2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.03 Endotermní/exotermní děje. 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 Při průběhu chemických reakcí dochází ke spotřebě nebo uvolňování tepla. Hovoříme o tzv. tepelně zabarvených reakcích. To je způsobeno přeskupováním vazeb mezi atomy reagujících látek, což je spojeno se změnou vnitřní energie soustavy. V případě, kdy je vnitřní energie soustavy po reakci nižší, se teplo uvolňuje a takový děj nazýváme exotermický. A naopak, kdy je vnitřní energie soustavy po reakci vyšší, se teplo spotřebuje a takový děj nazýváme endotermický. 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 reakce; voda; chemické látky, směsi; skupenství látek. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení tepelně zabarvených reakcí. Nacvičené dovednosti a získané znalosti ohledně uvolňování a spotřeby tepla při reakcích jsou přenositelné do každodenních okamžiků běžného života. Energetická (tepelná) bilance reakcí ilustruje potřebu u některých reakcí teplo dodávat, nebo naopak teplo odebírat, aby reakce proběhly s co největším výtěžkem, popřípadě aby se zabránilo zastavení reakcí nebo přehřátí reakční směsi. Co se žáci dozví: Energetickou bilanci reakcí. Exotermické a endotermické děje. 2
Neopomenutelný je praktický dopad realizovaného experimentu, který v laboratorním měřítku demonstruje klíčové vlastnosti tepelně zabarvených reakcí, jako je např. hoření (reakce s kyslíkem) nebo naopak chlazení pomocí solanky (na rozpuštění soli je teplo odebíráno z okolí). 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Zinek Zn (kousky) Kyselina octová CH 3 COOH (ev. ocet) Chlorid sodný NaCl Sacharóza C 12 H 22 O 11 (cukr) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Teploměr Lžička Kádinka 50 ml (10 ks) 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 nachystání všech výše uvedených materiálů, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 15 minut. ČASY: 15 minut 7.2 Realizace experimentu U tohoto experimentu bude výhodné (z časových a materiálových důvodů) sloučit studenty do skupin po čtyřech, v nichž část bude provádět experiment s kyselinou octovou a část s vodou. 3
Časy: Dobu jednoho experimentu odhadujeme na 6 minut. Pro pět látek a jedno rozpouštědlo to je 30 minut na jednu skupinu žáků. 30 minut 8. Laboratorní postup Vždy do dvou kádinek dáme 2 lžičky stejné látky (kousky zinku, skořápka, kypřicí prášek, sůl a cukr). Do prvních pěti kádinek postupně přiléváme asi 1cm vrstvu kyseliny octové (octa) a měříme teplotu v kádince na začátku a po pěti minutách. U dalších pěti kádinek postup zopakujeme s vodou (místo kyseliny octové). 9. Princip experimentu Hnací silou reakce je děj, který vede k dosažení nižší energie systému (enthalpie H) a zároveň vede ke zvýšení jeho neuspořádanosti (entropie S). Celkovou energetickou bilanci děje vyjadřujeme pomocí Gibbsovy energie: ΔG = ΔH TΔS. Podle toho, která složka Gibbsovy energie převládne, může docházet k exotermickým dějům (teplo se uvolňuje) nebo naopak k dějům endotermickým (teplo se spotřebová). 10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce, není třeba věnovat zvýšenou pozornost chemickým rizikům. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je jednoduchý, ale časově náročnější. Proto je zde doporučení rozdělit studenty do skupin. Po rozdělení studentů do skupin bude zajištěna malá potřeba laboratorního nádobí s nízkou spotřebou chemikálií. Z časových důvodů nedoporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky. Výsledky zapište do následujících tabulek. 4
KYSELINA OCTOVÁ Kousky zinku Nastala změna látky? Teplota na začátku. Teplota po 5 minutách. Účinkující chemické sloučeniny: H 2 O voda; CH 3 COOH kyselina octová; NaCl chlorid sodný; C 12 H 22 O 11 sacharóza. Chlorid sodný Cukr VODA Nastala změna látky? Teplota na začátku. Teplota po 5 minutách. Kousky zinku Chlorid sodný Cukr Na základě změřených dat vypište děje exotermické a endotermické. 12. Přínos Žáci si osvojí dovednosti pro realizaci chemických pokusů spojených s měřením fyzikálních veličin. Dále získají povědomí o energiích spojených s chemickými ději. Realizace pokusů povede k pochopení dějů, které teplo uvolňují nebo naopak spotřebovávají. 13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. 5