1. Chemie a společnost 1.07 Přírodní indikátor ph. 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 Nakrouhané červené zelí se povaří s vodou. Připravený výluh se použije k indikaci ph rozmanitých chemických látek, přípravků, potravin, léků aj. Vodný výluh červeného zelí barevnou změnou indikuje kyselé/bazické roztoky (určuje ph). 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 (roztoky, kyselost a zásaditost, ph, souvislost kyselosti s kyselou chutí, využití kyselin a bází). Co mají žáci znát: roztoky; kyselost a zásaditost; škála ph. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Otázka kyselosti a bazicity má původ v chemickém chování látek v roztocích. Neznamená to však, že je výhradně objektem zkoumání vědního oboru chemie. Tento fenomén naopak zasahuje do mnoha oblastí lidského konání. Jmenujme například běžný výskyt kyselin a bází v přírodě (přirozeně v živočiších, rostlinách i člověku), jejich využití v potravinářství, v domácnostech, v různých odvětvích průmyslu jako je elektrotechnika, metalurgie, textilní a kožedělný průmysl nebo průmysl farmaceutický. Žáci se seznámí s rozmanitými druhy kyselých, neutrálních a zásaditých látek. Osvojí si a v praxi si ověří poznatek, že nejenom různé chemické indikátory, nýbrž i rozmanité přírodní materiály mohou indikovat ph vodných roztoků chemických látek. Naučí se pracovat s kyselinami a bázemi a připravovat nebo ředit jejich roztoky. Co se žáci dozví: Jaká je chemická příčina kyselosti a zásaditosti. Jak je definovaná škála ph. Způsoby měření ph. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Rozmanité kyseliny (chlorovodíková HCl, sírová H 2 SO 4, dusičná HNO 3, mravenčí HCOOH, octová CH 3 COOH aj.) Rozmanité báze (hydroxid sodný NaOH, hydroxid vápenatý Ca(OH) 2, amoniak NH 3, uhličitan sodný Na 2 CO 3 aj.) Různé potraviny (citronka, džus, ochucená minerální voda, ocet, jogurt, mléko aj.) Různá léčiva (acylpyrin, ibalgin, vitamín C, borová voda aj.) Jiné výrobky (mýdlo, tekuté mýdlo, čistič WC, calgonit, prášek do pečiva aj.) 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 1000 ml Elektrický vařič (alternativně trojnožka, síťka a lab. kahan) Krájecí prkénko a nůž (alternativně struhadlo) Červené zelí Skleněná tyčinka Zkumavka (10 ks) Stojan na zkumavky Lihový fix Pipeta 10 ml Pipetovací balónek Laboratorní lžička Střička s vodou DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! NEZAPOMENOUT NA VZORKY! Cestou ze školy musím navštívit obchod s potravinami, drogerií a lékárnu a nakoupit zvolené testovací vzorky. 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. Nesmíme však zapomenout opatřit si veškeré zamýšlené výrobky, které hodláme do experimentu zařadit. Nějaký čas nám tedy zabere nakupování v prodejnách potravin, v drogerii, v lékárně apod. ČASY: 10 minut 3
Příprava roztoku přírodního indikátoru, tedy vývar z červeného zelí, trvá zhruba 30 minut (krájení zelí, var, filtrace a následné chladnutí). Pokud zamýšlíme experimentu věnovat celou vyučovací hodinu, je vhodné připravovat roztok v rámci experimentu, nejlépe společně (ve skupině, třídě apod.). Pokud je časová dotace nižší, je vhodné roztok připravit předem. Zfiltrovaný roztok je možno uchovávat několik dní v lednici. 7.2 Realizace experimentu Doba realizace pokusu je odvislá od počtu zvolených testovacích vzorků, doporučujeme 5 10 vzorků. Rovněž závisí na tom, zda je potřeba připravené vzorky (chemikálie, přípravky, potraviny, léčiva) ředit či rozpouštět. 30 minut ROZHODNĚME SE: Roztok indikátoru si žáci připraví sami (delší varianta) nebo jej připravíme předem (kratší varianta). Časy: Vlastní indikace ph 20 minut. probíhá v krátké době, trvá maximálně 20 minut 8. Laboratorní postup Příprava indikátoru Asi 200 g hlávky červeného zelí nakrájíme na drobné kousky nebo nastrouháme. Vneseme do 1000 ml kádinky, přidáme asi 600 ml pitné vody a krátce povaříme za občasného míchání. Vzniklý vývar necháme vychladnout nebo ochladíme a dle potřeby zfiltrujeme. Připravený roztok, který má sytě fialovou barvu, je možno uchovávat několik dní v lednici. Indikace ph Do jednotlivých zkumavek připravíme asi 3 ml zředěných vodných roztoků (ev. 3 ml suspenze) testovaných vzorků. Z koncentrovaných kyselin a bází nebo pevných kyselin či bází připravíme asi 10% roztoky. Zkumavky popíšeme lihovým fixem. Ke každému vzorku přidáme zhruba 1 ml indikátoru z červeného zelí. Pozorované barevné změny zaznamenáváme. Testované roztoky se různě barví! 9. Princip experimentu Protolytická (acidobazická) reakce je rovnovážná chemická reakce probíhající mezi kyselinou a bází (zásadou). Kyselina je látka schopná odštěpit tzv. proton (vodíkový kation H + ) a báze je látka schopná tento proton H + přijmout. Reakce mezi kyselinou Kyselina a báze 4
a bází tedy spočívá ve vzájemné výměně protonu H +. Příkladem může být následující reakce kyseliny chlorovodíkové HCl s hydroxidem sodným NaOH, při které vzniká chlorid sodný NaCl a voda H 2 O (Schéma 1). HCl + NaOH H 2 O + NaCl Autoprotolytická reakce vody (zkráceně autoprotolýza) je reakce dvou molekul vody, při které dochází k výměně protonu a vzniká oxoniový kation H 3 O + a hydroxidový anion OH - (Schéma 2). Jedna molekula se chová jako kyselina a druhá jako zásada. Takové látky nazýváme amfoterní. H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - Rovnovážná koncentrace obou iontů je tedy shodná a je rovna hodnotě 10-7 mol.dm -3. Rovnovážná konstanta této rovnovážné reakce (tzv. iontový součin vody) je rovna součinu obou koncentrací a dosahuje hodnoty 10-14 mol 2.dm -6. Hodnota ph vyjadřuje koncentraci iontů H 3 O + ve vodném roztoku a nabývá tedy hodnot od 0 do 14: Výměna protonu H + Schéma 1 Autoprotolýza vody Oxoniový kation H 3 O + Hydroxidový anion OH - Schéma 2 Škála ph je od 0 do 14. je-li c(h 3 O + ) = 10 0 mol.dm -3, pak ph = 0; je-li c(h 3 O + ) = 10-7 mol.dm -3, pak ph = 7; je-li c(h 3 O + ) = 10-14 mol.dm -3, pak ph = 14. Roztok s ph = 0 je silně kyselý. Jak se hodnota ph zvyšuje, postupně se kyselost roztoku snižuje až k hodnotě ph = 7. Roztok s takovou hodnotou nazýváme neutrální. Roztoky s vyšší hodnotou ph nazýváme zásadité (bazické) a jejich ph může dosahovat až hodnoty 14. Příkladem může být vodný roztok kyseliny chlorovodíkové HCl o koncentraci 10-1 mol.dm -3. Disociaci kyseliny chlorovodíkové ve vodě znázorňuje Schéma 3. Jedná se o roztok silné kyseliny, koncentrace oxoniových kationtů H 3 O + v tomto roztoku bude tedy stejná (tzn. 10-1 mol.dm -3 ) a ph uvažovaného roztoku proto bude rovno 1. HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - Kyselý roztok má ph < 7. Neutrální roztok má ph = 7. Zásaditý roztok má ph > 7. Schéma 3 Hodnoty ph vodných roztoků chemických látek zjišťujeme měřením (ph-metry) nebo prostřednictvím rozmanitých acidobazických indikátorů. Jsou to organická barviva, jejichž zabarvení se mění v závislosti na hodnotě ph (neboli na koncentraci iontů H 3 O + v roztoku). Například fenolftalein je zbarven fialově v silně zásaditém roztoku, jinak je bezbarvý; kongočerveň zmodrá v silně kyselém prostředí; methylčerveň ve ph-metry 5
slabě kyselém prostředí mění barvu z červené do žluté. Indikátory se používají ve formě roztoků nebo ve formě indikátorových papírků, které jsou indikátorem napuštěné. Červené zelí obsahuje mj. skupinu rostlinných barviv anthokyany, které také mění barvu v závislosti na ph. Anthokyany proto můžeme využít jako přírodní indikátor ph. Kromě červeného zelí se vyskytuje přirozeně v červené řepě, černém rybízu, borůvkách, brusinkách, malinách, hroznovém vínu, grepech. Květům dává modré (pomněnky), červené (mák, růže) nebo fialové zbarvení. Používá se také jako potravinové barvivo (E163), je to bezpečná přísada do kyselých potravin, jako jsou víno, džusy, mléčné výrobky, zmrzliny aj. V praxi se setkáváme i s dalšími typy indikátorů. V domácnostech se běžně používají indikátory ph a obsahu chloru pro kontrolu bazénové vody, rozšířené jsou i testovací proužky pro stanovení tvrdosti vody (myčky nádobí), specializované firmy nabízejí testovací proužky pro analýzu rozmanitých látek (např. stanovení dusitanů/dusičnanů ve vodě a půdě). Indikátorové ph-papírky Anthokyany Potravinové barvivo E163 Jiné typy indikátorů 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. Pokud jako testované vzorky k určování ph zvolíte látky uvedené na seznamu nebezpečných chemických látek, dodržujte bezpečnostní pokyny uvedené na obalech. Doporučujeme jako testovací vzorky vybrat takové látky, které nepodléhají zvláštní likvidaci. Takové vzorky potom běžně likvidujte v kanalizaci. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je snadný a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a materiálu a velmi nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme individuální provedení pokusu žáky. Pokud žáci nemají alespoň základní zkušenosti laboratorní techniky a práce s chemickými látkami, doporučujeme k experimentu vybrat jako testovací vzorky pouze potraviny. Provedení pokusu tak zvládnou děti všech věkových skupin. Alternativně můžeme pokus provádět s většími objemy testovacích roztoků. Do každé z jednotlivých kádinek odměříme 6
50 ml vody a přidáme malé množství testované látky (špetku nebo pár kapek). Kádinky si popíšeme fixem. Poté do každé kádinky přilijeme malé množství roztoku indikátoru a pozorujeme barevné změny. 12. Přínos Pokus představuje velmi snadno realizovatelnou demonstraci indikace ph vodného prostředí barevnou změnou indikátoru. Provedení primárně nevyžaduje použití žádných chemikálií, jako indikátor i experimentální vzorky lze použít běžně dostupné potraviny. Na těchto látkách se žáci seznámí s povahou veličiny ph a způsoby její indikace. Připraví si vlastní indikátor ph zpracováním přírodního materiálu, barevné změny související s rozdílnými ph totiž poskytují i barviva přírodní povahy. Na vybraných vzorcích si žáci sestaví vlastní stupnici ph odpovídající použitému indikátoru, kterou mohou využít v každodenním životě a aplikovat ji na běžně používané výrobky, látky a materiály. 13. Fotografie Počáteční a finální stav, eventuálně i průběh experimentu, můžeme dokumentovat pořízením fotografií. 7
Příklad zaznamenávání výsledků experimentu uvádí následující tabulka. Použité testovací vzorky jsou zobrazeny na fotografii a v tabulce jsou řazeny zhruba v pořadí klesající kyselosti a rostoucí bazicity. Barevné změny přírodního indikátoru ph z červeného zelí testovaný vzorek HCl (zředěná, asi 10%) CH 3 COOH (zředěná, asi 10%) Citronka tekuté mýdlo (1 kapka) Magnesia perlivá pitná voda mýdlo (malý kousek) Na 2 CO 3 (asi 10% roztok) NH 3 (zředěný, asi 10%) NaOH (asi 10% roztok) barva růžovočervená růžovočervená (do fialova) růžovočervená (do fialova) fialová fialová modrofialová pastelová zelená žlutozelená žlutá špinavě žlutá 8