5. Forenzní chemie (chemie v kriminalistice) 5.03 Hoření. 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 Hoření je chemický děj, při kterém vzniká teplo, světlo (plamen) a látky jiných vlastností, než má původní (hořící) látka. Například při hoření dřeva se vzdušným kyslíkem vznikají plynné látky (především CO 2 a vodní pára) a pevné látky (popel). Plamen je sloupec hořících, většinou plynných látek. Plamen se skládá z několika zón. V každé zóně má jinou teplotu a také jinou barvu. Pro hoření je důležitý přístup kyslíku, v případě jeho nedostatku se hoření zastaví zhasne plamen. 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. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení procesu hoření jako chemické reakce. Studenti si ověří podmínky nutné pro hoření a dále budou moci pozorovat část produktů hoření v podobě sazí. Dále si studenti zjistí rozložení teploty v plameni. Co mají žáci znát: bezpečnost práce s otevřeným ohněm; voda; hořlaviny, hořlavé směsi; skupenství látek; anorganické sloučeniny. Co se žáci dozví: Princip hoření. Produkty hoření. Podmínky hoření. Odpařování. Provedení chemické reakce. Rozložení teploty v plameni. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Alpa (60% roztok ethanolu, lihu) C 2 H 5 OH 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Čtverec papíru 10 10 cm Čtverec papíru 5 5 cm (4 ks) Kancelářská sponka kovová 50 mm (4 ks) Svíčka (2 ks; jedna cca 10 cm vysoká a druhá cca 5 cm vysoká) Talíř porcelánový hluboký Kousek bavlněného hadříku Kleště Zapalovač Sklenice, větší (půllitr, zavařovací sklenice 0,7 l aj.) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 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, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 20 minut. ČASY: 20 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace pokusů probíhá v reálném čase a ve velmi krátké době, působení plamene/hoření jsou okamžitě pozorovatelné. Časy: Realizaci experimentů odhadujeme následovně: nehořlavý papír: 15 minut; oheň, který nespálí: 5 minut; hašení ohně oxidem uhličitým: 10 minut. 30 minut 3
8. Laboratorní postup 8.1 Nehořlavý papír Složíme papír podle nákresu do tvaru krabičky. Nákres: Na zpevnění rohů použijeme kancelářské sponky. Krabičku naplníme opatrně vodou a následně ji držíme rukou nad plamenem. Pozorujeme, co se stane. 8.2 Oheň, který nespálí Na talířek nalijeme Alpu, do Alpy vložíme bavlněný hadřík a celý jej namočíme. Hadřík uchopíme kleštěmi a zapálíme nad umyvadlem plným vody a pozorujeme, co se stane. Upozornění: Pokud začne papír hořet, odhodíme jej do umyvadla s vodou! 8.3 Zóny plamene Zapálíme svíčku (budeme používat žlutou část plamene). Uchopíme čtverec papíru do kleští a strčíme jej přímo nad knot, napočítáme do 3 a papír vyjmeme z plamene. Uchopíme druhý čtverec papíru a strčíme jej do poloviny plamene, napočítáme do 3 a papír vyjmeme z plamene. Uchopíme třetí čtverec papíru a strčíme jej na vrchol plamene, napočítáme do 3 a papír vyjmeme z plamene. Čtvrtý čtverec uchopíme do kleští a dáme jej 1 cm nad plamen, napočítáme do 3 a papír odstraníme z dosahu plamene. 8.4 Můžeme hasit oheň pomocí oxidu uhličitého? Na talíři/podložce zapálíme dvě různě vysoké svíčky, svíčky přikryjeme vysokou sklenicí a pozorujeme, co se děje. 4
9. Princip experimentu Nehořlavý papír Aby papír začal hořet, musí se dosáhnout teploty vzplanutí. Jelikož je papírová krabička naplněna vodou, je energie plamene (teplo) spotřebováváno na ohřev vody a během doby experimentu nemůže dojít k ohřátí papíru na teplotu vzplanutí. Oheň, který nespálí Líh má nižší bod varu než voda, proto se z vodných roztoků přednostně odpařuje a za přítomnosti kyslíku (vzduchu) tvoří hořlavou směs, která se pomocí plamene vznítí a hoří. Hadřík se tedy ochuzuje o hořící líh a zůstává v něm voda tedy nehořlavá směs. Zóny plamene Plamen se skládá z několika teplotních zón, proto můžeme na papíru vkládaném do různých zón plamene pozorovat různé ohoření. Můžeme hasit oheň pomocí oxidu uhličitého? Nejdříve zhasne nižší svíčka a později vyšší svíčka, protože oxid uhličitý, který vzniká při hoření, má větší hustotu než vzduch hromadí se tedy nejprve u dna nádoby a jeho hladina postupně stoupá. Plamen poté v atmosféře CO 2 zhasne. 10. Bezpečnost práce Použité látky jsou běžně používány. Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce, není třeba věnovat zvýšenou pozornost chemickým rizikům. 11. Poznámky ke strategii výuky Upozornění: V této úloze je třeba zdůraznit zvýšené požární riziko, proto je důležité klást důraz na dodržování požárních předpisů. Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky. Pokus 8.1 můžeme modifikovat tak, že papírovou krabičku umístěnou na laboratorním stojanu a železném kruhu zahříváme plynovým kahanem a laboratorním teploměrem měříme teplotu ohřívané vody v papírové krabičce. Pozor na promočení nebo vzplanutí krabičky. 5
Při vyhodnocování jednotlivých experimentů by se měli studenti snažit nalézt odpovědi na následující dotazy: Nehořlavý papír Papír zčernal, ale nezačal hořet. Jak je to možné? Oheň, který nespálí Shořel hadřík? Jak je to možné? Zóny plamene Papír v každé zóně plamene ohořel jinak, v závislosti na teplotě zóny. Namalujme tvar ohořeniny papíru: nad knotem, v polovině plamene, na vrcholu plamene a 1 cm nad plamenem. Odpovězme, kde je v plameni nejvyšší teplota. Můžeme hasit oheň pomocí oxidu uhličitého? Zhasly obě svíčky? Pokud ano, která svíčka zhasla dříve? Pokud zhasla jen jedna svíčka, která? Upozornění: Musíme žákům připomenout požární předpisy, jak vyhlásit požární poplach a evakuaci, jak hasit!!! 12. Přínos Souvislosti prováděného experimentu s jevy každodenního života jsou nadmíru patrné a více než zjevné. Některé souvislosti již byly zmíněny v předchozím textu. Zóny plamene: Zóna 1 (nesvítivá zóna) Palivo na knotu se vypařuje. Není zde k dispozici dostatek kyslíku, aby palivo začalo hořet. Teplota je asi 600 C u knotu. 6
Zóna 2 (modrá zóna) Zde je přebytek kyslíku a plamen hoří čistě a modře. Teplota se pohybuje kolem 800 C. Pokud používáte tuhá paliva jako je svíčka, teplo z této zóny taví ve své blízkosti tuhá paliva, kterým je umožněn odvod do plamene. Zóna 3 (tmavá zóna) Z důvodu nedostatku kyslíku zde dochází k pyrolýze (krakování) paliva a vytváří se nepatrné částečky uhlíku. Teplota je zde asi 1000 C. Zóna 4 (světelná/zářící zóna) Tato oblast je jasně žlutá. Je zde ještě nedostatek kyslíku pro úplné spalování, takže pyrolýza pokračuje a vznikají větší uhlíkové částice. Teplota se pohybuje kolem 1200 C. Zóna 5 (plášť plamene) V této nesvítivé zóně je přebytek kyslíku, proto zde uhlíkové částice hoří rychleji a úplně, na hranici mezi zónami 4 a 5. Teplota se pohybuje kolem 1400 C. Pokud se při stoupání zplodin sníží teplota pod 1000 C, pevné částice přestanou hořet a mohou se usadit v podobě sazí. Hašení požárů Skutečnosti, že oxid uhličitý má větší hustotu než vzduch a nemožnosti látek hořet v přítomnosti velkého množství oxidu uhličitého, se může využít při hašení požárů. 13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. 7