1. Chemie a společnost 1.04 Chemické vlastnosti zeminy. 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 Chemické vlastnosti zeminy, zejména ph, obsah rozpustných látek, složení výrazně ovlivňuje možnosti hospodaření na zemědělské půdě. Jsou rostliny, které lépe prospívají v půdě kyselejší, naopak jsou rostliny, jimž lépe vyhovuje půda zásaditá. Zjistit ph a celkový obsah rozpustných látek lze realizovat měřením ph a vodivosti ve vodném výluhu. Pomocí indikátorových papírků lze stanovit např. obsah dusičnanů, dusitanů a jiných iontů. Zjišťujeme ph a vodivost vodného výluhu půdy po filtraci. 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; ph; rozpustnost; půda a její vlastnosti. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Zeminu přijímáme jako běžnou součást našeho života. Její vlastnosti však výrazně ovlivňují zemědělství a tedy společenství, které na daném území hospodaří, a plodiny, které lze úspěšně pěstovat. V tomto pokusu žáci připraví výluh ze zeminy. Vyzkouší si jednoduchou filtraci a s použitím přístrojů změří ph a vodivost vodného výluhu. Přitom je možné porovnat různé vzorky půdy. Naučí se zacházet s indikátorovými papírky. V literatuře mohou najít, které plodiny lze pěstovat na kyselé a které naopak na zásadité půdě, jaká je potřeba živin pro jednotlivé rostliny. Co se žáci dozví: Jak provést jednoduchou filtraci. Jak změřit ph a vodivost. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O (destilovaná) 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 250 ml Laboratorní lžička Odměrný válec 100 ml Uzavíratelná PET láhev 250 ml Filtrační nálevka Filtrační papír Skleněná tyčinka ph papírky Indikátorové papírky (dusičnany, dusitany) Vzorky zeminy Laboratorní váhy 6.3 Přístrojové vybavení Přenosný bateriový ph metr Přenosný bateriový konduktometr DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! Bez jednoduchých přístrojů, kterými lze kontrolovat například kvalitu vody, se neobejdou kutilové, chovatelé i pěstitelé. 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. ČASY: 5 minut 7.2 Realizace experimentu Experiment musíme rozdělit do dvou částí. V první části pokusu připravíme zeminu. Tu necháme alespoň po dobu dvou hodin vyluhovat za občasného protřepání. Poté následuje vlastní filtrace a proměření výluhu. Časy: V první části dojde k odvážení vzorku a smísení s destilovanou vodou (10 minut). Vzorek necháme stát alespoň dvě hodiny (lze ponechat až 48 hodin), přičemž vzorek občas protřepeme. Přípravu filtrační aparatury a vlastní filtraci odhadujeme na 20 minut. Není třeba filtrovat veškerý vzorek. Vlastní manipulaci s přístroji a indikátorovými papírky odhadujeme na 15 minut. 10 minut 2 hodin 20 minut 15 minut 3
8. Laboratorní postup Vlastní pokus se skládá z přípravy suspenze půdy, vyluhování, filtrace a vlastního měření. Příprava suspenze půdy k vyluhování Do uzavíratelných PET lahviček odvážíme 20 g zeminy a přidáme 50 ml destilované vody. (Je možné paralelně zpracovat více vzorků, aby žáci mohli posoudit rozdíly mezi jednotlivými vzorky). Po uzavření řádně protřepeme. Suspenzi necháme alespoň dvě hodiny stát, průběžně můžeme obsah protřepat. Dobu stání výluhu lze prodloužit až na 48 hodin. Filtrace Do filtrační nálevky složíme filtrační papír s nejmenšími póry (tzv. modrá páska). Pozor, filtrační papír před nalitím suspenze nenavlhčujeme! Poté pomalu a opatrně přivádíme na filtrační papír suspenzi s použitím skleněné tyčinky. Filtrát jímáme do malé vysoké kádinky. Filtrát není čirý. Při vyluhování do filtrátu přechází také huminové kyseliny, které filtrát zabarvují. Měření ph Zapneme přenosný ph metr a pokud je to potřeba, kalibrujeme jej podle přiloženého návodu. Ponoříme elektrodu do filtrátu a počkáme, až se na displeji ustálí hodnota ph. Hodnotu odečteme a zapíšeme. Měření vodivosti Elektrodu konduktometru ponoříme do filtrátu a počkáme, až se hodnota na displeji ustálí. Hodnotu si zapíšeme. Při práci s konduktometrem postupujeme podle návodu k použití. Měření pomocí indikátorových papírků Při práci s indikátorovými papírky postupujeme podle přiloženého návodu. Při měření ph aplikujeme roztok na ph papírek skleněnou tyčinkou. 9. Princip experimentu Rostliny většinu živin přijímají z půdy v podobě vodorozpustných látek. Jestliže se v půdě vyskytují látky ve vodě nerozpustné, pak jsou rostlinami nevyužitelné. V tomto experimentu jde o vyluhování vodorozpustných látek ze zeminy do vody a jejich stanovení ve vodě. 4
Měření ph pomocí elektrody (ph metru) Princip měření ph pomocí elektrody je poměrně jednoduchý. Kombinovaná elektroda obsahuje elektrodu referenční (stabilní) a elektrodu měrnou. Její potenciál je závislý na ph. Při ponoření elektrody do roztoku se na svorkách ustaví napětí, které odpovídá hodnotě ph roztoku. Pokud je roztok neutrální (ph = 7), je napětí nulové. V kyselém roztoku je napětí kladné, v zásaditém roztoku je napětí záporné. Měřicí přístroj změří napětí elektrody a podle kalibračních údajů a teploty vypočítá hodnotu ph, kterou zobrazí na displeji. ph nabývá hodnot od 0 do 14. Kyselý roztok má ph 7, naopak zásaditý roztok má ph 7. Měření ph pomocí ph papírků Opět se jedná o velmi jednoduché měření. ph papírky jsou papírky napuštěné směsí organických látek, tzv. indikátorů, které mění zabarvení v závislosti na ph vodného prostředí, kterému jsou vystaveny. Hodnota ph se pak zjistí porovnáním zabarvení papírku se stupnicí, která je většinou součástí balení. Nevýhodou tohoto postupu je malá přesnost určení ph (většinou ± 0,5). Zpřesnění lze dosáhnout tím, že použijeme ph papírky, které pracují pouze v určitém užším intervalu ph, nikoliv v intervalu celém (tj. 0 14). Měření vodivosti Látky, které jsou rozpustné ve vodě, velmi často disociují, tzn. rozpadají se na kationty a anionty. Ty jsou pak schopny vést elektrický proud. Vodivost (velikost přeneseného náboje) roztoků závisí na druhu rozpuštěné látky, její koncentraci a teplotě roztoku. Do roztoku vkládáme tzv. konduktometrickou celu, která má dvě elektrody z inertního materiálu (např. platiny). Na tyto elektrody je vloženo elektrické napětí a měřenou veličinou je v podstatě odpor roztoku. Konduktometrickou celu je v některých případech nutné před měřením kalibrovat. Měření koncentrace iontů indikátorovými papírky V tomto případě se opět jedná o papírky napuštěné chemikáliemi, které selektivně reagují s určitými ionty (dusičnany, dusitany, uhličitany, vápenaté ionty, chloridy apod.) a dochází k barevné změně. Koncentraci iontů pak stanovíme porovnáním se standardem, který je přiložen. Dochází ke změně zabarvení, častěji pak především sledujeme intenzitu zabarvení. 5
10. Bezpečnost práce Při tomto pokusu nepracujeme s nebezpečnými chemikáliemi a není potřeba realizovat žádná zvláštní bezpečností opatření. Při práci dodržujeme běžná hygienická pravidla. 11. Poznámky ke strategii výuky Tento jednoduchý experiment doporučujeme pro individuální provedení. Zacházení s filtrační aparaturou, indikátorovými papírky i jednoduchými přístroji považujeme za velmi snadné. Je možné provést tento experiment se vzorky zeminy z různých lokalit, či zeminy různé kvality. Zajímavé může být také zjistit nároky běžně pěstovaných zemědělských plodin na kvalitu půdy a hnojení a porovnat je se zjištěnými údaji. 12. Přínos Chemická reakce půdy, její složení, obsah rozpustných látek a další výrazně ovlivňují možnosti hospodaření na zemědělské půdě. Také v České republice najdeme místa s půdou úrodnou a s půdou, která se nehodí pro pěstování zemědělských plodin. Rovněž typ pěstovaných zemědělských plodin je dán kvalitou půdy. Půda extrémně kyselá má ph nižší než 4,4. Jako silně kyselá půda je pak označována s ph 4,5 až 5. V takových půdách většina rostlin neprospívá a je výrazně brzděn jejich růst. Naopak najdeme rostliny, které vyžadují kyselou půdu. Například borůvky, brusinky nebo rododendrony. Půdy s ph 5,1 až 6,6 označujeme jako slabě kyselé. Jako neutrální se označují půdy s ph 6,7 až 7,2. Slabě alkalické jsou půdy s ph 7,3 až 7,7. Nad touto hodnotou mluvíme o půdách alkalických. Alkalické půdy vyhovují například košťálovinám a aromatickým bylinkám. Z alkalických půd se nevylučují těžké kovy. Pro udržení ph na optimální hodnotě je často potřebné vápnění půdy. Tím je také zaručena dostupnost živin pro rostliny. Základními živinami rostlin jsou dusík, fosfor a draslík. K tomu, aby rostliny dobře prospívaly, potřebují i další živiny, ovšem v daleko menší míře než tři výše uvedené. Dusík rostliny přijímají ve formě amonných nebo dusičnanových iontů. Zejména v případě dusičnanů se stává, že se ze zemědělské půdy vyplavují a znečišťují vodní toky. Dusičnany mohou v rostlinách za určitých 6
podmínek přecházet na dusitany, které mohou být pro konzumenty, zejména malé děti, nebezpečné. Je potřeba vždy zvolit odpovídající dávku dusíkatých hnojiv a nepřehnojovat. Poměrně významná množství dusíku mohou obsahovat některá přírodní hnojiva, např. drůbeží trus nebo koňská mrva. Fosfor je přijímán ve formě fosforečnanů. Fosfor je velmi citlivý na ph půdy. Pokud se nejedná o půdu mírně kyselou nebo neutrální, je fosfor vázán do sloučenin, ze kterých ho rostliny neumějí využít. Draslík rostliny přijímají ve formě draselných iontů. Dusík je pro rostlinu důležitý proto, aby tvořila dostatek zelené hmoty a dobře rostla. Fosfor je důležitý, aby rostlina dobře kvetla a dostatečně plodila. Draslík pomáhá rostlině hospodařit s vodou, rostlina tak snadno neuschne nebo nezmrzne, pokud má dostatek této živiny. Pokuste se na internetu vyhledat informace o kvalitě zemědělské půdy v oblasti, ve které žijete. 13. Záznam Výsledky měření si zaznamenáváme do tabulek. Jednotlivé vzorky zeminy pak mezi sebou porovnáme a pokusíme se učinit závěry na základě získaných poznatků o vlastnostech vzorků zemin. 7