2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.02 Difúze látek v roztoku. 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 Difúze je proces rozptylování látek v prostoru. V případě různě zabarvených látek můžeme tento děj pozorovat pouhým okem. Difúze manganistanu draselného přes přepážku do vody tak může posloužit pro lepší představu průběhu tohoto procesu. Manganistan draselný proniká přes přepážku tvořenou filtračním papírem do roztoku. 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, směsi; anorganické sloučeniny; skupenství látek; pojem molekula. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Pozorováním velmi jednoduchého pokusu žáci získají jasnou představu, co je difúze, jak probíhá rozpouštění pevné látky v kapalině a kde všude se takovýto proces může uplatňovat. 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Manganistan draselný KMnO 4 Co se žáci dozví: Co je difúze. Jak probíhá difúze v kapalině. Pojem rovnovážný stav. DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 2
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 250 ml Laboratorní lžička Filtrační papír 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 chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 5 minut. 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase, změny v reakční směsi jsou vizuálně pozorovatelné během několika minut. Časy: Realizaci jednoho experimentu odhadujeme na 10 až 15 minut. K pokusu se můžeme vrátit po několika desítkách minut a zhodnotit situaci. ČASY: 5 minut 10 15 minut 8. Laboratorní postup Příprava kádinky s vodou Kádinku (250 ml, vyšší) naplníme po okraj vodou (destilovanou nebo pitnou) a na povrch opatrně položíme kus filtračního papíru tak, aby okraje přesahovaly (filtrační papír vystřihneme z archu nebo využijeme již připravené od výrobce). Experiment Na filtrační papír opatrně naneseme několik zrníček manganistanu draselného. Téměř okamžitě začne manganistan draselný pomalu pronikat filtračním papírem a díky jeho zabarvení je snadno pozorovatelný směr, jakým se šíří v objemu kádinky. Během experimentu je vhodné zaznamenat šíření manganistanu v roztoku například pomocí fotoaparátu. Podobný pokus bez chemikálií? Připravte si dvě kádinky tak, jak je popsáno v laboratorním postupu. Jednu naplňte horkou vodou, druhou studenou vodou. Na filtrační papír pak vysypte několik zrnek nejlépe ovocného čaje. Pozorujte, zda dochází k pronikání čaje do vody a jaký je mezi kádinkami rozdíl. 3
Konec experimentu? Kádinku lze nechat několik desítek minut bez povšimnutí a poté se k ní opět vrátit. Budeme pozorovat, jak se manganistan postupně objevuje ve všech částech roztoku. 9. Princip experimentu Veškeré látky mají tendenci přecházet z prostředí se svou vyšší koncentrací do prostředí s nižší koncentrací. Přirozenou vlastností látek je, že pokud se jejich částice mohou pohybovat (molekuly v nehybném roztoku se pohybují na základě Brownova pohybu), tak se rozptylují do celého prostoru, kterého mohou dosáhnout, a postupně ve všech místech tohoto prostoru vyrovnají svou koncentraci. Říkáme, že látky difundují. Krystaly manganistanu draselného se tedy pomalu rozpouštějí, prochází přepážkou tvořenou filtračním papírem a pozvolna se rozptylují v kapalině. V tomto případě nejprve v horizontálním, poté i ve vertikálním směru. 10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemických sloučenin, se způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba provést v případě poškození zdraví. Manganistan draselný Manganistan draselný je krystalická látka, známá též jako hypermangan. Používá se například při úpravě vody na pitnou, v domácnosti se dříve používal pro své desinfekční účinky. Přesto se jedná o látku, se kterou musíme manipulovat opatrně. Málo nebezpečné jsou pouze zředěné roztoky. Při práci používejte ochranné brýle a rukavice. Při potřísnění oděvů lze skvrny odstranit pomocí octa. Při zasažení očí důkladně vypláchnout vodou. Při zasažení kůže postačí důkladně omýt. Skvrny na kůži po zasažení samovolně mizí do 48 hodin. Při požití nevyvolávejte zvracení, volejte lékařskou pomoc. R-věty a S-věty: R22 Zdraví škodlivý při požití. R8 Dotek s hořlavým materiálem může způsobit požár. R50/53 Vysoce toxický pro vodní organismy, může vyvolat dlouhodobé nepříznivé účinky ve vodním prostředí. S2 Uchovávejte z dosahu dětí. S60 Tento materiál a obal musí být zneškodněn jako nebezpečný odpad. Nezapomínejte na ochranné pomůcky! 4
S61 Zabraňte uvolnění do životního prostředí. H-věty a P-věty: H272 Může zesílit požár; oxidant. H302 Zdraví škodlivý při požití. H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P210 Chraňte před teplem/jiskrami/otevřeným plamenem/ /horkými povrchy zákaz kouření. P221 Proveďte preventivní opatření proti smíchání s hořlavými materiály. P260 Nevdechujte prach/dým/plyn/mlhu/páry/aerosoly. P303+P361+P353 PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. Opláchněte kůži vodou/osprchujte. P305+P351+P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny, a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P310 Okamžitě volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P405 Skladujte uzamčené. Malé množství manganistanu draselného lze likvidovat rozředěním velkým množstvím vody v kanalizaci nebo po redukci na manganaté ionty stejným způsobem (např. pomocí siřičitanu sodného). Manganistan v odpadní vodě okamžitě reaguje na nižší oxidační stavy. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je velmi jednoduchý, vyznačuje se malou potřebou chemického vybavení a je velmi efektní. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky, je však možné předvádět jej jako demonstrační např. ve větší kádince. Je nutno důrazně trvat na bezpečném provedení! 12. Přínos Tento velmi jednoduchý pokus je atraktivní a navíc difúzní procesy probíhají všude kolem nás, aniž si to uvědomujeme. Difúzní procesy mají zásadní vliv na procesy osmotické. 5
Použití manganistanu draselného je vyvoláno jeho snadnou rozpustností, efektivním zbarvením při rozpouštění ve vodě a relativní bezpečností této chemikálie. Osmóza Osmóza se uplatňuje na rozhraní mezi různě koncentrovanými roztoky. V normálním případě se příroda snaží o vyrovnání koncentrací na obou stranách polopropustné přepážky. V případě vodných roztoků tak vždy voda proudí z méně koncentrovaného roztoku do více koncentrovaného roztoku a to do okamžiku, kdy koncentrace jsou na obou stranách přepážky stejné, tzn. do ustavení rovnováhy. Příklady osmotický jevů v běžném životě Zralé třešně obsahují mnoho ovocných cukrů. Za deště (dešťová voda obsahuje minimum rozpuštěných látek) začnou pronikat molekuly vody do prostředí o vyšší koncentraci, tedy dovnitř plodu přes slupku. Tím dojde k narůstání objemu roztoku uvnitř třešně, až slupka vnitřní tlak nevydrží a praskne. Pomočí-li váš domácí mazlíček rostlinu na zahradě, pak moč obsahuje značné množství rozpuštěných látek. Okamžitě pak začíná proces, který má vést k vyrovnání koncentrací roztoku na povrchu rostliny (moč) a uvnitř rostliny. Z dříve uvedeného je jasné, že voda bude putovat ven z rostliny a může dojít až k tomu, že rostlina uschne (částečně nebo úplně). Difúze probíhá pokaždé při přípravě roztoku. Jaké roztoky doma běžně připravujete? Vyluhování čaje nebo kávy. Slazení čaje nebo kávy. Solení vody při vaření. Vaření polévky (vyluhování látek z masa a zeleniny). Jaké další příklady Vás napadají? Difúzi výrazně ovlivníme teplotou (při vyšší teplotě probíhá rychleji) a samozřejmě mícháním. Mícháme-li roztokem, pak pronikání jedné látky do druhé značně urychlíme. Rovnovážný stav při difúzi Za rovnovážný stav považujeme takový, kdy je koncentrace látky ve všech místech stejná (vyrovnání koncentrací). V našem případě by to znamenalo úplné rozpuštění manganistanu v kádince s vodou. 13. Fotografie Počáteční, průběžný i finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Zaznamenáváme si, jak dochází k šíření zabarvení v kádince. 6