4.01 Barevné reakce manganistanu draselného. Projekt Trojlístek

Transkript

1 4. Přírodní látky: zdroje, vlastnosti a důkazy 4.01 Barevné reakce manganistanu draselného. 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 Mangan se v manganistanu draselném vyskytuje v oxidačním stavu VII. Opatrnou redukcí manganistanu pomocí sacharózy v zásaditém prostředí lze pozorovat barevné změny, který tento proces doprovází. Výsledkem je pak mangan v oxidačním stavu IV. Redukce Mn VII na Mn IV. 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: chemické látky; anorganické sloučeniny; základy názvosloví. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Pozorováním velmi jednoduchého pokusu žáci získají jasnou představu o tom, co se děje při oxidačně-redukčních (redoxních) reakcích. Získají znalosti o tom, jakou jsou redoxní děje významnou skupinou chemických reakcí a jak změna oxidačního stavu ovlivňuje vlastnosti látek. Co se žáci dozví: Co je redoxní děj. Co je oxidační stav. 2

3 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Manganistan draselný KMnO 4 Hydroxid sodný NaOH Sacharóza C 12 H 22 O 11 (cukr) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 250 ml Odměrný válec 100 ml Laboratorní váhy Laboratorní lžička Erlenmayerova baňka 250 ml Skleněná tyčinka 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 a především přípravu roztoků. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 5 minut. Přípravu roztoků odhadujeme na 15 minut. ČASY: 5 minut 15 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase, změny v reakční směsi jsou vizuálně pozorovatelné během několika minut. Časy: Realizaci jednoho experimentu po předešlé přípravě odhadujeme na 5 minut. 5 minut 3

4 8. Laboratorní postup Příprava roztoku NaOH Do kádinky o objemu 250 ml nalijeme po odměření v odměrném válci 100 ml vody. Poté přidáme jednu pecičku hydroxidu sodného (můžeme odvážit 0,25 g). Roztok opatrně mícháme skleněnou tyčinkou do úplného rozpuštění hydroxidu. Při práci používáme ochranné brýle a rukavice. Příprava roztoku KMnO 4 Do Erlenmayerovy baňky odvážíme 0,005 g KMnO 4 (velmi malé množství postačí k intenzivnímu, ne však tmavému zabarvení roztoku, odhadem jedna středně velká jehlička). Do baňky přilijeme 180 ml vody a necháme manganistan draselný rozpustit. Poté přidáme asi ½ čajové lžičky cukru (2,5 g). Opět necháme cukr zcela rozpustit, opatrně mícháme. Barevná reakce manganistanu draselného Když máme oba roztoky připraveny, odměříme v odměrném válci 20 ml roztoku hydroxidu sodného, přilijeme jej do Erlenmayerovy baňky k roztoku manganistanu draselného s cukrem a krouživým pohybem baňku promícháme. Poté necháme baňku v klidu stát, reakce startuje během několika sekund. Připravte si papír a stopky. Zaznamenejte čas, za který se roztok zbarvil do jasně zelené a poté do žluto-oranžové barvy. Pak pokus zopakujte. Při přípravě roztoku hydroxidu ovšem zvolte dvojnásobnou navážku. Jak se zaznamenané časy změnily v závislosti na koncentraci hydroxidu sodného? Nespouštějte z baňky oči! Změny probíhají prakticky ihned. 9. Princip experimentu Manganistan draselný je v alkalickém prostředí pomalu redukován cukrem. Dochází k oxidaci primárních i sekundárních alkoholových skupin sacharózy. K reakci dochází pouze v alkalickém prostředí a kinetika reakce je silně závislá na koncentraci použitého hydroxidu sodného. V první fázi dochází k redukci Mn VII na Mn VI a barva roztoku se mění z růžové do zelené. V roztoku lze pozorovat tmavou modrou barvu, která vzniká pouze smísením obou zmíněných barev. Následně pak dochází k redukci Mn VI na Mn IV, která je spojena se změnou barvy roztoku na žlutou až hnědožlutou. Při vyšší koncentraci manganistanu může vznikat hnědá sraženina MnO 2, při dodržení doporučených koncentrací se oxid manganičitý vyskytuje v koloidní hydratované podobě a zabarvuje roztok do žluta. Jak již bylo uvedeno výše, čím vyšší bude koncentrace použitého hydroxidu, tím bude barevná změna rychlejší a jednotlivé přechody budou obtížněji postřehnutelné. Nezaměňujte sacharózu za jiné redukující cukry (cukry se snadno oxidovatelnou poloacetalovou skupinou), reakce je pak příliš rychlá. Sloučeniny Mn. Mangan se může vyskytovat v různých oxidačních stavech od Mn II (běžně se vyskytuje v podzemních vodách) do Mn VII. Stabilita jednotlivých oxidačních stavů je dána především prostředím, v jakém se vyskytují (kyselé, alkalické, přítomnost redukčních činidel apod.). Typickou vlastností manganu je tvorba nestechiometrických sloučenin, kdy se mangan vyskytuje zároveň ve více oxidačních stavech; např. Mn 2 O 3 není oxidem manganitým, ale ve skutečnosti se jedná o oxid manganato-manganičitý MnO.MnO 2. 4

5 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. Manganistan draselný Manganistan draselný je krystalická látka, známá též jako hypermangan. Používá se například při úpravě vody na pitnou, v domácnosti se dříve používal pro své desinfekční účinky. Přesto se jedná o látku, se kterou musíme manipulovat opatrně. Málo nebezpečné jsou pouze zředěné roztoky. Při práci používejte ochranné brýle a rukavice. Při potřísnění oděvů lze skvrny odstranit pomocí octa. Při zasažení očí důkladně vypláchnout vodou. Při zasažení kůže postačí důkladně omýt. Skvrny na kůži po zasažení samovolně mizí do 48 hodin. Při požití nevyvolávejte zvracení, volejte lékařskou pomoc. H-věty a P-věty: H272 Může zesílit požár; oxidant. H302 Zdraví škodlivý při požití. H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P210 Chraňte před teplem/jiskrami/otevřeným plamenem/ horkými povrchy zákaz kouření. P221 Proveďte preventivní opatření proti smíchání s hořlavými materiály. 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. Nezapomínejte na ochranné pomůcky! Hydroxid sodný Hydroxid sodný je látka žíravá a může způsobit poleptání. Přestože při tomto experimentu pracujeme s velmi zředěným roztokem, je při práci s ním nutno dbát zvýšené opatrnosti. Je možné, aby roztok byl připraven předem ve větším množství a žáci se tak vyhnuli práci s pevným NaOH. Na druhou stranu je třeba připomenout, že s poměrně koncentrovaným roztokem hydroxidu sodného se můžeme 5

6 setkat v řadě čisticích prostředků např. pro čištění odpadů, potrubí nebo kuchyňských trub. Používá se také při bělení textilií. Při práci s hydroxidem sodným je nezbytné používat ochranné brýle a rukavice, rovněž doporučujeme použít vhodný ochranný oděv. Při styku s kůží je místo vhodné omýt 3% kyselinou citronovou a důkladně opláchnout vodou. Při zasažení vysoce koncentrovaným roztokem vždy vyhledejte lékaře. Při zasažení očí několik minut promývat pod tekoucí vodou s otevřenými víčky, vždy vyhledat očního lékaře. Při požití vypláchnout ústa a hojně zapíjet vodou, nevyvolávat zvracení, vyhledat lékařskou pomoc. H-věty a P-věty: H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. P260 Nevdechujte prach/dým/plyn/mlhu/páry/aerosoly. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. 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. Likvidace roztoku po provedení reakce je možná v kanalizaci po naředění vodou. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je velmi jednoduchý, vyznačuje se malou potřebou chemického vybavení a je velmi efektní. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky, je však možné předvádět jej jako demonstrační. Vzhledem k použití hydroxidu sodného je možné tento roztok připravit centrálně a žáci pak nepřijdou do styku s čistou látkou, ale pouze s velmi zředěným roztokem, který je málo nebezpečný. Je nutno důrazně trvat na bezpečném provedení! 6

7 12. Přínos Pokus by měl demonstrovat význam oxidačně-redukčních reakcí a výrazné změny, které takové reakce doprovázejí a jsou často pozorovatelné pouhým okem. Oxidačně-redukční reakce (redoxní reakce) Oxidačně-redukční reakce jsou reakce, při kterých dochází ke změně oxidačních čísel (stavů) atomů. Každá redoxní reakce je tvořena dvěma ději, které vždy probíhají současně oxidací a redukcí. Při oxidaci se oxidační číslo atomu zvyšuje (atom ztrácí elektrony), při redukci se oxidační číslo atomu snižuje (atom přijímá elektrony). Dochází tedy k výměně elektronů mezi oxidovanou a redukovanou látkou. Dokážete uvést příklad redoxní reakce ze života? Uplatnění redoxních reakcí Redoxní reakce se uplatňují nejen v chemicko-technologických procesech při výrobě chemických látek anorganické i organické povahy, ale probíhají také v přírodě všude kolem nás. Oxidace probíhá například při hoření, kdy produktem kromě tepla jsou také konečné oxidační produkty látek (voda ve formě vodní páry, oxid uhličitý, oxidy dusíku apod.). Oxidačně-redukční procesy se uplatňují při dýchání (tvorba a opětovný rozklad ATP adenosin trifosfátu) i biochemických výrobách, kdy organický substrát je oxidován pomocí bakterií. Oxidanty se uplatňují mimo jiné při desinfekci vody (použití chlóru, chlornanu sodného nebo ozónu). Jistě by bylo možné najít mnoho dalších příkladů. Redukce je pak základním principem při výrobě kovů z přírodních surovin (výrobě železa, hliníku apod.). 13. Fotografie Počáteční, průběžný i finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Zaznamenáváme si, jak dochází k šíření zabarvení v kádince. 7