UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA METODY VÝZKUMU V OBLASTI PŘÍRODNÍCH VĚD SBORNÍK PŘÍSPĚVKŮ PŘEDNESENÝCH NA SEMINÁŘÍCH PROJEKTU VE ŠKOLNÍM ROCE 010/011 OLOMOUC, 011 Přírodovědec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědecko výzkumné práci v oblasti přírodních věd reg. č. CZ.1.07/.3.00/09.0040
Redakční rada sborníku Tomáš Opatrný (předseda) Libor Kvítek (výkonný redaktor) Členové: Karla Slavíčková, Věra Poláková, Lenka Copková Ediční rada sborníku: Doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc. Doc. RNDr. Taťjana Nevěčná, CSc. Doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. Prof. Mgr. Radomír Halaš, Dr. Neoprávněné užití tohoto díla je porušením autorských práv a může zakládat občanskoprávní, správněprávní popř. trestněprávní odpovědnost. Editor Libor Kvítek, 01 Univerzita Palackého v Olomouci, 01 1. vydání ISBN 978-80-44-3186-4 Přírodovědec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědecko výzkumné práci v oblasti přírodních věd reg. č. CZ.1.07/.3.00/09.0040
OBSAH Úvodní slovo editora...4 SEKCE CHEMIE STANOVENÍ VYBRANÝCH UKAZATELŮ JAKOSTI VOD...6 P. Baizová, P. Ginterová REAKCE KYSELIN A ZÁSAD...10 M. Klečková, J. Kameníček, J. Prášilová VÝZNAM STANOVENÍ BÍLKOVI A AMINOKYSELIN...0 L. Zajoncová SEKCE FYZIKA ENVIRONMENTÁLNÍ FYZIKA...8 R. Holubová KLASICKÁ OPTICKÁ HOLOGRAFIE...38 T. Medřík SEKCE MATEMATIKA APOLLONIOVY A PAPPOVY ÚLOHY A KRUHOVÁ INVERZE...49 J. Hátle NETRADIČNÍ ÚLOHY ŘEŠENÉ TRADIČNÍ MATEMATIKOU...55 V. Vaněk NETRADIČNĚ O KVADRATICKÝCH ROVNICÍCH A JEJICH SOUSTAVÁCH..64 J. Švrček MNOHOSTĚNY PRO PŘÍRODOVĚDCE...69 J. Molnár DOBRODRUŽSTVÍ PRAVDĚPODOBNOSTI...77 J. Fischer SEKCE SOČ VLIV NANOČÁSTIC KOLOIDNÍHO STŘÍBRA NA MIKROORGANISMY DRUHU SACCHAROMYCES CEREVISIAE...8 A. Kopecká, K. Trachtová, R. Prucek, A. Panáček, L. Kvítek 3
Úvodní slovo editora Technologický rozvoj moderní industriální společnosti dneška vyžaduje vysoce kvalifikované pracovníky výzkumníky a vývojáře s hlubokými znalostmi z oblasti přírodních věd, zejména pak matematiky, fyziky a chemie. Ovšem náročnost studia těchto oborů na všech stupních vzdělávání zapříčiňuje mezi studenty současnou dominantní preferenci humanitních oborů při přechodu ze střední na vysokou školu. V zájmu zachování konkurenceschopnosti ekonomicky vyspělých zemí v současném globalizovaném světě je proto nutné aktivně podporovat zájem mládeže o studium přírodních věd včetně jejich budoucího profesního uplatnění v přírodovědně či technicky zaměřených oborech. Projekt národního programu ESF OPVK Přírodovědec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědecko výzkumné práci v oblasti přírodních věd, reg. č. CZ.1.07/.3.00/09.0040 je právě jedním z nástrojů aktivního působení na středoškolské studenty, zaměřeným na podporu jejich zájmu o studium přírodních věd prostřednictvím pokročilého vzdělávání v matematice, fyzice a chemii, realizovaného vysokoškolskými pedagogy Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Přednášky a cvičení s obsahem blízkým vysokoškolské úrovni znalostí, ovšem s významným popularizačním nábojem ukazují studentům středních škol nové pohledy do vybraných přírodovědných oborů, které jim přibližují význam těchto oborů pro praxi a zvyšují tak motivaci studentů pro budoucí studium přírodních věd na vysoké škole a budoucí pokračování profesní kariéry v oblasti výzkumu a vývoje spojeného s podporovanými obory matematikou, fyzikou a chemií. Druhý rok řešení projektu ukázal neutuchající ohromný zájem středoškolských studentů o takový typ vzdělávání, který se projevil již v předchozí prvé fázi řešení projektu, které se ve školním roce 009/010 zúčastnilo více než 100 studentů v různých formách vzdělávání. I v tomto školním roce 010/011 zájem překračoval kapacity řešitelského týmu a hlavně kapacity výukových laboratoří, proto nebylo možno uspokojit všechny zájemce ze zapojených škol středomoravského regionu. I tak prošlo celoročním cyklem osmi celodenních seminářů na PřF UP Olomouc více než 40 studentů a týdenní intenzivní vzdělávací akcí Týden s přírodovědou dalších 40 studentů. Obsah vybraných přednášek a cvičení z těchto akcí je právě náplní tohoto sborníku, kde je jako ukázka z realizace další klíčové aktivity zaměřené na samostatnou vědecko výzkumnou činnost studentů uvedena práce ze soutěže SOČ, realizovaná studentkami z Gymnázia Jakuba Škody v Přerově. Na tomto místě je současně pravá chvíle poděkovat všem spolupracujícím středním školám a pedagogům, kteří nám na těchto školách pomáhali realizovat cíle projektu. V tomto školním roce se jednotlivých aktivit zúčastnili studenti ze 17 středních škol jmenovitě studenti Slovanského gymnázia Olomouc, Gymnázia Olomouc-Hejčín, Gymnázia Olomouc-Čajkovského, Reálného gymnázia a Základní školy města Prostějova, Gymnázia Jakuba Škody v Přerově, Gymnázia Jana Blahoslava a Střední pedagogické školy v Přerově, Gymnázia Lipník nad Bečvou, Gymnázia Hranice, SPŠ Hranice, Gymnázia Zlín-Lesní čtvrť, Gymnázia Mikuláše Koperníka v Bílovci, Gymnázia Jeseník, Gymnázia Šumperk, Gymnázia Šternberk, Gymnázia Uničov, Gymnázia Jana Opletala v Litovli a Gymnázia Zábřeh. Doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc. 4
CHEMIE 5
STANOVENÍ VYBRANÝCH UKAZATELŮ JAKOSTI VOD Pavlína Baizová, Pavlína Ginterová Katedra analytické chemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, 17. Listopadu 1, 771 46 Olomouc. E-mail: pavlina.baizova@upol.cz Abstrakt Cílem semináře bylo rozšířit středoškolským studentům znalosti a praktické dovednosti z analytické chemie, a to v oblasti analýzy vod prostřednictvím stanovení vybraných ukazatelů jakosti vod. Nejprve byli studenti seznámeni s problematikou týkající se vybraných ukazatelů vod, kterými byli chemická spotřeba kyslíku, tvrdost vody, konduktivita a ph. Následně měli možnost vyzkoušet si, zda jsou schopni získané znalosti uplatnit v praxi při uskutečnění experimentů v laboratoři. Dále byl kladen důraz na to, aby byli schopni získané výsledky vyhodnotit a následně je zařadit do příslušných kategorií a porovnat s povolenými hodnotami. 1. Úvod Vzhledem k tomu, že v poslední době je z důvodu zvětšujícího se znečištění přírodních a užitkových vod (např. splaškovými či průmyslovými vodami) kladen větší důraz na analýzu vod, hlavním cílem semináře bylo seznámit studenty s metodami, se kterými by se následně mohli setkat v praxi. Při výběru vhodných metod byl brán ohled také na časovou náročnost, manuální zručnost studentů a potřebné laboratorní vybavení. Pro ověření experimentálních zkušeností a teoretických znalostí studentů byly vybrány dvě úlohy spadající do oblasti titračních metod (stanovení chemické spotřeby kyslíku a tvrdosti vody) a dvě úlohy, u kterých měli studenti možnost využít instrumentální vybavení (měření ph a konduktivity).. Titrační metody Studenti byli seznámeni s teoretickými základy titračních metod. Následně byla podrobněji probrána problematika týkající se vybraných titračních metod, kterými byly oxidačně-redukční titrace (stanovení chemické spotřeby kyslíku) a komplexometrická titrace (stanovení celkové tvrdosti vody). Před samotným experimentálním měřením absolvovali praktickou ukázku sestavení potřebné titrační aparatury. Studenti měli za úkol stanovit celkovou tvrdost a chemickou spotřebu předloženého vzorku vody a výsledky porovnat s přípustnými normami..1 Stanovení chemické spotřeby kyslíku Chemická spotřeba kyslíku (CHSK) využívá principu oxidačně-redukční titrace, při které jsou organické látky vyskytující se ve vzorku vody oxidovány silným oxidačním činidlem. Manganistanová metoda určení CHSK (CHSK Mn ) je používána především pro 6
pitné a přírodní vody jako jejich nespecifický ukazatel pro míru organického znečištění vody. V případě pitné vody by hodnota CHSK Mn neměla překročit hodnotu 3,0 mg/l. Principem CHSK Mn je oxidace organických látek manganistanem draselným v kyselém prostředí kyseliny sírové (při desetiminutovém varu). Oxidace probíhá za přebytku manganistanu a množství spotřebované na oxidaci organických látek je zjištěno přidáním známého množství odměrného roztoku kyseliny šťavelové a následnou zpětnou titrací odměrným roztokem manganistanu draselného. + + MnO4 + 5( COOH ) + 6H Mn + 10CO + 8H O Pracovní postup: Do titrační baňky vložíme několik varných kamínků a odměříme 100 ml vzorku destilované vody (pro zjištění hodnoty V s ). Přidáme 5 ml roztoku kyseliny sírové (zřed. 1:) a 0 ml odměrného roztoku manganistanu draselného (přesná koncentrace viz zásobní láhev). Na hrdlo baňky položíme hodinové sklo a baňku umístíme na vařič. Směs zahříváme tak, aby se do pěti minut uvedla k varu, a poté udržujeme var po dobu deseti minut. K horkému roztoku přidáme 0 ml roztoku kyseliny šťavelové (c = 0,005 mol/l). Odbarvený horký roztok ihned titrujeme odměrným roztokem manganistanu draselného do stabilního růžového zbarvení. Dbáme na to, aby teplota při titraci neklesla pod 80 C. Stejný postup opakujeme pro předložený vzorek vody. Titraci provádíme 3x. Výpočty: CHSK Mn Ft ct ( Vt = Vs ) M ( O) 10 V v 3 [ mg / L] V t - spotřeba odměrného roztoku manganistanu draselného (ml); c t - koncentrace odměrného roztoku manganistanu draselného (mol/l); V s - spotřeba odměrného roztoku manganistanu draselného při slepém stanovení (ml); V v - použitý objem vzorku (ml); M(O) - relativní atomová hmotnost kyslíku; F t - titrační faktor (rovnice viz výše).. Stanovení celkové tvrdosti vody Tvrdost vody můžeme rozdělit na přechodnou, která je způsobena hydrogenuhličitany vápníku a hořčíku, a tvrdost trvalou způsobenou především sírany vápenatým a hořečnatým. Součtem těchto tvrdostí získáme tvrdost celkovou. Voda mající hodnotu tvrdosti do 0,7 mmol/l se považuje za velmi měkkou, nad 3,75 mmol/l se jedná o vodu velmi tvrdou. Pro stanovení celkové tvrdosti vody (koncentrace Ca + a Mg + iontů) je možno využít komplexometrickou (chelatometrickou) titraci. Principem chelatometrie je reakce stanovovaného kationu kovu s Chelatonem III (odměrným činidlem), při níž vzniká málo disociovaný, ve vodě rozpustný komplex (vždy v molárním poměru 1:1). Vzhledem k tomu, že stálost těchto komplexů je závislá na ph, je potřeba při chelatometrických titracích udržovat určitou hodnotu ph pomocí tlumivých roztoků. Indikace bodu ekvivalence je prováděna vizuálně, a to pomocí tzv. metalochromních indikátorů 7
tvořících slabý barevný komplex se stanovovaným kationem. Sledujeme tedy barevnou změnu roztoku způsobenou vytěsněním kationu z komplexu s indikátorem. Pracovní postup: Do titrační baňky odměříme 100 ml vzorku vody. Odměrným válcem přidáme 5 ml Schwarzenbachova pufru a na špičku špachtle indikátor eriochromčerň T. Roztok titrujeme 0,05 M odměrným roztokem Chelatonu III. V průběhu titrace sledujeme barevnou změnu (z vínově červené na modrou), která nastane v bodě ekvivalence, zapíšeme spotřebu Chelatonu III. Titraci opakujeme x. Z průměrné spotřeby Chelatonu III vypočteme celkovou tvrdost vody. Výpočty: c = c chel V chel 10[ mol / L] c chel - koncentrace odměrného roztoku Chelatonu III; V chel - spotřeba odměrného roztoku Chelatonu III 3. Instrumentální metody (měření ph a konduktivity) Studentům byla objasněna teorie týkající se analytických instrumentálních metod, kterými byly potenciometrie a konduktometrie. Následně byli seznámeni s přístroji potřebnými pro experimentální práci (ph metr, konduktometr). Byla provedena praktická ukázka kalibrace přístroje a správného zacházení s používanými elektrodami. Studenti měli za úkol změřit ph a konduktivitu předložených vzorků vody a destilované vody a naměřené výsledky porovnat. 3.1 Měření ph Hodnota ph je definována jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích můžeme hodnotu aktivity aproximovat hodnotou koncentrace a poté platí vztah: + ph = log c( H 3O ) Hodnota ph nabývá hodnot 0 až 14 a charakterizuje do jaké míry je daný vzorek kyselý či zásaditý. Destilovaná voda (neobsahující oxid uhličitý) má hodnotu ph rovnu 7, což je hodnota neutrální. Čím je hodnota nižší (oproti ph 7), tím je roztok kyselejší a naopak čím je hodnota vyšší (oproti 7), tím je roztok zásaditější. Hodnota ph vzorků vod je silně závislá na jejím chemickém a biologickém znečištění a také na teplotě, při které je měřena. Hodnota ph je významným ukazatelem jakosti pitné vody. Nejvhodnější hodnota ph pitné vody je v rozmezí 6,5 7,5. Mezní hodnota ph stanovená pro pitnou vodu je 6,5-9,0. Pracovní postup: Pomocí lakmusových papírků změříme přibližné ph předloženého vzorku vody a destilované vody. Dle pokynů vedoucího cvičení provedeme kalibraci přístroje (ph metru). Pomocí ph metru změříme postupně hodnoty ph předloženého vzorku vody a destilované vody. Naměřené hodnoty porovnáme. 8
3. Měření konduktivity Konduktivitou vody rozumíme míru koncentrace rozpuštěných disociovaných látek (iontů) ve vodě. Pomocí konduktivity můžeme tedy vyjádřit přibližný obsah minerálních látek, které jsou ve vodě obsaženy. Konduktivita je nejčastěji uváděna v jednotkách µs/cm (popř. ms/m). Pokud naměřenou hodnotu konduktivity vynásobíme 0,8 krát, získáme přibližnou hodnotu rozpuštěných látek v mg/l. Hodnoty konduktivity se pro destilovanou vodu pohybují v rozmezí od 0,5 do 3,0 µs/cm a v případě pitné vody má konduktivita průměrnou hodnotu okolo 400 µs/cm. Pracovní postup: Dle pokynů vedoucího cvičení provedeme kalibraci přístroje (konduktometr). Pomocí konduktometru změříme postupně konduktivitu destilované vody a předloženého vzorku vody. Naměřené výsledky porovnáme. 4. Závěr Hlavním cílem semináře bylo seznámit středoškolské studenty s problematikou týkající se vybraných parametrů analýzy vod. Studentům byla přiblížena teoretická část spadající do oblasti analytické chemie. Jednalo se především o titrační metody (oxidačně-redukční a komplexometrická titrace) a metody instrumentální (potenciometrie, konduktometrie). Následně měli možnost ověřit si získané znalosti a zlepšit si své praktické dovednosti při experimentální práci v laboratoři. V neposlední řadě měli povinnost samostatně vyhodnotit získané výsledky a porovnat je s povolenými normami. 5. Použitá literatura [1] Pitter P.: Hydrochemie, VŠCHT Praha, 009. [] Horáková M. a kol.: Analytika vody, VŠCHT Praha, 003. [3] Zýka J. a kol.: Analytická příručka, 1.díl, SNTL Praha, 1988. [4] Harvey D.: Modern Analytical Chemistry, The McGraw-Hill Companies USA, 000. 9
REAKCE KYSELIN A ZÁSAD Marta Klečková, Jiří Kameníček, Jana Prášilová Katedra anorganické chemie, Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého, 17. listopadu 1, 771 46 Olomouc, Česká republika. E-mail: marta.kleckova@upol.cz Abstrakt Základní chemické téma Teorie kyselin a zásad je možné doplnit řadou velmi zájímavých experimentů, které umožní žákům snadněji pochopit teorii této problematiky. V sérii zpracovaných laboratorních postupů si lze vybrat jak velmi jednoduché tak i náročnější experimenty, např. určování ph látek, stanovení koncentrace zásad potenciometricky, esterifikace, vlastnosti kyselin - efektní pokusy. Klíčová slova: teorie kyselin a zásad, měření ph, potenciometrie, esterifikace, efektní pokusy. 1. Úvod Známe několik teorií, které charakterizují definují kyseliny a zásady. Nejstarší je Arrheniova teorie, která je platná pro vodné prostředí, podle ní je kyselina látka schopná odštěpovat proton H + a zásada je látka schopná odštěpovat ion OH. Obecnější je teorie Brönstedova, dle které kyselina snadno odštěpuje proton H + (je donorem H + ), zásada proton H + snadno přijímá (je akceptorem H + ), např. HCl + H O H 3 O + + OH - chlorovodík je ve vodě kyselinou (donor H + ) + NH 3 + H O NH 4 + OH - amoniak je ve vodě zásadou (akceptor H + ) Je třeba si uvědomit, že síla kyseliny (zásady) vždy záleží na prostředí, ve kterém se nachází; kyselina je tím silnější, čímž snadněji proton odštěpuje (zásada tím silnější, čím snadněji proton přijímá). Některé látky (např. voda) se mohou chovat podle typu prostředí, ve kterém se nachází - někdy jako kyseliny, jindy jako zásady (jsou to tzv. amfolyty). K typické reakci kyselin a zásad patří neutralizace (reakce kyseliny s hydroxidem za vzniku příslušné soli a vody). H SO 4 + NaOH Na SO 4 + H O Reaguje-li kyselina s alkoholem, jde o esterifikaci, např. CH 3 COOH + C H 5 OH CH 3 COOC H 5 + H O Při reakci kyselin s neušlechtilým kovem může dojít k vytěsnění vodíku a vzniku soli, např. Zn + HCl ZnCl + H Některé kyseliny mohou mít navíc i oxidační účinky (konc. kyselina dusičná a konc. kys. sírová) a reagují i s ušlechtilými kovy (bez vzniku vodíku!), např. 10
Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) + NO + H O více konc. HNO 3 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) + NO + 4 H O konc. HNO 3 Kontrolní otázky: 1/ Jak se zbarví suchý ph papírek při reakci s parami HCl? / Chlorovodík HCl je silnou kyselinou ve vodě. Jak se bude chovat HCl v kapalném amoniaku a jak v bezvodé kyselině sírové? 3/ Napište neutralizační reakci kyseliny mravenčí s hydroxidem sodným. 4/ Jak roste či klesá síla kyseliny v řadě HF HCl HBr - HI a proč? 5/ Co to je lučavka královská a jaké má vlastnosti?. Chemické experimenty k tématu reakce kyselin a zásad Pokus1 Měření ph vzorků Pomocí ph-metru určete ph několika vzorků, které používáte v běžném životě. Pomůcky a chemikálie: Vzorky roztoků (např. mléko, mýdlo ), 5 zkumavek, kádinka, ph-metr, střička s destilovanou vodou; Před měřením se musí ph metr vždy nakalibrovat. Z časových důvodů, abyste zvládli všechny experimenty, je váš přístroj již nakalibrován a připraven k měření. Postup: Do kádinky nalij zkoumaný vzorek a do vzorku ponoř elektrodu ph-metru. Elektroda se nesmí dotýkat stěn kádinky. Po změření ph každého vzorku je třeba elektrodu opakovaně opláchnout destilovanou vodou ze střičky. Úkol (1): Hodnoty ph předložených vzorků: číslo vzorku vzorek 1.. 3. 4. 5. naměřené ph prostředí (kyselé, zásadité) Urči nejkyselejší vzorek..... nejzásaditější vzorek... Pokus Potenciometrické stanovení koncentrace zásady Acidobazickou titrací stanovujeme obsah kyseliny (acid) nebo zásady (báze) ve vzorku. Stanovení je založeno na neutralizační reakci, kterou můžeme vyjádřit jednoduchou rovnicí: HA + BOH AB + H O kyselina zásada sůl voda 11
Jedná-li se o reakci silné kyseliny HA a silné zásady BOH, proběhne neutralizace kvantitativně, zreaguje-li ekvimolární látkové množství reaktantů bod ekvivalence, který identifikujeme pomocí indikátoru nebo instrumentálně použitím ph-metru. V bodě ekvivalence, je látkové množství kyseliny stejné jako látkové množství použité zásady: n HA = n BOH jestliže n = c. V pak platí: c HA. V HA = c BOH. V BOH Pomůcky a chemikálie: Stojan, střička s destilovanou vodou, byreta, kádinka 100 ml, elektromagnetická míchačka, míchadlo, pipeta, balónek nebo pipetík, ph-metr se skleněnou elektrodou; 0,1 mol/l roztok HCl (přesná koncentrace je uvedena na štítku na lahvi), vzorek NaOH o neznámé koncentraci. Postup: 1. Z neznámého vzorku roztoku NaOH odpipetujeme 10 ml (V NaOH ) do kádinky a doplníme destilovanou vodou na cca 50ml.. Kádinku s roztokem postavíme na elektromagnetickou míchačku. Do kádinky s roztokem vložíme míchadlo a vyzkoušíme si nastavení rychlosti otáček míchadla. 3. Míchačku vypneme. 4. Elektrodu vyjmeme z ochranného roztoku, opláchneme destilovanou vodou a ponoříme do roztoku NaOH o neznámé koncentraci tak, aby nedošlo ke styku míchadla a elektrody. 5. Zaznamenáme si počáteční hodnotu ph roztoku. 6. Titrujeme odměrným roztokem cca 0,1 mol/l HCl. Titrační činidlo přidáváme po 0,5 ml. Po každém přídavku kyseliny zamícháme roztok a po vypnutí míchačky změříme ph. 7. Titrujeme tak dlouho, až dojde k výrazné změně ph a po dalších třech až pěti po sobě následujících přídavcích titračního činidla se ph roztoku dále nemění. Tabulka pro záznam změny ph roztoku v důsledku přidávání titračního činidla spotřeba titračního činidla (ml) ph roztoku spotřeba titračního činidla (ml) ph roztoku 1
Úkol (): Zapiš chemickou rovnicí probíhající reakci Z naměřených hodnot sestav titrační křivku. Obr. 1 Osy pro grafické zpracování závislosti ph na objemu titračního činidla titrační křivka ph roztoku 14 13 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 1 0 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 13 14 15 přídavek titračního činidla (ml) Urči z titrační křivky bod ekvivalence a spotřebu titračního činidla v tomto bodě. Vypočítej přesnou koncentraci titrovaného roztoku NaOH. 13
Pokus 3 Barevné přechody indikátorů Pro určení kyselosti či zásaditosti roztoků používáme acidobazické indikátory. Jsou to vlastně slabé organické kyseliny nebo zásady, které při změně ph prostředí změní barvu (protonizovaná a deprotonizovaná forma indikátoru mají odlišné zbarvení). HInd H + + Ind Pomůcky a chemikálie: Zkumavky, střička s destilovanou vodou; sada různých indikátorů, zásaditý a kyselý roztok (0,1 mol/dm 3 HCl, 0,1 mol/dm 3 NaOH); Postup: Do jedné zkumavky nalij 1- cm 3 kyseliny, do druhé 1- cm 3 zásady a do každé přikápni -3 kapky indikátoru. Zjisti barevné přechody předložených indikátorů v kyselém a zásaditém prostředí. Vyber z nich indikátory vhodné pro acidobazické reakce. Úkol (3): 1. Doplň do tabulky barevné přechody indikátorů při různém ph. indikátor kyselé prostředí barva zásadité prostředí barva acidobazický indikátor ANO - NE Pokus 4 Reakce koncentrované kyseliny sírové digestoř a) dehydratační účinky konc. H SO 4 Použijte ochranný štít Pomůcky a chemikálie: Petriho miska, Pasteurova pipeta, lžička, skleněná tyčinka, zkumavka, lžička, ( porcelánové misky a kádinka s vodou na sběr chemického odpadu produktů), střička s destilovanou vodou, ochranný štít, gumové rukavice; konc.h SO 4, cukr, špejle; Postup: Na Petriho misku dej půl kostky cukru a kousek špejle, do zkumavky nasyp pár krystalů skalice modré, na každý vzorek kápni konc.h SO 4 a nechej chvíli působit. 14
Úkol (4a): 1. Zaznamenej a vysvětli pozorované změny látek: cukr. špejle dřevo skalice modrá POZOR - po ukončení experimentu kostku cukru a špejli dej do porcelánových misek, do zkumavky se síranem měďnatým opatrně nalij do poloviny vodu ze střičky a směs vylij do kádinky na chemický odpad. b) zapálení lihového kahanu bez ohně (reakce konc. H SO 4 a KMnO 4 ) Použijte ochranný štít DEMONSTRAČNĚ Pomůcky a chemikálie: Pasteurova pipeta, lžička, skleněná tyčinka, porcelánové misky (do jedné nalijeme -3 cm 3 ethanolu) lihový kahan, střička s destilovanou vodou, kádinka s vodou na chemický odpad, ochranný štít, gumové rukavice; konc.h SO 4, manganistan draselný, ethanol; Postup: Na porcelánovou misku nalijeme asi -3 ml konc. H SO 4 (použijeme Pasteurovu pipetu) a opatrně přisypeme malou lžičku manganistanu draselného. Na skleněnou tyčinku nabereme vzniklou směs a přiložíme ji nad misku s ethanolem nebo ke knotu lihového kahanu. Pozorované změny zaznamenej. POZOR - vzniklé produkty slijeme do sběrné kádinky s vodou určené na chemický odpad. Úkol (4b): 1. Doplň a vyčísli chemické rovnice reakce probíhající v tomto experimentu. H SO 4 +... KMnO 4 Mn O 7 + H O +......Mn O 7... MnO +... O... + O... +... ethanol. Jakou barvu má oxid manganistý?... 3. Vysvětli probíhající chemický děj. 15
c) blesky ve zkumavce (reakce konc. H SO 4 a KMnO 4 ) Použijte ochranný štít DEMONSTRAČNĚ Pomůcky a chemikálie: Zkumavka, stojan, Pasteurova pipeta, lžička, skleněná tyčinka, střička s destilovanou vodou, kádinka s vodou na chemický odpad, ochranný štít, gumové rukavice; konc.h SO 4, manganistan draselný, ethanol; Postup: Do zkumavky upevněné ve stojanu nalijeme do výšky asi 1- cm koncentrovanou kyselinu sírovou (použijte Pasteurovu pipetu) a opatrně ji převrstvíme stejným množstvím ethanolu (ethanol přiléváme po stěně zkumavky ze střičky). Dáváme přitom pozor, aby se roztoky vzájemně nepromíchaly. Do zkumavky pak přisypeme několik krystalků manganistanu draselného a pozorujeme reakci. Vzniklé produkty nalijeme do sběrné kádinky s vodou určené na chemický odpad. POZOR při vylévání reakční směsi s produkty může dojít ke vznícení nezreagovaného ethanolu. Rovnice: viz předchozí pokus 4b) Úkol (4c): Vysvětli probíhající chemický děj. Pokus 5 Reakce koncentrované kyseliny dusičné xanthoproteinová reakce Koncentrovaná kyselina dusičná se například používá k nitraci organických látek. Při reakci konc. HNO 3 s aromatickými aminokyselinami, které jsou vázány v bílkovinovém řetězci, vznikají žluté nitroderiváty, jejichž zbarvení se v alkalickém prostředí prohloubí do oranžova. Tato reakce se používá k důkazu bílkovin, podle žlutého zbarvení produktu nese název xanthoproteinová (xanthos žlutý). (aromatické aminokyseliny: např. fenylalanin, tyrosin obsahují benzenové jádro) Pomůcky a chemikálie: 5 zkumavek, Pasteurovy pipety, kádinka (400 cm 3 ), kádinka na vodní lázeň (400 cm 3 ) skleněná tyčinka, lžička, gumové rukavice, ochranné brýle nebo štít; vzorky (např. uvařené vejce-bílek, kvasnice, mouka, sýr, škrob), konc.hno 3, 10% NaOH; Postup: Do zkumavky se vzorkem přidej 5-6 kapek konc. HNO 3 a krátce zahřej v teplé vodní lázni. Po zchladnutí přidej cca 1 cm 3 NaOH. 16
Úkol (5): Na základě změny zbarvení reakční směsi rozhodni, zda vzorek obsahuje bílkoviny. Pokus 6 vzorek 1.. 3. 4. 5. LÁTKA Biuretová reakce zbarvení po reakci bílkovina ANO - NE Aminokyseliny jsou vázány v řetězci bílkoviny peptidovou vazbou CO NH. Charakteristickou reakcí bílkovin, konkrétně jejich peptidových vazeb, s měďnatými ionty Cu + v alkalickém prostředí je biuretová reakce. Tuto reakci využij k důkazu bílkovin v několika látkách. Pomůcky a chemikálie: 6 zkumavek, stojan na zkumavky, Pasteurovy pipety, 3 skleněné tyčinky; vzorky látek, 5 % roztok síranu měďnatého, % roztok hydroxidu sodného, střička s vodou; Postup: K bílku a poté k jednotlivým vzorkům (cca půl malé lžičky) ve zkumavkách přidej asi 1- cm 3 vody, směs dobře promíchej tyčinkou. Potom do zkumavek se vzorky přikápni 3-4 kapky roztoku měďnaté soli a zamíchej. Přilij 1- cm 3 roztoku hydroxidu sodného, promíchej. Podle zbarvení reakční směsi rozhodni, zda vzorek obsahuje bílkovinu. vzorek LÁTKA zbarvení obsahuje bílkovinu ANO - NE bílek syrový A B C D E Úkol (6): Jaké zbarvení má reakční směs obsahující bílkovinu - produkt biuretové rekce... Přiřaď ke vzorkům A, B, C, D, E látku kvasnice, mléko, škrob, mouka, želatina. A =... B =... C =... D =... E =... 17
Pokus 7 Esterifikace a) příprava vonné esence butylesteru resp. amylesteru kyseliny octové Pomůcky a chemikálie: zkumavka, kádinky (50, 400 cm 3 ), 3 Pasteurovy pipety, hodinové sklo, skleněná tyčinka, elektrický vařič, ochranný štít nebo brýle, gumové rukavice; butanol (C 4 H 9 OH), amylalkohol (C 5 H 11 OH), koncentrovaná octová kyselina (CH 3 COOH), chlorid sodný, koncentrovaná kyselina sírová; Postup: Do kádinky s malým množstvím studené vody vlož zkumavku, do které odměř v tomto pořadí: 1 cm 3 kyseliny octové; 1,5 cm 3 butanolu nebo amylalkoholu a potom opatrně přidej po kapkách 0,5-1 cm 3 koncentrované kyseliny sírové (použij ochranný štít) a míchej tyčinkou. Zkumavku s reakční směsí zahřívej a míchej na vodní lázni téměř k varu (3-5 min.). Po vychladnutí nalij část vzniklého produktu na hodinové sklíčko s trochou pevného chloridu sodného. Posléze opatrně ke sklíčku přivoň. Do zbylé části reakční směsi ve zkumavce nasyp 1 lžičku NaCl, důkladně promíchej a přilij cca -3 cm 3 destilované vody a opět promíchej. Zkumavku nechej chvíli v klidu, pozoruj obsah ve zkumavce a poté přivoň k ústí zkumavky. Úkol (7a): Napiš chemickou rovnici probíhající reakce... Popiš vizuální změny ve zkumavce, jakou vůni jsi připravil... b) hoření methylesteru kyseliny borité Pomůcky a chemikálie: Stojan, držák, síťka, vařič resp. plynový kahan, špejle, zápalky, skleněná baňka, zátka se skleněnou trubičkou (až 1 m dlouhá), lžička, odměrný válec (50 cm 3 ); kyselina boritá, methanol (F, T); Postup: Do baňky upevněné na stojanu nasyp lžičky kyseliny borité a přidej 0 cm 3 methanolu. Baňku uzavři zátkou se skleněnou trubičkou opatrně zahřívej. Po chvíli k ústí trubičky přilož hořící špejli. Pozoruj zbarvení plamene. Úkol (7b): Doplň chemickou rovnici probíhající reakce H 3 BO 3 + 3 CH 3 OH.. + 3 H O trimethylester kyseliny borité Jakou barvu má plamen hořícího esteru?... 18
Pokus 8 Tajné písmo psané zředěnou kyselinou sírovou Pomůcky a chemikálie: Kousek filtračního papíru 0x0 cm, skleněná tyčinka nebo štětec, kádinka, kelímková svíčka; 5% H SO 4 Postup: Na filtrační papír nakresli jednoduchý obrázek roztokem kyseliny sírové (podepiš si ho tužkou) a poté nechej papír volně uschnout. Vysušený papír opatrně zahřívej nad plamenem svíčky. POZOR ať papír nechytne od plamene a nezačne hořet!!! Úkol (8): Vysvětli princip zviditelnění tajného písma....... 4. Závěr Téma Teorie kyselin a zásad je součástí základu učiva chemie na SŠ. Byly sestaveny jednoduché i náročnější experimenty, které mají za cíl pomoci učiteli při objasňování teoretických a pro žáky mnohdy abstraktních pojmů. Efektní pokusy svým překvapivým průběhem mohou podpořit zájem žáků o chemii. 5. Poděkování Příspěvek byl zpracován s podporou projektu OPVK Přírodovědec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědeckovýzkumné práci v oblasti přírodních věd., reg. č. CZ.1.07/.3.00/09.0040. 6. Použitá literatura 1. Hill, G.C., Holman J.S.: Chemistry in context. Hong Kong, Nelson 004.. Shakhashiri, B., Z.: Chemical Demonstrations, vol. 1-4, Wisconsin 1985. 3. M. Prokša, A. Tóthová: Školské chemické pokusy vo svetle aktuálnych požiadaviek didaktickej teórie a praxe, UK Bratislava, 005. 4. M. Klečková, Z. Šindelář: Školní pokusy z anorganické a organické chemie, UP Olomouc 1993. 19
VÝZNAM STANOVENÍ BÍLKOVIN A AMINOKYSELIN Ludmila Zajoncová Katedra biochemie, Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého, šlechtitelů 11, Olomouc-Holice, Česká republika. E-mail:ludmila.zajoncova@upol.cz Abstrakt Tento příspěvek se zabývá studiem těch nejzákladnějších látek předmětu biochemie, a to bílkovin a jeho základních složek aminokyselin. V textu se seznámíme s důkazy a metodami stanovení aminokyselin a bílkovin. 1. Úvod Bílkoviny obsahují všechny živé organismy. Informace o výskytu a koncentracích bílkovin a aminokyselin jsou důležité v mnoha oborech. Bílkoviny jsou základní složkou potravy. Pro živočišný organismus je potřebný přísun aminokyselin, který organismus nedokáže syntetizovat a musí být dodány s potravou v podobě bílkovin. Tyto aminokyseliny se označují jako esenciální. Některé aminokyseliny mohou v těle vznikat, ale jen z jiných esenciálních aminokyselin, například methionin může být syntetizován z homocysteinu, ale na druhou stranu homocystein sám vzniká jen z methioninu. Kvalita bílkovin v potravě se měří podle obsahu esenciálních aminokyselin. Čím je větší podíl esenciálních aminokyselin k neesenciálním, tím je bílkovina kvalitnější. Mezi vysoce kvalitní bílkoviny patří mléko, vejce a maso. Naproti tomu bílkoviny z rostlin mají často nedostatek určitých esenciálních aminokyselin. Proto při veganské dietě hrozí jejich nedostatek. Například bílkoviny z pšenice mají málo lysinu, bílkoviny z luštěnin zase málo methioninu. Lidský organismus potřebuje denně nejméně 80 g bílkovin. Proteiny jsou v trávicím traktu štěpeny volnými enzymy (trypsin, pepsin) nebo enzymy vázanými na membráně enterocytů. Jednotlivé aminokyseliny jsou resorbovány do krve, kde mohou být použity pro biosyntézy nebo katabolizovány (odbourávány). Důkaz a stanovení bílkovin má velký význam v klinické biochemii. Přítomnost bílkovin v moči naznačuje nějaký typ onemocnění, obvykle související s funkcí ledvin. V krevní plazmě se nacházejí stovky různých bílkovin, které se liší svou velikostí, koncentrací a především svou funkcí v organismu. Bílkoviny se tvoří hlavně v játrech. Koncentrace bílkovin v krevní plazmě se pohybuje v rozmezí 6 8 g/l. Při převodnění pacienta či malnutriční stavy způsobují hypoproteinémii, naproti tomu dehydratace se projeví hyperproteinémií. V některých případech může dojít ke snížení nebo zvýšení koncentrace jen jedné nebo několika málo bílkovin. Daleko více informací lze však získat sledováním změn v elektroforetických frakcích či přímo v koncentraci jednotlivých bílkovin. 0
. Význam a základní vlastnosti aminokyselin a bílkovin Bílkoviny se vyskytují ve všech živých organismech, kde plní celou řadu funkcí. Bílkoviny se uplatňují jako stavební kameny organismů, některé bílkoviny zprostředkovávají transport látek v organismu, jiné zajišťují pohyb organismu. Mnoho druhů bílkovin má katalytické vlastnosti a účastní se řízení a regulace v organismu. V živočišných organismech se tvoří specifická skupina látek- tzv. protilátky, které zajišťují ochrannou a obrannou funkci organismu. Všechny bílkoviny, které se vyskytují na Zemi, se skládají z dvaceti základních aminokyselin. Aminokyseliny mají dvě základní funkční skupiny aminovou (-NH ) a karboxylovou (- COOH). Hlavní funkční skupiny aminokyselin jsou navázány na α-uhlíku. Na tomto uhlíku je vedle funkčních skupin navázán 1 atom vodíku a postranní řetězec aminokyseliny. Za těchto podmínek je α-uhlík chirální, což znamená, že je schopen stáčet rovinu polarizovaného světla. Základní funkční skupiny COOH a NH + 3 mohou disociovat a vytvářet konjugované báze COO - a NH. V roztoku jsou pak kyselina a její konjugovaná báze v rovnováze: R-COOH R-COO - + H + R-NH + 3 R-NH + H + Podle ph okolního prostředí se pak ustavuje rovnováha. Při nízkém ph je v roztoku koncentrace vodíkových iontů vysoká, proto obě skupiny váží protony. Při zvyšování ph se nejprve uvolní proton z karboxylové skupiny, zatímco aminoskupina zůstává protonizována. Když je ph okolního roztoku vysoké, uvolní se proton i z aminoskupiny a obě skupiny se pak vyskytují ve stavu konjugované báze. Pro každou aminoskupinu existuje jistá hodnota ph, kdy má látka nulový volný elektrický náboj a nepohybuje se v elektrickém poli. Tato hodnota ph se označuje jako izoelektrický bod. 3. Důkazy a metody stanovení aminokyselin a bílkovin Bílkoviny v roztocích a jiných materiálech lze dokázat jednoduchými reakcemi. Xanthoproteinová reakce vychází z úvahy, že bílkoviny obsahují aromatická jádra příslušných aromatických aminokyselin (tryptofan, tyrozin a fenylalanin), která lze nitrovat působením kyseliny dusičné za vzniku žlutých nitrosloučenin. Biuretova reakce je založena na reakci měďnatých iontů s peptidovou vazbou, kdy vzniká komplex, který silně absorbuje světlo při 550 nm. Reakce není přímo specifická pro bílkoviny, nejjednodušší sloučenina, která reaguje s měďnatými solemi je biuret - kondenzační produkt močoviny. Kyselina sulfosalicylová sráží bílkoviny za vzniku zákalu až sraženiny. Tato reakce se dříve využívala v klinické biochemii k důkazu bílkovin v moči. Současná diagnostika bílkovin v moči spočívá ve využití diagnostických proužků, například Heptaphan. Diagnostické proužky využívají proteinovou chybu speciálního indikátoru, který se při ph < 3,5 barví jasně žlutě. Při ph vyšším dochází ke změně zbarvení přes zelenou až do modré. ph < 3,5 zajišťuje pufr obsažený v indikační zóně. Přidáme-li bílkovinu, váží se H + na zásadité skupiny proteinů a zbarvení přechází do zelena až modra (stejný efekt jako při zvýšení ph). Je-li moč bez bílkoviny, zóna je jasně žlutá. Když je přítomna bílkovina, zóna je zelená až modrá (stejně jako by došlo ke změně ph a nikoliv k přídavku bílkovin). 1
Proteiny ve vzorku lze stanovovat celou řadou metod. Jednak jsou to metody založené na interakci proteinů s ionty mědi (Biuretova metoda, Lowryho metoda nebo Bicinchoninová metoda), nebo metody založené na vazbě proteinů s barvivem Coomassie blue (metoda Bradfordové) a také metody stanovení proteinů z UV spektra. Biuretova metoda je založena na chelataci měďnatého iontu imidovými strukturami polypeptidu ionizovanými v silně alkalickém prostředí za vzniku červeno-fialového komplexu. Intenzita vzniklého zabarvení se měří spektrofotometricky. Lowryho metoda využívá dvousložkové činidlo. První složku tvoří biuretovo činidlo a druhou Folin- Ciocalteau (čti Folin-Čikoltovo) činidlo na fenoly. Polykyseliny fosfomolybdenové a fosfowolframové se redukují tyrosinovými zbytky proteinů a barví se modře. Bicinchoninová metoda využívá kyseliny bicinchoninové (BCA) ke spektrofotometrickému stanovení celkových proteinů založeném na alkalické redukci měďnatého iontu na měďný proteinem a následné chelataci měďného iontu kyselinou bicinchoninovou za vzniku červeného zbarvení. Coomassie barvivo (Brilliant blue G50) se váže na proteinové molekuly v kyselém ph dvěma způsoby. Trifenylmethanová skupina se váže na nepolární části proteinu a anion sulfoskupiny se váže na vedlejší řetězce aminokyselin nesoucí kladný náboj (např. arginin a lysin). Po vazbě barviva na proteiny dochází k barevné změně, která je úměrná množství proteinu. Proteiny absorbují v UV oblasti spektra. Proteiny, které obsahují vedlejší řetězce tyrozinu a tryptofanu absorbují světlo při 75 až 80 nm. Při vhodném naředění vzorku lze takto stanovit celkové proteiny z UV absorbance za použití kyvet z křemenného skla. Proteiny absorbují také při kratších vlnových délkách pod 40 nm, což je způsobeno přítomností tryptofanu, tyrozinu, fenylalaninu, histidinu, methioninu, cysteinu a peptidových vazeb. Absorbance při 05 nm je z velké části způsobena peptidovou vazbou. Jednotlivé složky bílkovin aminokyseliny obsahují různé funkční skupiny ve vedlejších řetězcích, které mohou být využity pro jejich identifikaci, popřípadě i stanovení. Arginin lze dokázat pomocí Sakaguchiho reakce, která je založena na působení alkalického bromnanu a α-naftolu za vzniku červeného zbarvení vzniklého produktu. Aromatické aminokyseliny (Tyr, Trp, Phe) lze dokázat nitrací pomocí nitrační směsi jako žlutě zbarvené produkty (Xantoproteinová reakce). Tyrosin a histidin reagují s diazotovanou kyselinou sulfanilovou za vzniku oranžových až červených kopulačních produktů (Paulyho reakce). Kondenzací tryptofanu s kyselinou glyoxylovou v silně kyselém prostředí kyseliny sírové vzniká červenofialový produkt. Reakce je citlivá a k jejímu provedení stačí stopy kyseliny glyoxylové obsažené ve starší kyselině octové, kde vzniká její oxidací. Oxidačně redukční reakcí ninhydrinu (,-dihydroxy-1,3-indandion) s volnými amino- a imino- skupinami vznikají barevné produkty. Reakcí s primárními aminoskupinami se vytváří modrofialový produkt, který se nazývá Ruhemanova violeť. Reakcí s iminoskupinami, např. u prolinu a jeho derivátů, je tento produkt žlutý. Tato reakce se označuje jako ninhydrinová reakce a využívá se také k detekci aminokyselin při tenkovrstvé chromatografii. Aminokyselina cystein a její oxidací vzniklý dimer cystin působením alkálií uvolňují za tepla sulfan, který lze dokázat srážením rozpustnou olovnatou solí za vzniku černé sraženiny sulfidu olovnatého. Směs aminokyselin můžeme získat např. úplnou hydrolýzou proteinů. Hydrolýza se provádí v kyselém prostředí, kde dochází obvykle k destrukci tryptofanu a z velké části serinu a threoninu, které nelze stanovit kvantitativně. Hydrolýza v alkalickém prostředí
vede k destrukci všech aminokyselin kromě tryptofanu. Nejvhodnějšími metodami pro dělení směsi aminokyselin jsou různé typy chromatografie. Hlavní rozdíly mezi aminokyselinami jsou v náboji a polaritě. Tyto diference lze využít při papírové, tenkovrstvé, iontoměničové, plynové chromatografii a vysokotlaké kapalinové chromatografii (HPLC). 4. Experimentální část 4.1 Důkaz aminokyselin tenkovrstevnou chromatografií (TLC) Princip: Jednotlivé aminokyseliny se liší v náboji a polaritě. Této vlastnosti lze využít při tenkovrstevné chromatografii na vrstvě silikagelu. TLC je separační metoda, která odděluje látky ve směsi na základě odlišné afinity jednotlivých složek směsi ke stacionární (nepohyblivé) a mobilní (pohyblivé) fázi. Tenkou vrstvu stacionární fázi tvoří obvykle silikagel nebo oxid hlinitý, který je nanesen na skleněnou desku, hliníkovou fólii nebo plastovou destičku. Pro praktické cvičení je nejvhodnější použít komerční produkt Silufol, který obsahuje hliníkovou fólii potaženou silikagelem. Silikagel je oxid křemičitý, jehož molekuly jsou zesíťovány přes molekuly kyslíku. Směrem k povrchu destičky jsou na atomy křemíku navázány OH skupiny. Struktura je patrná z obrázku 1. Navázané OH skupiny dávají povrchu destičky polární vlastnosti s možností tvorby vodíkových můstků a dalších nekovalentních interakcí se separovanými látkami. Obr.1 Struktura silufolové desky Mobilní fázi tvoří směs rozpouštědel, která se nalije do chromatografické vany a do ní se postaví destička s naneseným vzorkem tak, aby byl nad hladinou rozpouštědla. Chromatografická vana se uzavře (obvykle se zakryje skleněnou deskou), aby došlo k nasycení prostoru parami rozpouštědla. Mobilní fáze vzlíná po desce směrem vzhůru a unáší sebou analyzovaný vzorek. Rychlost, jakou je unášen vzorek směrem vzhůru, závisí na rozpustnosti v mobilní fázi a na stupni interakce s fází stacinární. Čím je afinita vzorku ke stacionární fázi větší, tím pomaleji vzorek stoupá vzhůru. Když rozpouštědlo dorazí do ¾ destičky, vyjmeme desku z chromatografické vany a pozici rozpouštědla 3
označíme tužkou jako čelo. Schéma destičky je uvedeno v obrázku. Poté změříme vzdálenosti jednotlivých látek od startu a pro každou látku vypočítáme tzv. retenční (retardační) faktor Rf. Tato hodnota uvádí, jak daleko zůstává analyzovaná látka za čelem rozpouštědla. Hodnota Rf je pro každou látku v daném systému charakteristická. Pokud se nejedná o látky barevné, je třeba je zviditelnit. Když se jedná o látku fluorescenční, lze ji zviditelnit pomocí UV lampy. Často je třeba pro zviditelnění provést detekci pomocí chemických látek (činidel). Chromatografická destička se postříká činidlem (například pro aminokyseliny ninhydrinem), který zreaguje s látkami na barevné produkty. Obr. Schéma destičky TLC Chemikálie: % roztoky aminokyselin ve vodě, mobilní fáze ethanol-voda (7:3), 0,% ninhydrin v ethanolu. Materiál: Silufol, chromatografická vana se sklem na překrytí, elektrický fén, rozprašovač aerosolu, tužka, pravítko, špičky pro nanášení vzorků, sušárna. Pracovní postup: Na Silufolu vyznačíme tužkou jemně slabou čáru,5 cm od okraje (start). Jednotlivé vzorky aminokyselin nanášíme špičkou, vždy 3-4 kapky na stejné místo a průběžně sušíme fenem, aby nedošlo k rozpití skvrny. Skvrny vzorků nesmí být větší jak 3-5 mm. Fólii vložíme do chromatografické vany s mobilní fází tak, aby mobilní fáze vstupovala na fólii u startu. Jakmile se čelo dostane do vzdálenosti cm od konce fólie, destičku vyjmeme, označíme čelo a fólii vysušíme na vzduchu. Poté ji postříkáme aerosolem ninhydrinu a zahřejeme v sušárně 10 minut při 110 C. Vyhodnocení: Do tabulky zapíšeme hodnoty Rf standardních aminokyselin a hodnotu neznámých aminokyselin. Porovnáme hodnoty Rf a barvu skvrn. Tabulka 1. Detekce aminokyselin TLC Aminokyselina barva skvrny Rf 4
neznámý vzorek 4. Důkaz bílkovin 4..1 Xantoproteinová reakce Princip: Xantoproteinová reakce spočívá v nitraci aromatického jádra příslušných aromatických aminokyselin v proteinu (tryptofan, tyrozin, a fenylalanin). Působením kyseliny dusičné nastává nitrace aromatického jádra za vzniku žlutých nitrosloučenin. Nitrosloučeniny absorbují fotony modrého spektra, a proto mají žlutý charakter (doplňková barva modré je žlutá). Chemikálie: roztok vaječného bílku (v 50 ml vody), koncentrovaná kyselina dusičná, koncentrovaný amoniak. Materiál: stojan se zkumavkami, Pasteurovy pipety, hrnec, vařič, stojan na zkumavky do hrnce. Pracovní postup: Do zkumavky napipetujeme ml roztoku vaječného bílku a přidáme 1 ml koncentrované kyseliny dusičné a povaříme 5 minut na vodní lázni. Vznikne žlutá sraženina. Po vychladnutí se do zkumavky přidají ml koncentrovaného amoniaku. Po dosažení alkalické reakce bude směs oranžová. 4.. Biuretova reakce Princip:Měďnaté ionty vytvářejí v alkalickém prostředí s peptidovou vazbou komplexní sloučeniny. Vzniklý komplex silně absorbuje světlo v oblasti 540-560 nm. Biuretovu reakci poskytují látky, které mají v molekule alespoň dvě peptidové vazby (-CO-NH-) nebo dvě skupiny CO-NH. Reakce není specifická jen pro bílkoviny. Nejjednoduší sloučenina, která reaguje s měďnatými solemi v alkalickém prostředí, je biuret (kondenzační produkt močoviny), který obsahuje dvě peptidové vazby. Aminokyseliny ani dipeptidy nereagují. Chemikálie: roztok vaječného bílku ve vodě (50 ml vody), 10% NaOH, 5% CuSO 4, mléko, krystalky močoviny. Materiál: stojan se zkumavkami, Pasteurovy pipety, kádinka, skleněná tyčinka, hrnec, vařič, stojan na zkumavky do hrnce, ph papírky, kahan. Pracovní postup: Do zkumavky dáme ml roztoku vaječného bílku a přidáme ml 10% NaOH. Promícháme a po kapkách přidáváme 5% CuSO 4 až do vzniku modrofialového zbarvení. Pracovní postup s močovinou: Do suché zkumavky dáme 0,5 g močoviny a opatrně zahříváme nad plamenem. Po chvíli začne unikat amoniak, který lze poznat čichem nebo detekovat pomocí ph-papírku. Po vychladnutí se do zkumavky přidá 1 ml 10% NaOH a několik kapek roztoku 5% CuSO 4. Reakce má název podle biuretu (peptidová vazba CO-NH), který vzniká reakcí dvou molekul močoviny za odštěpení amoniaku a ten dává s měďnatou solí fialový komplex. 4..3 Důkaz bílkoviny (keratinu) ve vlasech Chemikálie: 10% NaOH, 1% CuSO 4. Materiál: vlasy, zkumavka, hrnec se stojanem na zkumavky, vařič, Pasteurovy pipety. 5
Pracovní postup: Chomáček vlasů povaříme s roztokem 10% NaOH. Po vychladnutí přidáme po kapkách roztok 1% CuSO 4. Vznikne modrofialové až červenofialové zbarvení, což dokazuje přítomnost keratinu bílkoviny ve vlasech. 4..4 Důkaz bílkoviny (lepku) v mouce Úvod: Lepek je směs dvou bílkovin gliadinu a gluteninu, které se nacházejí v endospermu semen některých obilovin (pšenice, žito, ječmen). Podle obsahu lepku se posuzuje kvalita mouky. Čím více lepku a méně škrobu, tím lepší mouka. Lepek dává těstu pružnost a gumovost. U malé části populace se projevuje nesnášenlivost na lepek, tzv. celiakie. Lepek je jedním z alergenů. V případě zjištění tohoto onemocnění, je třeba dodržovat bezlepkovou dietu. Chemikálie: mouka, ethanol, 10% NaOH, 1% CuSO 4. Materiál: zkumavky, stojan s filtračním kruhem, nálevka, filtrační papír, Pasteurovy pipety. Pracovní postup: 1 g mouky zalijeme ve zkumavce 5 ml ethanolu a 5 minut protřepáváme. Necháme ustát a přefitrujeme přes papírový filtr. Filtrát zahříváme na vodní lázni, až se vytvoří sraženina. Sraženinu oddělíme od roztoku filtrací a provedeme biuretovu reakci. Sraženinu přemístíme do zkumavky a přidáme ml 10% NaOH a 10-15 kapek 1% roztoku CuSO 4. Vznikne modrofialové zbarvení, což je důkaz bílkoviny (lepku) v mouce. 5. Závěr Bílkoviny a jejich hydrolytické produkty aminokyseliny se vyskytují ve všech živých organismech. Důkaz a především kvantitativní stanovení bílkovin či aminokyselin je důležité v mnoha oborech. Velký význam má stanovení bílkovin a aminokyselin při analýze potravin a také v klinické biochemii. 6. Použitá literatura 5. Peč P. a kolektiv (008). Laboratorní cvičení z biochemie UP Olomouc. 6. Zajoncová L. a kolektiv (01) Vybrané kapitoly z chemie (nejen pro střední školy) UP Olomouc. 7. Zajoncová L. (004) Praktická cvičení z klinické biochemie pro biochemiky UP Olomouc. 6
FYZIKA 7
ENVIRONMENTÁLNÍ FYZIKA Renata Holubová Katedra experimentální fyziky, Přírodovědecká fakulta UP, Tř. 17. listopadu 1, Olomouc, Česká republika. E-mail: renata.holubova@upol.cz Abstrakt V příspěvku jsou vymezeny základní okruhy problémů, které řeší environmentální fyzika. Zvláštní pozornost je věnována problematice globálních problémů - oteplování a problému šetření energií. S tím souvisí otázky stavby nízkoenergetických domů. Jsou vymezeny základní charakteristiky nízkoenergetických a pasivních domů. Klíčová slova: environmentální, fyzika, pasivní dům, globální problémy 1. Úvod Počátky environmentální výchovy sahají do 1. poloviny 0.století, kdy environmentalistika byla chápána jako výchova k ochraně přírody. Na mezinárodním fóru byl její obsah definován mezinárodní konferencí o biosféře UNESCO v Paříži v roce 1968 a dále upřesňován celosvětovým programem IEEP organizací UNESCO a UNEP. Environmentalistikou v dnešním pojetí rozumíme zkoumání vzájemného působení člověka a ekosystémů. Environmentalistika se také zabývá prevencí znečišťování prostředí a nápravou vzniklých škod a prevencí nežádoucích zásahů. Nezbytnou součástí environmentálního vzdělávání je studium životního prostředí prostřednictvím jednotlivých vědních oborů. V neúplném výčtu environmentalistika zahrnuje: ochranu přírody i člověka (péči o zdraví lidské populace), monitoring složek životního prostředí, využívání přírodních zdrojů, nakládání s energiemi. Environmentální fyzika zahrnuje nejen studium fyzikálního prostředí, ale její součástí jsou aspekty fyziky atmosféry, půdy, různé aspekty aplikované fyziky apod. Je definována jako fyzika odhalování a měření environmentálních problémů s využitím přístrojového zabezpečení různých oblastí fyziky a využitím metod matematické fyziky. Řešené problémy úzce souvisí se společností a s ekonomickým systémem společnosti. a) Souvislost s ekonomickým systémem: zdroje energie a jejich přeměna v mechanickou energii a elektřinu jsou zdrojem znečištění na své cestě k využití v zemědělství, průmyslu, domácnosti. Je třeba měřit míru znečištění ve všech oblastech (hluk, znečištění vzduchu změny klimatu, transport odpadů do míst vzdálených od zdroje jejich vzniku). b) Většina problémů řešených environmentální fyzikou souvisí s problémem energie. c) Život ve skleníku: život je ovlivněn určitými danými fyzikálními podmínkamipovrch Slunce má teplotu asi 5800 K, emisní spektrum má maximum při vlnové délce 500 nm odpovídající energii fotonů,48 ev (vznik fotochemických reakcí), vzdálenost Země Slunce (1,49.10 11 m) a poloměr Země (6,4.10 6 m) vede k zachycení 0,46.10-9 části sluneční energie. Předpokládáme-li, že Slunce září jako 8
absolutně černé těleso o poloměru 6,96.10 8 m a teplotě 5800 K, lze zjistit, že na Zemi dopadá 1399 W.m - energie. Aktuální hodnota solární konstanty je málo nižší S 1370 W.m -. Je to hodnota, která zajistí průměrnou teplotu povrchu zemského 88 K (15 o C). d) Hmotnost Země (6.10 4 kg ) a její poloměr je právě taková, že je schopna udržet atmosféru. Za stacionárního stavu je energie absorbovaná od Slunce stejná jako energie vyzářená Zemí, považujeme-li Zemi za AČT o teplotě asi 55 K. Část energie Slunce je však odražena zpět do prostoru - tzv. albedo a (difúzní koeficient reflexe). Rovnice energetické rovnováhy má potom tvar 4 ( 1 a) π R S = 4πR σt, (1) kde a = 0,34. Průměrná teplota povrchu Země je 88 K, atmosféry 55 K. Relativně vysoká teplota povrchu Země je způsobena přítomností plynů v atmosféře (vodní pára, CO, O 3, N O, CH 4 ). Tyto plyny absorbují větší část teplotní radiace Země a odrážejí ji zpět na zemský povrch. Atmosférou prochází záření kratších vlnových délek, dlouhovlnné záření je pohlcováno tento jev je tzv. skleníkový efekt. Změna koncentrace těchto výše uvedených skleníkových plynů ovlivňuje změny klimatu na Zemi. V této souvislosti v rámci environmentální problematiky vyčleňujeme globální problémy lidstva v sociální rovině: 1,1 miliardy lidí bez přístupu k čisté pitné vodě a,6 miliardy se potýká s problémy s odpadní vodou do r. 030 bude svět potřebovat o 55 % více potravin než v současnosti, spotřeba přírodních zdrojů i vyrobené energie je velmi nerovnoměrná třetina světového obyvatelstva nemá částečně nebo vůbec přístup k elektřině v 19. st. bylo na Zemi jen 1, miliard obyvatel a v r. 000 už 6 miliard (ve. polovině 0. století nastal l00% nárůst obyvatelstva) zvyšuje se průměrný věk některé prognózy odhadují v r.050 počet obyvatel na 10 miliard největší populační exploze nastává v rozvojových zemích, kde je ale velmi špatná ekonomická situace à nestabilita, konflikty, války. Mezi další globální přírodními problémy lze zařadit: narušení ozónové vrstvy, degradace půd, odlesňování, ztráta různorodosti biodiverzity, kontaminace vod a půd. I když výčet problémů je rozsáhlý, za hlavní a nejvíce diskutovaný problém lze v přírodě považovat klimatické změny a problém energetických zdrojů. Většina vědců považuje za příčinu oteplování uvolňování skleníkových plynů důsledkem lidské činnosti, zejména při spalování fosilních paliv. Mezi závažné důsledky řadíme tání pevninských ledovců, zvýšení hladiny moří a tím zatopení nízko položených oblastí. Následně zesílí vysychání rozsáhlých oblastí - např. v Africe, Střední Asii, dojde k posunu vegetačních pásem ve všech oblastech, Evropu nevyjímaje. K tomu je nutno připočíst zvýšení frekvence přírodních extrémních katastrof díky vyšší vnitřní energii atmosféry. 9