H 2 O síran měďnatý Fe železo FeSO 4 síran železnatý Cu měď 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. Síran měďnatý Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) je modře zbarvená pevná krystalická látka. Navzdory tomu, že látka je na základě svých vlastností klasifikována jako dráždivá, zdraví škodlivá a nebezpečná pro životní prostředí, nemusíme se práce s ní obávat, pracujeme s malým množstvím a s málo koncentrovaným roztokem. Přesto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. R-věty a S-věty: R22 Zdraví škodlivý při požití. R36/38 Dráždí oči a kůži. R50/53 Vysoce toxický pro vodní organismy, může vyvolat dlouhodobé nepříznivé účinky ve vodním prostředí. S22 Nevdechujte prach. S60 Tento materiál a jeho obal musí být zneškodněny jako nebezpečný odpad. S61 Zabraňte uvolnění do životního prostředí. Viz speciální pokyny nebo bezpečnostní listy. 5

6 H-věty a P-věty: H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. 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. Síran železnatý Síran železnatý heptahydrát FeSO 4.7H 2 O (tzv. zelená skalice) je zeleně zbarvená pevná krystalická látka. Navzdory tomu, že látka je na základě svých vlastností klasifikována jako dráždivá a zdraví škodlivá, při pokusu vzniká ve vodném roztoku, a to v nízké koncentraci. Proto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. R-věty a S-věty: R22 Zdraví škodlivý při požití. R36/38 Dráždí oči a kůži. S46 Při požití okamžitě vyhledejte lékařskou pomoc a ukažte obal nebo označení. H-věty a P-věty: H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. 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. Použité železné hřebíky zlikvidujeme v běžném komunálním odpadu. Roztok po reakci, což je velmi zředěný roztok síranu železnatého, doporučujeme likvidovat v kanalizaci. 6

7 Síran měďnatý je běžně komerčně dostupná chemikálie používaná např. k hubení škůdců v zemědělství, k impregnaci dřeva nebo k potlačení růstu řas v bazénech a vodních nádržích. Síran železnatý se používá k přihnojování rostlin jako jahodník, ovocné stromy, vinná réva nebo na okrasné trávníky. Použití modré skalice Použití zelené skalice 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 trvat na bezpečném provedení! 12. Přínos Pokus představuje velmi snadno realizovatelnou demonstraci oxidačně-redukčního děje probíhajícího mezi kovy a jejich solemi. Nabízí také jednoduchou vizuální kontrolu. Oxidace kovů (koroze železa, pasivace hliníku apod.) nás doprovází v každodenním životě a často je potřeba jí předcházet. Oxidace a redukce Oxidace a redukce nekovů, kovů i organických sloučenin jsou podstatou mnoha výrobních procesů i dějů probíhajících v živých organismech. Patří mezi ně např. výroba železa, výroba vápna, výroba mnoha základních chemických surovin jako kyseliny sírové, kyseliny dusičné, peroxidu vodíku, kyseliny octové, kyseliny akrylové. Z dějů probíhajících v lidském těle můžeme jmenovat např. oxidaci ethanolu jako proces metabolické přeměny požitého alkoholu. Železo a jeho soli Železo Fe se vyrábí prostřednictvím oxidačně-redukčního procesu z železné rudy (oxidy železa) a koksu (uhlík) v zařízení pojmenovaném vysoká pec. Ze sloučenin železa byl zmiňován síran železnatý (zelená skalice). Železnaté soli Fe 2+ (křemičitan železnatý) se přidávají do vstupní směsi surovin při výrobě skla a propůjčuje výslednému výrobku zelenou barvu (zelené pivní lahve). Železité soli Fe 3+ přítomné ve skle mu naopak dávají hnědou barvu (hnědé pivní lahve). Rezivění železa je vzdušná oxidace železa, vzniká směs oxidů. Oxidace a redukce kolem nás Železo Sloučeniny železa 7

8 Měď a jeho soli Měď Cu je kov, který člověk objevil a začal využívat dříve než železo, a to buďto ve formě kovové nebo ve formě slitiny s cínem, tzv. bronz (doba bronzová). Další známou slitinou mědi je mosaz, slitina mědi a zinku. Z mosazi se zhotovují např. žesťové hudební nástroje (trubka, saxofon, trombon). Měď, podobně jako železo, se vyrábí z rud oxidačně-redukčním procesem. Hojně používanou sloučeninou mědi je k pokusu využitý síran měďnatý (modrá skalice). K dalším známým sloučeninám mědi patří směs oxidů a hydroxidu mědi, ta vzniká oxidací na povrchu mědi jako zelená vrstva, měděnka, která překvapivě chrání měď před další korozí. Povrchová ochrana kovů Zmiňovaná přirozená oxidace kovů (koroze) má v případě železa a jiných kovů neblahé až destrukční účinky. Ochranou proti korozi jsou např. mazání a olejování, nátěry a antikorozní nátěry, smaltování a dále pokovování a galvanické (elektrolytické) pokovování. V případě některých kovů je povrchová oxidace (koroze) žádoucí, neboť na povrchu vznikající oxidy chrání materiál před další korozí (hliník, měď, zinek, olovo, cín aj.). Tento jev nazýváme pasivace. Měď Doba bronzová Mosaz Měděnka Koroze a ochrana Pasivace 13. Fotografie Počáteční a finální stav, eventuálně i průběh experimentu, můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Doba realizace pokusu je dokonce natolik krátká, že její průběh můžeme zaznamenat krátkou videosekvencí. 8