2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.11 Vlastnosti látek. (Skupenství, rozpustnost, hoření, rozklad) 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 Předvedení rozmanitých vlastností chemických sloučenin, látek a materiálů, jejichž znalost je nezbytná pro práci s nimi. Poznáváme různé vlastnosti látek. 4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Fyzika, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda (individuální látky, jejich směsi, látky anorganické a organické, rozpustnost, barva a chuť, hořlavost, hoření a hašení aj.). Co mají žáci znát: látky a jejich směsi; rozpustnost; barva a chuť; hoření a hašení. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Provedení jednoduchých ukázek a experimentů doplní teoretickou přípravu k předmětu i k laboratorní technice a položí základy správné laboratorní praxe, bezpečnosti práce a požární ochrany. Seznámí žáky s nutností dodržovat pravidla bezpečné práce a používat osobní ochranné pracovní prostředky (brýle, plásť, rukavice apod.). Znalost povahy a vlastností látek je nezbytná pro práci a nakládání s nimi. Získané znalosti a zkušenosti jsou přenositelné do běžného každodenního života, neboť chemické látky a přípravky se dnes vyskytují v takřka každé domácnosti, kde se skladují, pracuje se s nimi a jejich odpady a obaly se likvidují. Mnoho domácích nehod či úrazů spojených s prací s chemikáliemi často pramení z nevědomosti a neznalosti povahy používaných látek. Těm je možno předcházet například již pouhým přečtením etikety a přizpůsobením práce uvedeným doporučením. Co se žáci dozví: Co je chemická látka. Typy skupenství. Volba rozpouštědla. Rozpustnost. Rozpouštění a rozklad. Hořlavost. Hoření a hašení. Skladování. Likvidace odpadů a obalů. Používání osobních ochranných pracovních pomůcek. Pravidla bezpečné práce. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Benzín technický Aceton CH 3 COCH 3 Ethanol CH 3 CH 2 OH Toluen C 6 H 5 CH 3 Jod I 2 Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O Kyselina sírová H 2 SO 4 Voda H 2 O(l) Led H 2 O(s) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Laboratorní kahan (nebo propan-butanový kahan + kartuše) Zápalky Elektrický vařič Laboratorní špachtle Pinzeta (nebo laboratorní kleště) Kádinka 400 ml Kádinka 100 ml Hodinové sklo Pipeta Pipetovací balónek Zkumavka Držák na zkumavky Skleněná tyčinka Dělicí nálevka 250 ml se zátkou Laboratorní stojan Kruh Svorka křížová Bavlněná textilie Syntetická textilie (polyamidová tkanina, polyesterová tkanice) Cukr kostkový a cukr krystal Sůl kamenná (kuchyňská) Cigaretový popel Svíčka Hasicí přístroj práškový (CO 2 ) Plastové pohárky 50 ml 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 3
7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 15 minut. 7.2 Realizace experimentu Doba realizace ukázek a pokusů je odvislá od počtu experimentů vybraných z níže uvedené nabídky (kap. 8). Časy: Realizaci pokusů zaměřených na výklad a demonstraci rozmanitých vlastností látek a jejich směsí doporučujeme věnovat celou vyučovací hodinu (45 minut). ČASY: 15 minut 45 minut 8. Laboratorní postup 8.1 Skupenství Učitel seznámí žáky s příklady běžných látek rozdílných skupenství, znalosti rozšíří o skupenství prvků periodické tabulky (může ukázat dostupné příklady): plynné látky (vzduch, vodní pára, zemní plyn, propan-butan, acetylen, vodík, dusík, kyslík, fluor, chlor, vzácné plyny), kapalné látky (voda, ethanol, aceton, toluen, benzín, jediné dva kapalné prvky brom a rtuť), tuhé látky (led, grafit, železo, měď, hliník, cín, další nekovy a kovy). Výklad učitel doplní o teplotní změny (teplota tání, varu) a tepelné požadavky skupenských změn (skupenské teplo tání, výparné teplo apod.). Tání ledu, var vody a kondenzace páry Do kádinky o objemu 400 ml vneseme několik kostek ledu, pozorujeme změnu skupenství (tání). Následně kádinku umístíme na elektrický vařič a vodu zahříváme, pozorujeme změnu skupenství (var). Kádinku zakryjeme hodinovým sklem a pozorujeme změnu skupenství (kondenzace). 4
8.2 Barevnost Učitel připraví ukázku bezbarvých a barevných látek, zdůrazní možnost vizuálního posouzení identity nebo kvality látek. Výklad doplní o důvody barevnosti látek (pohlcování viditelného záření). Bezbarvá sacharóza a modrá modrá skalice Pozorujeme barevnost cukru (bezbarvý) a síranu měďnatého (modré zbarvení). 8.3 Chuť V kuchyni pracujeme obvykle s látkami určenými ke konzumaci. Pokud vizuální posouzení selhává, můžeme k rozlišení použít jiný ze smyslů, tedy chuť. Cukr a sůl Následující pokus situujeme do učebny, neprovádíme jej v laboratoři. Zrakem se pokusíme rozlišit krystalový cukr a kuchyňskou sůl umístěné v 50 ml plastových pohárcích. Posléze ochutnáme několik krystalků každé z obou látek a porovnáme s výsledky vizuálního zkoumání. 8.4 Vůně a zápach Vůně či zápach jsou silně individuální čichové vjemy. Čich je možno rovněž použít k hrubému posouzení známých látek. Učitel seznámí žáky se správným postupem čichového testování. Různé vůně Otevřenou láhev s neznámou látkou držíme v ruce ve výši prsou asi 50 cm od obličeje. Lehkým mávnutím volné ruky od hrdla láhve směrem k obličeji přineseme malé množství výparů od láhve k nosu. Opatrně, nikoli zhluboka, vdechneme malé množství takto zředěných výparů. Tímto způsobem můžeme posoudit některé běžně používané látky, jako jsou voda, ethanol, aceton, benzín, toluen apod. 8.5 Látka anorganická vs. organická Pro jednoduché odlišení anorganické látky od látky organické můžeme použít zkoušku v plameni. Zkouška v plameni Malé množství chloridu sodného (kuchyňské soli) nabereme na laboratorní špachtli a přiblížíme k plameni laboratorního kahanu. Pozorujeme změny krystalů na špachtli. Stejný pokus provedeme také se sacharózou (např. cukr krystal). 5
8.6 Hoření a požár Hoření je chemická reakce, jejíž podstatou je oxidace organické látky nebo organického materiálu kyslíkem (na vzduchu). Při hoření se uvolňuje velké množství tepla a vznikají zplodiny hoření. Neopatrnou manipulací s hořlavinou v blízkosti plamene nebo zdroje tepla může dojít k požáru. Učitel seznámí žáky se základními hořlavinami používanými v laboratoři (ethanol, aceton, diethylether, benzín, toluen, kyselina octová aj.) a se zásadami práce při jejich skladování a při manipulaci s nimi. Hoření tkanin Do pinzety nebo laboratorních kleští uchopíme malý proužek tkaniny (5 2 cm proužek látky, 5 cm tkaničky apod.) a umístíme k plameni kahanu. Otestujeme přírodní tkaninu (bavlna) a syntetickou tkaninu (polyester, polyamid, polypropylen aj.). Pozorujeme rozdíly v hoření, barvu plamene, zplodiny hoření a zbytky hoření (popel apod.). Zplodiny hoření Pokus realizujeme na volném otevřeném prostranství (školní dvůr apod.) nebo event. v laboratorní digestoři. Na nehořlavou nesavou podložku (betonová dlažba ev. obkladačka laboratorního stolu v digestoři) vylijeme asi 5 až 10 ml hořlavé kapaliny (ethanol, aceton, benzín, toluen aj.) a s nejvyšší opatrností podpálíme zápalkou. Necháme volně dohořet. Pozorujeme způsob a rychlost hoření, barvu plamene a množství uvolňovaných sazí. Zapálíme svíčku. Do plamene vložíme na několik sekund skleněnou tyčinku a po vyjmutí pozorujeme množství sazí. Postupně vkládáme tyčinku do různých míst v plameni. Hoří kostka cukru? Na hodinové sklo umístíme kostku cukru a zápalkou se ji snažíme zapálit. Poté kostku obalíme v cigaretovém popelu a opět ji na hodinovém skle zapálíme. 8.7 Hašení Učitel seznámí žáky s povinnostmi osob při vzniku požáru a se způsoby hašení drobných požárů v laboratoři. Hašení požáru Na nehořlavou nesavou podložku (betonová dlažba ev. obkladačka laboratorního stolu v digestoři) vylijeme asi 2 až 5 ml ethanolu a s nejvyšší opatrností podpálíme zápalkou. Uhasíme vlhkým hadrem. 6
Podobně vylijeme 5 až 10 ml ethanolu, podpálíme a opatrně uhasíme práškovým hasicím přístrojem. Do zkumavky odměříme asi 1 až 2 ml ethanolu, zkumavku umístíme do držáku zkumavek a opatrně za míchání zahříváme nad kahanem. Neprodleně po vzplanutí uvolňovaných par ethanolu hoření zastavíme sfouknutím plamene nebo zakrytím hrdla zkumavky hodinovým sklem či vlhkým hadrem. 8.8 Rozpustnost a polarita Do 250 ml dělicí nálevky vneseme laboratorní špachtlí malé množství síranu měďnatého CuSO 4 a jodu I 2. Přidáme 50 ml vody a 10 ml benzínu, protřepeme a děličku zavěsíme do kruhu na stojan. Po rozdělení kapalin vyhodnotíme rozpustnost obou rozpouštěných látek. 8.9 Rozklad Do 100 ml kádinky umístíme kostku cukru a pipetou přidáme 1 ml koncentrované kyseliny sírové. Pozorujeme chování směsi. 9. Princip experimentu Barevnost Barevnost látek způsobuje jejich interakce s elektromagnetickým zářením, konkrétně viditelným světlem. Některé látky pohlcují část viditelného světla a část odrážejí a lidskému oku se tak jeví jako barevné. Látka anorganická vs. organická Tuhé organické látky obvykle tají (nebo ev. podléhajií rozkladu) při teplotách zhruba do 300 až 350 C (t. t. vitamínu C je 192 C, sacharózy 186 C, naftalenu 80 C, kyseliny acetylsalicylové 135 C). Naopak velká většina tuhých anorganických látek podléhá tání při vysokých teplotách (t. t. železa 1535 C, uhličitanu vápenatého 1282 C, chloridu sodného 800 C). Přiblížením krystalů organické látky k plameni kahanu dojde k tání této látky (nebo ev. k rozkladu, zuhelnatění), naopak většina anorganických tuhých látek tát nebude. Takto můžeme s určitou pravděpodobností určit, zda se jedná o látku organickou nebo anorganickou. Hoření Organické látky se jsou tvořeny atomy uhlíku, vodíku a dalšími heteroatomy, kterými jsou často kyslík, síra, dusík, fosfor aj. Hořením organické látky vzniká vždy oxid uhličitý CO 2 a voda H 2 O. Při nedokonalém spalování vzniká vedle oxidu uhličitého 7
CO 2 i oxid uhelnatý CO a uhlík C. Vznikající uhlík pozorujeme ve formě sazí. Při hoření vzniká tím větší množství sazí, čím větší množství uhlíku na úkor dalších prvků je v hořící látce. Například molekulu toluenu C 6 H 5 CH 3 tvoří atomy uhlíku C a vodíku H v hmotnostních poměrech 91,3 % C a 8,7 % H. V molekule ethanolu C 2 H 5 OH jsou atomy C, H a O přítomné v hmotnostních poměrech 52,2 % C, 13,0 % H a 34,8 % O. Hořením toluenu tedy vzniká větší množství sazí. Sacharóza (řepný cukr) hoří poměrně nesnadno, je málo hořlavá. Hoření kostky cukru velmi usnadní její obalení v cigaretovém popelu. Přítomná stopová množství kovů pocházející z popela katalyzují oxidativní proces. Rozpustnost a polarita Empirická poučka praví, že podobné se rozpouští v podobném. Podobností se rozumí polarita rozpouštědla a rozpouštěné látky. Rozpouštědlem s nejvyšší polaritou je voda, mezi polární rozpouštědla dále řadíme alkoholy, kyseliny nebo estery, slabě polární jsou například ethery a nepolární jsou uhlovodíky jako hexan, heptan, cyklohexan aj. Z použitých látek se síran měďnatý CuSO 4 jako snadno disociovatelná sůl dobře rozpouští ve vodě a nepolární jod I 2 se naopak dobře rozpouští v nepolárním benzínu, který je směsí uhlovodíků. Rozklad Organický materiál (organická sloučenina nebo směs, rostlinná nebo živočišná tkáň) se působením silných minerálních kyselin rozkládá, mineralizuje. Průvodním jevem procesu je zuhelnatění rozkládaného materiálu. 10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemických látek, se způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba provést v případě poškození zdraví. Pracujeme v dobře větrané místnosti, v některých případech i v otevřeném závětrném prostranství. Výčet všech výstražných symbolů nebezpečnosti, standardních vět o nebezpečnosti (H věty) a pokynů pro bezpečné zacházení (P věty) přesahuje rámec tohoto dokumentu. Věnujte proto zvýšenou pozornost bezpečnostním opatřením uvedeným na obalech použitých chemikálií a přizpůsobte jim způsob práce. Používejte rovněž nezbytné osobní ochranné pracovní pomůcky. Seznamte se s bezpečnostními listy a mějte je k dispozici. 8
V případě poškození zdraví postiženého ošetřete dle zásad první pomoci, postupujte rovněž podle pokynů uvedených v bezpečnostních listech. Použité chemikálie shromažďujte v uzavřených tmavých obalech a na dobře větraném místě a společně s vyprázdněnými obaly je předejte k likvidaci (sběrný dvůr, periodický svoz nebezpečného odpadu v místě bydliště, likvidační firma apod.). 11. Poznámky ke strategii výuky Souhrn předkládaných pokusů k ilustrování základních vlastností chemických látek doporučujeme předvádět žákům jako sled demonstrací. Většina z nich se nehodí k individuálnímu nebo skupinovému provádění žáky. V průběhu přípravy a realizace pokusů je vhodné činnosti doprovázet výkladem principů jednotlivých jevů a dále výkladem zásad bezpečné práce a požární ochrany. Pokusy doporučujeme provádět v otevřeném závětrném prostranství a v dostatečné vzdálenosti od hořlavých předmětů. Jen některé z pokusů můžeme provádět v laboratoři. 12. Přínos Žáci se seznámí s některými důležitými vlastnostmi chemických látek, jejichž znalost je nezbytná pro práci v chemické laboratoři a znalost některých z nich dokonce i v běžném každodenním životě. Naučí se jednoduše a s pomocí smyslových orgánů, jako jsou zrak, čich a ve výjimečných případech i chuť, rozeznávat nebo identifikovat chemické látky. Na základě vlastností látek se žáci naučí odhadnout jejich schopnost rozpouštět nebo se rozpouštět. Naučí se posoudit dle chemické struktury látek jejich hořlavost a způsob jejich hoření a také jejich hašení. Seznámí se se způsoby hašení dle typu hořícího materiálu a rovněž dle jeho množství. 13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Průběh krátkých pokusů můžeme natočit videokamerou nebo fotoaparátem. 9