2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.12 Vyvíjení CO 2 bublinky kolem nás. Projekt úroveň 1 2 3
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 Po přídavku sody (prášek do pečiva) do roztoku kyseliny citronové se začne vyvíjet CO 2. Vznikající plyn je možné indikovat různými způsoby, například ho můžeme použít k nafouknutí balónku, případně jej pohlcovat do mírně alkalické vody s přídavkem indikátoru (fenolftalein) a pozorovat barevnou reakci. Oxid uhličitý se uvolňuje při reakci prášku do pečiva s kyselinou citronovou. 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 základních chemických látek (voda, CO 2, kyselina, zásada). Co mají žáci znát: voda; chemické látky, směsi; chemická reakce. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Experiment přispěje k pochopení zákonitostí složení hmoty z chemických látek. Žáci se seznámí s několika anorganickými látkami kyselé i zásadité povahy. Na jednoduchém případě bude demonstrován a vysvětlen princip neutralizační reakce a vzniku CO 2. Realizace chemické reakce v reálném čase ilustruje způsoby přeměny hmoty (chemických látek) doprovázené změnami fyzikálního chování a rovněž změnami skupenství. Oxid uhličitý je plyn, který je součástí základních životních procesů, jako je dýchání či fotosyntéza. Co se žáci dozví: Co je chemická látka. Reakce kyseliny a zásady. Vznik CO 2 a jeho vlastnosti. Anorganické látky. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Kyselina citronová C 6 H 8 O 7.H 2 O (citron) Hydrogenuhličitan sodný NaHCO 3 (prášek do pečiva) Fenolftalein indikátor Alkalická voda (1 g Na 2 CO 3 rozpuštěný v 1 l vody) 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 500 ml Odměrná baňka 500 ml Laboratorní lžička Brčko (ev. hadička) volitelně PET láhev a balónek DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! Jako zdroj kyseliny můžeme použít i citron 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutné zahrnout shromáždění uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Další fází je smíchání jednotlivých složek a pak vlastní vyvíjení CO 2. Vhodné je připravit si dopředu indikátor fenolftalein do zásobní nádobky. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 5 minut. ČASY: 5 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase. Časy: Dobu nutnou na smíchání chemikálií a vyvíjení CO 2 odhadujeme na 20-40 minut. 20-40 minut 8. Laboratorní postup Experiment se skládá z vytvoření roztoku kyseliny citronové, přimíchání hydrogenuhličitanu sodného a vyvíjení CO 2. Pokud si budeme chtít sami připravit indikátor fenolftalein, 3
rozpustíme 0,5 g čistého fenolftaleinu ve 100 ml 50% vodného roztoku ethanolu. Příprava roztoku kyseliny citronové V baňce (500 ml) postupně (tzn. po částech, po lžičkách) rozmícháme cca 5 g kyseliny citronové ve 250 ml pitné vody a zamícháme lžičkou. Alternativní postup: vymačkáme šťávu z jednoho citronu a rozmícháme ve 250 ml vody. Vlastní experiment K vodnému roztoku kyseliny přidáváme postupně (po lžičkách) NaHCO 3. Pomalu zamícháme a pozorujeme vznik bublinek CO 2. Alternativa: k vodnému roztoku kyseliny přisypeme postupně několik (3 až 5) prášků do pečiva. a) Vznikající plyn můžeme použít k nafouknutí balónku navlečeného na baňku s rozmíchanou směsí. b) Vznikající plyn můžeme hadičkou odvádět z baňky do kádinky s mírně alkalickou vodou (ph cca 9) a s přídavkem fenolftaleinu (5 až 10 kapek). Zde pak pozorujeme postupné odbarvování fialového roztoku. 3D vzorec kyseliny citronové CH 2 COOH HO C COOH CH 2 COOH Strukturní vzorec kyseliny citronové Účinkující chemické sloučeniny: Kyselina citronová C 6 H 8 O 7.H 2 O Hydrogenuhličitan sodný NaHCO 3 9. Princip experimentu Kyselina citronová ve vodném roztoku reaguje s hydrogenuhličitanem sodným za vzniku CO 2 podle následující rovnice (Schéma 1): C 6 H 8 O 7 + NaHCO 3 CO 2 + H 2 O + C 6 H 7 O 7 - Na + Schéma 1 Jedná se o neutralizační reakci, při které se vyvíjí CO 2 a dále vzniká voda a sodná sůl kyseliny citronové, která je ve vodě disociovaná, tzn. vyskytuje se ve formě iontů. Oxid uhličitý ve formě bublinek uniká z kapalné směsi, je možné jej pouze pozorovat nebo případně dále detekovat postupem popsaným v předchozí části. V případě, že vznikající CO 2 jímáme do alkalické vody s přídavkem indikátoru (fialově zabarvené), probíhá reakce podle rovnice (Schéma 2) CO 2 + OH - HCO 3 - Schéma 2 a při ph = 8,3 dojde k odbarvení roztoku (bod ekvivalence). 4
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. Kyselina citronová Kyselina citronová je organická kyselina a žíravina. Ve větších koncentracích může způsobit poleptání. Současně je ovšem pod označením E330 používaná jako běžné potravinářské aditivum. H věty a P věty: H315 Dráždí kůži. H318 Způsobuje vážné poškození očí. H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest. P260 Nevdechujte prach. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. 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. Fenolftalein Fenolftalein je zdraví škodlivá látka. Pro přípravu indikátoru se použije malé množství rozpuštěné v 50% vodném ethanolu, doporučuje se připravit jej dopředu. Ethanol je organické rozpouštědlo, vysoce hořlavé. H věty a P věty: H225 Vysoce hořlavá kapalina a páry. P210 Chraňte před teplem/jiskrami/otevřeným plamenem/ horkými povrchy. Zákaz kouření. P233 Uchovávejte obal těsně uzavřený. Hydrogenuhličitan sodný Hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda) nemá prokázané škodlivé účinky na lidské zdraví. Pod označením E500 je obsažen v řadě potravinářských přípravků (prášek do pečiva, pečící směsi, nápoje). Reakční směs po provedené reakci likvidujeme v kanalizaci. 5
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 vhodné používat ochranný oděv pracovní plášť. 12. Přínos Žáci se seznámí s principem neutralizační reakce. Budou uvedeny příklady jednoduchých kyselin a zásad. Použité chemikálie jsou běžně dostupné, případně se vyskytují jako součást řady potravinářských produktů či meziproduktů pod označením E330 a E500. Jako alternativu lze pro uvedený pokus použít přímo potraviny citron a prášek do pečiva, které obsahují výše zmíněné chemické látky. Oxid uhličitý je plyn, který je součástí základních životních procesů, jako je dýchání či fotosyntéza. Je těžší než vzduch, vyskytuje se i v podzemních prostorách, kde bývá označován jako jeskynní plyn. Nadměrná tvorba CO 2 vede rovněž ke vzniku tzv. skleníkového jevu. Žáci se mohou pokusit vysvětlit princip fotosyntézy a skleníkového efektu. 13. Fotografie Průběh experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. 6