Název: Exotermní reakce Autor: Mgr. Jiří Vozka, Ph.D. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, fyzika Ročník: 3. Tématický celek: Kovy či redoxní děje Stručná anotace: Pracovní list je doplněn video záznamem aluminotermie (hliník a oxid železitý, Video 1). Video je možné použít v běžné vyučovací hodině (příprava a vlastnosti kovů, redoxní reakce), nebo v rámci teoretické přípravy na laboratorní práci. Učitel musí pohlídat dodržování bezpečnosti práce a zejména práci v ochranných brýlích. Časová dotace: Samostatná laboratorní práce je snadná, koncipována na 20 minut. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Pomůcky (seznam potřebného materiálu) Viz Pracovní list Teorie Viz Pracovní list Postup práce Viz Pracovní list Výsledky Po 20-30 sekundách došlo k samovznícení směsi. Fialový plamen vznikl v důsledku draselných iontů v plameni. Úkol č. 1: Výsledná reakce 14 KMnO 4 (s) + 4 C 3 H 5 (OH) 3 (l) 7 K 2 CO 3 (s) + 7 Mn 2 O 3 (s) + 5 CO 2 (g) + 16 H 2 O(g) Pozor! Dva atomy uhlíku v molekule glycerolu mají oxidační číslo I, třetí má oxidační číslo 0. Toto je nutné mít na paměti v redoxním schématu. Oxidačním činidlem je manganistan draselný, redukčním pak glycerol. Úkol č. 2: Barvy plamene pro jednotlivé kationty jsou následující: vápenatý cihlově červená, barnatý zelená, strontnatý karmínově červená barva, sodný žlutá, draselný fialová, lithný červená, mědnatý modrozelený. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, Laboratorní práce lze snadno rozšířit o plamenové zkoušky kationtů. Popřípadě o následující demonstrační experiment: Na Petriho misku (miska s velkou pravděpodobní praskne) položenou na nehořlavé podložce nasypte malou lžičku manganistanu draselného. Poté přidejte pár kapek koncentrované kyseliny sírové. Opatrně promíchejte skleněnou tyčinkou. Vznikne zelená látka (oxid manganistý). Na Petriho misku vhoďte smotek vaty (odličovací tampon, papírový kapesník). Protože je oxid manganistý velmi silné oxidační činidlo, dojde k okamžitému vzplanutí vaty. Video dokumentace: Video 1: Aluminotermie Zdroje:
ATKINS, P., DE PAULA, J.: Fyzikální chemie, 1. vydání, Praha: VŠCHT Praha, 2013. MAREČEK, A., HONZA, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl, 3. vydání, Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2002. NOVÁK, J. a kol.: Fyzikální chemie, bakalářský a magisterský kurz, Praha: VŠCHT Praha, 2008. http://vydavatelstvi.vscht.cz/echo/index.html, [cit. 2014-01-06]. http://www.vscht.cz/document.php?docid=9616, [cit. 2014-01-06].
Pracovní list pro žáka Exotermní reakce Laboratorní práce číslo:. Jméno Teorie Třída Datum Na začátku každé reakce je nutné dodat do systému určité množství energie (např. zahřáním). Této energii se říká aktivační energie E A, čím bude vyšší, tím je reakce energeticky náročnější. Dodanou energii systém využívá k tomu, že přejde do stavu tzv. aktivovaného komplexu (přechodový stav), pro který je charakteristické, že staré vazby jsou oslabené, nové začínají vznikat. Po proběhnutí reakce mohou nastat dva případy. Produkty chemické reakce jsou energeticky chudší, než byly výchozí látky, takové reakce označujeme jako exotermní (rozdíl energie se uvolnil v podobě tepla), nebo jsou produkty energeticky bohatší než výchozí látky, takové reakce označujeme jako endotermní. Exotermní reakce je tady taková reakce, při které dojde k uvolnění energie do okolí. Celý proces znázorňuje energetická křivka chemické reakce, tzv. reakční koordináta (Obrázek 1). Energie přechodový stav aktivační energie Reaktanty E A energie uvolněná do okolí Produkty Průběh reakce Obrázek 1: Reakční koordináta, která zobrazuje energetický průběh exotermní reakce. Příkladem exotermní reakce je aluminotermie, metoda výroby kovů využívající vysokou afinitu hliníku a kyslíku. Základem aluminotermie je reakce hliníku s oxidem kovu, při které hliník působí jako redukční činidlo, tzn. vyredukuje kov z jeho oxidu a sám přejde v oxid hlinitý. Touto metodou se vyrábí např. kovový chrom a mangan. Na Videu 1 pozorujte aluminotermickou přípravu železa. 2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2 Fe
Experimentální část Studujte samozápalnou směs manganistanu draselného a glycerolu. Chemikálie Manganistan draselný, glycerol (propan-1,2,3-triol) Pomůcky Keramická síťka (nebo jiná nehořlavá podložka), třecí miska s tloučkem, lžička, kádinka Postup práce Z jemně rozetřeného manganistanu draselného udělejte na keramické síťce malou hromádku. Do vrcholu hromádky udělejte důlek, do kterého poté z kádinky přikápněte pár kapek glycerolu. Směs pozorujte. Pozorování
Úkol č. 1: Vyčíslete chemickou rovnici pozorovaného děje. KMnO 4 (s) + C 3 H 5 (OH) 3 (l) K 2 CO 3 (s) + Mn 2 O 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(g) Pozor! Vyčíslení je poměrně obtížné. Je nutné správně určit oxidační čísla uhlíků v glycerolu. Která látka je oxidační činidlo? Která látka je redukční činidlo? Úkol č. 2: Doplňte do tabulky barvy plamene typické pro jednotlivé kationty. Kation Vápenatý Ca 2+ Barnatý Ba 2+ Strontnatý Sr 2+ Sodný Na + Draselný K + Lithný Li + Mědnatý Cu 2+ Barva plamene Závěr