Oborový workshop pro ZŠ CHEMIE

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. Oborový workshop pro ZŠ CHEMIE Téma: SRÁŽECÍ A REDOXNÍ REAKCE

2 SRÁŽECÍ REAKCE TÉMA: SRÁŽECÍ REAKCE AUTORKA: Mgr. MILAN KLEČKA, Ph.D. CÍL: Prakticky se seznámit s pojmem srážecí reakce, ověřit, jak srážecí reakce probíhají, které sloučeniny se vysrážejí a jsou tedy ve vodě nerozpustné. ÚVOD Srážecí reakce Při rozpouštění látek ve vodě dochází v různé míře k disociaci rozštěpení těchto látek na nabité částice ionty. Při srážecí reakci se pak jeden z produktů vylučuje z reakční směsi ve formě tuhé fáze (sraženiny). Jde o podvojné záměny, kdy vzájemnou reakcí dvou rozpustných látek (přítomných v roztoku ve formě svých iontů) vznikne nerozpustný produkt. Probíhající reakce se pak obvykle zapisují iontovými rovnicemi. Reakce může probíhat podle následujícího schématu: A + X - (aq) + B + Y - (aq) AY (s) + B + Y - (aq) V reakční nádobě vzniká suspenze nerozpustné látky AY (s) v roztoku látky B + Y - (aq). Vzniklou sraženinu pak oddělíme od roztoku filtrací. Co rozumíme označením pojmu látka rozpustná a látka nerozpustná: "látka je rozpustná" znamená, že její rozpustnost při 25 C je větší než 1 g látky na 100 g vody; "látka je nerozpustná" znamená, že její rozpustnost při 25 C je menší než 0,1 g látky ve 100 g vody. Filtrace za sníženého tlaku Odsáváme-li vzduch, snižujeme tlak pod filtrem a kapalina prochází filtrem rychleji. K tomu se používá odsávací baňka s boční trubičkou, kudy se odsává vzduch vodní vývěvou. V hrdle baňky je upevněna pomocí pryžové zátky Büchnerova nálevka (viz obrázek). Před filtrací se dno Büchnerovy nálevky přikryje kotoučem filtračního papíru s menším průměrem, než je průměr dna nálevky a navlhčí se pomocí střičky destilovanou vodou. Büchnerova nálevka filtrační papír podtlak (Obrázek aparatury převzat z literatury 1 ) 2

3 SRÁŽECÍ REAKCE ÚLOHY: 1. ÚKOL Připravte zlatý déšť - jodid olovnatý reakcí vodných roztoků jodidu draselného a dusičnanu olovnatého 1.1 Pomůcky a chemikálie 2x 250 ml Erlenmayerova (kónická) baňka, zátky, skleněná tyčinka, chemická lžička, odměrný válec (100 cm 3 ), keramická síťka, kahan; jodid draselný, dusičnan olovnatý 1.2 Postup Do jedné 250 cm 3 Erlenmayerovy (kónické) baňky navážíme 0,3 g jodidu draselného. Do druhé 250 cm 3 Erlenmayerovy (kónické) baňky navážíme 0,3 g dusičnanu olovnatého. Obě látky rozpustíme ve 100 cm 3 vody. Oba roztoky umístíme na keramickou síťku a zahříváme k varu. Roztoky odstraníme ze síťky těsně před tím, než dojde k varu. Ihned je pak slijeme do jedné z obou baněk a necháme pozvolna chladnout. Ochlazováním roztoků můžeme urychlit krystalizaci zlatavých jehliček jodidu olovnatého, které se v baňce snášejí jako zlatý déšť. 2. ÚKOL Připravte monohydrát síranu tetraaminměďnatého [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4. H 2 O 2.1 Pomůcky a chemikálie kádinky ( cm 3 ), skleněná tyčinka, chemická lžička, odměrný válec (100 cm 3 ), odsávací baňka, Büchnerova nálevka, váhy, hodinové sklo, pentahydrát síranu měďnatého CuSO 4. 5 H 2 O, koncentrovaný roztok amoniaku, ethylalkohol 2.2 Postup 5,0 g CuSO 4. 5 H 2 O rozpustíme ve 20 cm 3 vody a do vzniklého roztoku přidáváme zvolna za stálého míchání a za laboratorní teploty po malých dávkách koncentrovaný roztok amoniaku, až se původně vzniklá zelenomodrá sraženina hydroxidu měďnatého opět rozpustí na fialově modrý roztok. Připravíme si přibližně dvojnásobné množství ethylalkoholu a oba roztoky slijeme. Vyloučí se jemná krystalická sraženina komplexní soli [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4. H 2 O. Sůl odfiltrujeme na Büchnerově nálevce, promyjeme asi 20 ml ethanolu a vysušíme na vzduchu při laboratorní teplotě. 3

4 SRÁŽECÍ REAKCE 3. ÚKOL Připravte 10 g uhličitanu vápenatého srážením rozpustných solí vápenatých a rozpustných uhličitanů. 3.1 Pomůcky a chemikálie Skleněná tyčinka, 2 kádinky 250 cm 3, odměrný válec na 100 cm 3, teploměr, trojnožka, keramická síťka, kahan, chemická lžička, teploměr, laboratorní váhy, Büchnerova nálevka, odsávací baňka, vývěva, exikátor, sušárna. chlorid vápenatý (CaCl 2, CaCl 2. 2 H 2 O nebo CaCl H 2 O), uhličitan sodný (bezvodý - Na 2 CO 3, popř. Na 2 CO H 2 O) 3.2 Postup Navážíme 10,6 g Na 2 CO 3 (máme-li k dispozici Na 2 CO H 2 O, navážíme ho 29,1 g), rozpustíme v cca 50 cm 3 horké destilované vody. Dále navážíme 11,1 g CaCl 2, (máme-li k dispozici CaCl 2. 2 H 2 O, navážíme ho 14,7 g, popř. CaCl H 2 O, pak ho navážíme 21,9 g). Tuto látku rozpustíme ve 100 cm 3 horké destilované vody. Po rozpuštění obou látek roztoky za pomalého přilévání a míchání skleněnou tyčinkou sléváme. Vzniklou sraženinu necháme zchladnout za občasného promíchání. Po odstátí sraženiny a jejím zchladnutí (na teplotu C) ji zfiltrujeme na Büchnerově nálevce za sníženého tlaku. Sraženinu na filtru promyjeme troškou studené destilované vody. Po dostatečném odsátí kapaliny filtrační papír se sraženinou vyjmeme a na hodinovém sklu vložíme asi na 20 minut do sušárny. Po této době vysrážený uhličitan vápenatý vyjmeme ze sušárny, necháme krátce zchladnout v exikátoru a poté výtěžek pokusu zvážíme. 4. OTÁZKY A ÚKOLY Odpovězte na následující otázky 4.1 Jestliže hovoříme o látce rozpustné, znamená to, že se této látky rozpustí ve 100 g vody nejméně: a) 12 g b) 5 g c) 1g d) 0,1g 4.2 Jestliže hovoříme o látce nerozpustné, znamená to, že se této látky ve 100 g vody nerozpustí více než: a) 1 g b) 0,1 g c) 0,05 g d) 0,01 g 4

5 SRÁŽECÍ REAKCE 4.3 Při rozpouštění látek ve vodě se látka rozpadá na jednotlivé: a) malé krystalky b) nenabité části molekul c) elektricky nabité mikroskopické krystaly d) nabité částice ionty 4.4 Srážecí reakce probíhají většinou podle následujících schémat: a) 1 nerozpustná látka + 2. nerozpustná látka nová nerozpustná látka b) 1 nerozpustná látka + 2. rozpustná látka nová nerozpustná látka c) 1 rozpustná látka + 2. rozpustná látka nová nerozpustná látka 4.5 Sraženinu ze směsi (suspenze) z reakční nádoby můžeme oddělit: a) filtrací b) destilací c) zmražením d) zahřátím 4.6 Roztok, který proteče filtrem nazýváme: a) destilát b) filtrát c) suspenze d) emulze 4.7 Filtraci pomocí Büchnerovy nálevky urychluje v baňce pod nálevkou vznikající: a) chemická reakce b) vznikající nový produkt c) zvýšený tlak d) snížený tlak 4.8 Vysvětlete, jak ovlivňuje rozpustnost většiny látek zvyšující se teplota (jako příklad si představte rozpouštění cukru v čaji). Odpověď: Jestliže se teplota roztoku zvyšuje, rozpustnost látek obvykle: a) klesá b) je stále stejná (teplota rozpustnost neovlivňuje) c) vzrůstá d) u stejné látky a stejného rozpouštědla se může jednou zvyšovat, jindy snižovat 5

6 SRÁŽECÍ REAKCE LITERATURA emii.pdf 7. vody_k_uloham_z_anorganicke_chemie.pdf 6

7 TÉMA: REDOXNÍ REAKCE AUTORKA: Mgr. JITKA ŠTROFOVÁ, Ph.D. CÍL: Žák chápe pojmy oxidace a redukce, dokáže je vysvětlit. Na základě změny oxidačního čísla je schopen v chemické rovnici určit látky, které se oxidují nebo redukují. Podle pracovních návodů a pokynů učitele je schopen realizovat praktické úlohy, jejichž podstatou jsou redoxní reakce. Při práci respektuje pravidla o bezpečném zacházení s chemickými látkami, aby neohrozil zdraví své i ostatních účastníků workshopu. ÚVOD Mezi redoxní reakce patří hoření látek, dýchání organismů, děje spojené s výrobou kovů z rud, děje probíhající při elektrolýze a v galvanických článcích a řada dalších. 1 Jsou to reakce, při nichž probíhá oxidace a redukce. 2 Tyto děje jsou spojené s přenosem elektronů. Látka, která elektrony odevzdává, se oxiduje a ta, která elektrony přijímá, se redukuje. Oba děje oxidace a redukce probíhají vždy současně. Jestliže se nějaká látka oxiduje, musí se jiná redukovat a naopak. Důsledkem přenosu elektronů je změna oxidačních čísel. Při oxidaci se oxidační číslo zvyšuje a při redukci snižuje. Oxidační číslo 3 se zapisuje římskou číslicí vpravo nahoře ke značce prvku. Oxidační číslo může být kladné, záporné i nula. Kladná oxidační čísla nabývají celočíselných hodnot od I do VIII, záporná od IV do I. Oxidační číslo 0 mají volné atomy nebo atomy v molekulách prvků. Součet oxidačních čísel všech atomů v molekule je roven nule. Příklady oxidačních čísel prvků včetně zápisu jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1 Příklady oxidačních čísel prvků ve vybraných sloučeninách Název Vzorec oxid uhelnatý CO voda H 2 O uhličitan vápenatý CaCO 3 Oxidační čísla prvků uhlík II kyslík II vodík I kyslík II vápník II uhlík IV kyslík II Zápis Součet oxidačních čísel C II O II 1 (II) + 1 ( II) = 0 2 (I) + 1 ( II) = 0 1 (II) + 1 (IV) + 3 ( II) = 0 7

8 Některé prvky se mohou ve sloučeninách vyskytovat pouze v jediném oxidačním čísle, např. sodík, draslík I; hořčík, vápník, baryum II; hliník III. Jiné se mohou vyskytovat v různých oxidačních číslech, např. uhlík II v oxidu uhelnatém, IV v oxidu uhličitém a uhličitanech, IV v karbidech, síra IV v oxidu siřičitém a siřičitanech, VI v oxidu sírovém a síranech, II v sulfidech. Vodík má ve většině sloučenin oxidační číslo I, pouze v hydridech (sloučeniny vodíku s kovy) oxidační číslo I. Kyslík má ve většině sloučenin oxidační číslo II, v peroxidech I. Oxidační čísla jsou důležitá pro názvosloví anorganických sloučenin. Kladná oxidační čísla odpovídají koncovce přídavného jména v názvu sloučeniny. Přehled kladných oxidačních čísel a jim odpovídajících koncovek je v tabulce 2. Tabulka 2 Názvoslovné koncovky kladných oxidačních čísel 4 Oxidační číslo I II III IV V VI VII VIII Koncovka -ný -natý -itý -ičitý -ičný, -ečný -ový -istý -ičelý Ze zápisu chemické reakce je možné určit, zda se jedná o redoxní reakci či nikoliv. Například: hoření síry S + O 2 SO 2 S 0 + oxidační čísla se mění, je to redoxní reakce neutralizace kyseliny sírové hydroxidem sodným H 2 SO NaOH Na 2 SO H 2 O oxidační čísla se nemění, není to redoxní reakce Jak již bylo uvedeno výše, oxidace a redukce probíhají současně. Podle změny oxidačních čísel lze určit, která látka se oxidovala a která redukovala. (Z důvodu větší přehlednosti jsou v následujících rovnicích vyznačena pouze oxidační čísla prvků, která se mění.) 8

9 S 0 + S 0 S IV oxidace (oxidační číslo se zvyšuje) O 0 O II redukce (oxidační číslo se snižuje) N 0 N III redukce H 0 H I oxidace + + Zn 0 Zn II oxidace H I H 0 redukce + + Fe 0 Fe II oxidace Cu II Cu 0 redukce Látky, které mají schopnost jiné látky oxidovat, se označují jako oxidační činidla, samy se redukují. Patří mezi ně např. kyslík, chlor, peroxidy, chlorečnan, manganistan. Naopak redukční činidla jsou látky, které jiné látky redukují a samy se oxidují. Je to např. uhlík, sulfan, siřičitany, kovy. Významnými redoxními reakcemi jsou reakce, které probíhají při výrobě kovů. 1, 5 Jen velmi málo kovů se v přírodě vyskytuje v ryzí podobě. Většina kovů je vázána v rudách, což mohou být různé sloučeniny oxidy, sulfidy, uhličitany a další. Rudy se nejdříve upravují a převádějí se na oxidy. Z nich se kovy získávají redukcí uhlíkem, vodíkem nebo hliníkem. Při výrobě železa se nejdříve pyrit (FeS 2 ) pražením převede na oxid železitý a z něj se železo vyredukuje uhlíkem a oxidem uhelnatým. 4 FeS O 2 2 Fe 2 O SO 2 2 Fe 2 O C 4 Fe + 3 CO 2 Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 Podobně při výrobě olova z galenitu (PbS) se sulfid nejdříve převede na oxid olovnatý a ten se redukuje uhlíkem. 2 PbS + 3 O 2 2 PbO + 2 SO 2 PbO + C Pb + CO Metoda, která využívá redukční účinky hliníku, se označuje jako aluminotermie. Tímto způsobem se vyrábí chrom, mangan a kobalt. Podstatu aluminotermie při výrobě chromu vystihuje rovnice Cr 2 O Al 2 Cr + Al 2 O 3 9

10 V následujících úlohách budete provádět aluminotermii a některé další jednoduché redoxní reakce ÚLOHY: 1 ALUMINOTERMICKÁ PŘÍPRAVA ŽELEZA 1.1 Chemikálie a pomůcky Hliník krupice (Al), oxid železitý (Fe 2 O 3 ), peroxid barnatý (BaO 2 ), práškový hořčík (Mg), dusičnan draselný (KNO 3 ), porcelánový kelímek, úzká zkumavka, miska s pískem, laboratorní kleště, filtrační papír, lžička, laboratorní váhy, magnet, kahan, špejle. 1.2 Princip Podstatou aluminotermické přípravy železa je redukce oxidu železitého hliníkem Fe 2 O Al 2 Fe + Al 2 O 3 Jedná se o silně exotermickou reakci, při které se uvolňuje velké množství tepla a světla. 1.3 Postup Navažte 5 g hliníkové krupice (Al) a 15 g oxidu železitého (Fe 2 O 3 ) a opatrným přesypáváním na papíře z nich připravte směs, tzv. termit. Stejným způsobem připravte zápalnou směs složenou z 5 g peroxidu barnatého (BaO 2 ) a 7 g práškového hořčíku (Mg). Dále budete potřebovat zápalný papír. Ten připravíte tak, že do nasyceného roztoku dusičnanu draselného (KNO 3 ) namočíte na minut filtrační papír a po vyjmutí jej necháte uschnout volně na vzduchu. 6 Nyní začněte plnit porcelánový kelímek termitem a zápalnou směsí. Nejprve do kelímku nasypte termit (Fe 2 O 3 + Al) a doprostřed zabořte úzkou zkumavku. Termit kolem zkumavky důkladně udusejte, nejlépe obrácenou tužkou. Tento krok je velmi důležitý a na jeho pečlivém provedení závisí úspěch celého pokusu. Je-li termit dostatečně udusaný, vyjměte opatrně zkumavku a do vzniklého důlku vložte kousek srolovaného zápalného papíru tak, aby přečníval z kelímku asi 5 cm. Prostor mezi zápalným papírem a termitem vyplňte zápalnou směsí (BaO 2 + Mg), kterou nasypte i nahoru na termit. Takto naplněný kelímek vložte do misky s pískem v digestoři, hořící špejlí zapalte zápalný papír a odstupte do bezpečné vzdálenosti. Díky vysoké teplotě reakce kelímek pravděpodobně praskne a uvnitř zůstane vyredukované železo spolu se struskou, kterou tvoří oxid hlinitý. Magnetem ověřte vlastnosti připraveného kovu. oxid železitý hliník železo oxid hlinitý 10

11 1.4 Otázky a úkoly Doplňte text Termit je směs složená z a. Smícháním a jsme připravili zápalnou směs Zapište chemickou rovnicí reakci, která vystihuje podstatu aluminotermické přípravy železa, a vyznačte oxidační čísla jednotlivých prvků Podle změny oxidačních čísel v předchozí rovnici určete, který prvek se oxidoval a který redukoval. Tyto změny zapište. oxidace. redukce. 2 HOŘENÍ HOŘČÍKU 2.1 Chemikálie a pomůcky Hořčíková páska (Mg), fenolftalein, porcelánová miska, laboratorní kleště, kahan, střička s destilovanou vodou. 2.2 Princip Při hoření látek dochází k jejich reakci s kyslíkem. V tomto případě reakci vystihuje rovnice 2 Mg + O 2 2 MgO Reakcí oxidu hořečnatého s vodou vzniká hydroxid hořečnatý, jeho roztok se barví fenolftaleinem růžovofialově. hořčík kyslík MgO + H 2 O Mg(OH) 2 oxid hořečnatý voda oxid hořečnatý hydroxid hořečnatý 11

12 2.3 Postup Kousek hořčíkové pásky držte v kleštích a zapalte nad kahanem. Hořící hořčík držte nad porcelánovou miskou, až shoří, přikápněte ze střičky do misky trochu vody a přidejte pár kapek fenolftaleinu. 2.4 Otázky a úkoly Zapište chemickou rovnicí hoření hořčíku a vyznačte oxidační čísla jednotlivých prvků Podle změny oxidačních čísel v předchozí rovnici určete, který prvek se oxidoval a který redukoval. Tyto změny zapište. oxidace. redukce Zapište chemickou rovnicí reakci oxidu hořečnatého s vodou a vyznačte oxidační čísla jednotlivých prvků. Tato reakce je/není redoxní reakce. (podtrhněte správnou variantu) Doplňte text Reakcí oxidu hořečnatého s vodou vzniká. Po přidání fenolftaleinu byl roztok (barva). 3 LÉTAJÍCÍ PLECHOVKA 3.1 Chemikálie a pomůcky Zinek granulovaný (Zn), kyselina chlorovodíková zředěná 1:1 (HCl), Erlenmeyerova baňka (100 cm 3 ), plechovka, kahan, špejle. 12

13 3.2 Princip Při reakci zinku s kyselinou chlorovodíkovou vzniká vodík a chlorid zinečnatý Zn + 2 HCl H 2 + ZnCl 2 Vodík tvoří se vzduchem výbušnou směs, po zapálení dojde k explozivní reakci mezi kyslíkem a vodíkem 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Tlakem vodní páry je plechovka vymrštěna vzhůru. 3.3 Postup Z plechovky od nápoje odstraňte víčko a ve dně vyvrtejte otvor o průměru 3-5 mm. Na stůl položte špejli. Několik granulí zinku nasypte do Erlenmeyerovy baňky, přelijte kyselinou chlorovodíkovou zředěnou v poměru 1:1. Baňku přiklopte plechovkou a prstem ucpěte vyvrtaný otvor. Po chvíli postavte plechovku, stále otočenou dnem vzhůru, na stůl přes položenou špejli a druhou hořící špejlí zapalte plyn unikající otvorem z plechovky. 3.4 Otázky a úkoly zinek kyselina chlorovodíková Zapište chemickou rovnicí reakci zinku s kyselinou chlorovodíkovou a vyznačte oxidační čísla jednotlivých prvků. vodík chlorid zinečnatý Podle změny oxidačních čísel v předchozí rovnici určete, který prvek se oxidoval a který redukoval. Tyto změny zapište. oxidace. redukce Doplňte text a z nabízených možností podtrhněte správnou variantu Reakcí zinku s kyselinou chlorovodíkovou vzniká. Je to plyn bezbarvý/ barevný, bez zápachu/ zapáchající, je lehčí/ těžší než vzduch, hoří/ nehoří Zapište chemickou rovnicí hoření vodíku a vyznačte oxidační čísla jednotlivých prvků. 13

14 Podle změny oxidačních čísel v předchozí rovnici určete, který prvek se oxidoval a který redukoval. Tyto změny zapište. oxidace. redukce. LITERATURA 1. Beneš, P., Pumpr, V., Banýr, J.: Základy chemie 2. FORTUNA, Praha Vacík, J. a kol.: Přehled středoškolské chemie. SPN, Praha Beneš, P., Pumpr, V., Banýr, J.: Základy chemie 1. FORTUNA, Praha Sirotek, V., Karlíček, J.: Chemické výpočty a názvosloví anorganických látek. ZČU. Plzeň, Brown, G. I.: Úvod do anorganické chemie. SNTL, Praha Richtr, V.: Atraktivní pokusy ve výuce chemie. In: Chemie XIV (sborník Pedagogické fakulty ZČU). Pedagogická fakulta ZČU, Plzeň