2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.07 Krystalizace. 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 Tento jednoduchý pokus demonstruje rozdíl ve tvaru a velikosti krystalů síranu hořečnatého získaných v závislosti na podmínkách, za jakých je krystalizace uskutečňována. 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; roztoky; směsi. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Pozorováním velmi jednoduchého pokusu žáci získají informace o procesu krystalizace, tedy vylučování tuhé látky z roztoku. Dále pak pozorováním krystalů při zvětšení dokáží popsat vliv podmínek při krystalizaci na tvar a velikost vylučovaných krystalů. Osvojí si pojem rozpustnost, pochopí rozdíl mezi rozpustností jednotlivých látek ve vodě. Co se žáci dozví: Jak lze provést krystalizaci. Jak ovlivňují podmínky výsledek krystalizace. Co je rozpustnost. 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6. 1 Použité chemikálie Voda H 2 O Síran hořečnatý heptahydrát MgSO 4.7H 2 O Potravinářské barvivo (volitelné) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 2
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Odměrný válec 100 ml Kádinka 250 ml Laboratorní váhy Laboratorní lžička Váženka Pinzeta Zdroj tepla (kahan s trojnožkou a keramickou síťkou, elektrický vařič aj.) Chladnička 6.3 Přístrojové vybavení Lupa (případně mikroskop) 7. Časový harmonogram 7. 1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout nachystání všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí, přípravu roztoku a především dobu potřebnou ke krystalizaci vzorku. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 5 minut. Přípravu roztoků odhadujeme na 10 minut. 7. 2 Realizace experimentu Realizace experimentu vyžaduje delší dobu tak, aby bylo možné rozdíly dostatečně vysvětlit a popsat. Realizace se pak skládá z následujících částí: Časy: Příprava roztoku síranu hořečnatého za horka trvá cca 30 minut. Krystalizace volným chladnutím probíhá cca 180 minut (případně do druhého dne). Pozorování krystalů lupou, případně mikroskopem a záznam z pozorování trvá asi 15 minut. ČASY: 5 minut 10 minut 30 minut 60 180 minut 15 minut 8. Laboratorní postup Do kádinky o objemu 250 ml (nebo větší) odměříme odměrným válcem 50 ml destilované vody. Kádinku umístíme na trojnožku s keramickou síťkou nad kahan, případně na elektrický vařič a začneme zahřívat. Postupně do vody přidáváme 60 g síranu Při zahřívání roztoku dbejte zvýšené opatrnosti a použijte ochranné brýle! 3
hořečnatého za stálého intenzivního míchání. Roztok nevaříme! Po úplném rozpuštění roztok tuhé látky odstavíme a necháme mírně zchladnout na vzduchu. Poté kádinku s roztokem umístíme do chladničky (případně do chladné vody). K tvorbě krystalů dochází zhruba do 60 minut. Pro pozorování krystalů lupou nebo mikroskopem si vezmeme vzorek krystalů ze zásobní láhve síranu hořečnatého. Krystalizace této látky byla průmyslově provedena prudkým ochlazením nasyceného roztoku. Dále pomocí pinzety vyjmeme opatrně krystal síranu hořečnatého, který jsme připravili. Necháme chvíli oschnout na vzduchu a pozorujeme rozdíly. 9. Princip experimentu K vylučování tuhé látky z roztoku dochází při vzniku přesyceného roztoku. Přesyceného roztoku můžeme dosáhnout prakticky dvěma způsoby: změnou teploty nebo odpařením části rozpouštědla. Pro velkou část anorganických solí platí, že čím vyšší je teplota roztoku, tím vyšší je rozpustnost tuhé látky v roztoku. Ochladíme-li roztok nasycený při vyšší teplotě, pak dochází k vylučování krystalů z roztoku a získáváme nový nasycený roztok při nižší teplotě. Velikost a tvar vzniklých krystalů jsou závislé na krystalové mřížce anorganické soli a také na podmínkách, za kterých je krystalizace prováděna. Především se jedná o rychlost chlazení roztoku. Při prudkém zchlazení získáváme velké množství malých nevyvinutých krystalů, při pomalém ochlazení pak získáváme menší množství větších krystalů. Krystalizace je v podstatě opačným procesem k rozpuštění tuhé látky v rozpouštědle. Jedná se o oddělování složek ze stejnorodé směsi. Co je roztok? Co je suspenze? 10. Bezpečnost práce Síran hořečnatý heptahydrát Tato látka není klasifikována podle legislativy EU jako nebezpečná. Běžně se s ní setkáme jako se součástí trávníkových hnojiv nebo při léčivých koupelích, do kterých se přidává ve velkém množství (napodobení vody mrtvého moře). Likvidace roztoku po provedení reakce je možná v kanalizaci po naředění vodou. Chemikálie není nutné likvidovat zcela, krystaly je možné po vysušení na vzduchu opět použít (nesušte v sušárně, jedná se o hydrát). 4
11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je velmi jednoduchý, provedení umožňuje více možných variant pokusu. Doporučujeme připravovat nasycený roztok centrálně na jednom místě nebo v menší skupině žáků. Vlastní pozorování pak může probíhat individuálně v závislosti na vybavení pracoviště (školy). Se kterými dalšími látkami je vhodné provádět krystalizaci při výuce chemie? NaCl (chlorid sodný, kuchyňská sůl): běžně dostupná chemikálie, není nebezpečná, krystalizace volným odpařováním na vzduchu (např. týden). CuSO 4.5H 2 O (síran měďnatý pentahydrát, modrá skalice) tvoří velmi zajímavé krystaly při krystalizaci volným odpařováním (velké vyvinuté krystaly). Při krystalizaci rušené jsou krystaly naopak velmi drobné. Vhodnou alternativou k tomuto pokusu je krystalizace změnou rozpouštědla. Do roztoku CuSO 4 připraveného za laboratorní teploty (např. 2,5 g CuSO 4.5H 2 O v 10 ml vody) vneseme ekvivalentní množství (10 ml) ethanolu. Rozpustnost v 50 % ethanolu je výrazně nižší než v případě vody a dochází tak k vylučování krystalů i přesto, že množství rozpouštědla je dvojnásobné. Krystalizace jiných látek Krystalizace změnou rozpouštědla 12. Přínos Krystalizace je důležitým procesem v chemických výrobách, ale setkat se s ní můžeme i v běžném životě. Patří mezi separační metody. Díky procesu krystalizace se získává sůl z mořské vody nebo se tvoří krápníky v jeskyních. Krystalizace z taveniny pak měla za následek vznik polodrahokamů, které se na našem území hojně nacházejí (achát, kalcit, jaspis apod.). Krystalizace se také hojně používá pro čištění látek. Látka se rozpustí ve vodě nebo jiném vhodném rozpouštědle, mechanické nečistoty se odfiltrují a vyčištěná látka se přivede ke krystalizaci. Množství látky, které můžeme ve vodě rozpustit, je závislé na teplotě. Existují anorganické sloučeniny, které jsou ve vodě prakticky nerozpustné (např. vápenec CaCO 3, hydroxid hořečnatý Mg(OH) 2 atd.). Dále pak najdeme soli, jejichž rozpustnost s teplotou výrazně stoupá (např. síran hořečnatý MgSO 4 nebo dusičnan draselný KNO 3 ), další velkou skupinu látek tvoří takové, jejichž rozpustnost se s teplotou prakticky nemění Polodrahokamy Vlit teploty na rozpustnost 5
(chlorid sodný NaCl). Malou skupinu pak tvoří anorganické látky, jejichž rozpustnost s teplotou naopak klesá (chroman vápenatý CaCrO 4, hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 ). Závislost rozpustnosti na teplotě znázorňují tzv. křivky rozpustnosti na teplotě. Rozpustnost se vyjadřuje v g rozpuštěné látky na 100 g vody. Jestliže do roztoku přidáváme tuhou látku a ta se dále rozpouští, pak mluvíme o nenasyceném roztoku. Nastane-li situace, že po přidání látky již k rozpuštění nedochází, pak se jedná o roztok nasycený. Tuhé látky se mohou vylučovat (krystalovat) pouze z nasyceného roztoku. Nasycený roztok můžeme připravit tak, že odpaříme část rozpouštědla (vody) nebo výrazně snížíme teplotu. Získáme tedy tuhou látku v podobě krystalů a tzv. matečný roztok, ve kterém i nadále zůstává část rozpuštěné látky. Křivky rozpustnosti Závislost rozpustnosti na teplotě (zdroj: Lhotka M., Šulcová P., Bělina P. a kol., Úvod do anorganické technologie, VŠCHT Praha, 2012) Krystaly síranu hořečnatého vzniklé volným chladnutím Provedení krystalizace může být různé: Volná krystalizace krystalizace v klidu za pozvolného chladnutí. Při ní vzniká malý počet krystalizačních jader a tvoří se větší, více vyvinuté krystaly. Rušená krystalizace krystalizace prudkým ochlazením za míchání. Vzniká velký počet krystalizačních jader, krystaly jsou malé. Oba tyto typy krystalizace má smysl provádět pouze u látek, jejichž rozpustnost výrazně stoupá s teplotou. Volná krystalizace Rušená krystalizace 6
Krystalizace odpařením části rozpouštědla pro látky, u kterých se rozpustnost s teplotou mění jen velmi málo. Odpaření rozpouštědla se provádí volným odpařením na vzduchu, v exsikátoru, odpařením na vodní lázni nebo oddestilováním části rozpuštědla. Krystalizace přidáním třetí látky speciální typ krystalizace. Krystalizace látky dosáhneme snížením její rozpustnosti pomocí přídavku třetí látky. Bývá to látka dokonale mísitelná s původním rozpouštědlem (např. líh a voda), ve které se však krystalovaná látka nerozpouští a vylučuje se z roztoku. Krystalizace odpařením rozpouštědla Krystalizace přidáním třetí látky 13. Fotografie Počáteční, průběžný i finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Pokud váš mikroskop dovoluje pořízení fotografií, pak je možné rozdíly nasnímat. Případně můžeme fotit krystaly přímo při použití zoomu a režimu makro na fotoaparátu. Ke zvýraznění změn můžeme použít potravinářské barvivo, které v malém množství přidáme do roztoku. 7