2. Vlastnosti látek a chemické reakce 2.05 Chemická zahrádka. 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 Vodorozpustné anorganické soli reagují s křemičitanem sodným (vodním sklem) za vzniku zajímavě tvarovaných krystalů nerozpustných křemičitanů. Anorganické soli se rozpouštějí ve vodě a okamžitě reagují za vzniku nerozpustných křemičitanů. 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: nerostné suroviny; chemické látky, směsi; chemické reakce; anorganické sloučeniny; krystalizace. 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Nacvičené dovednosti přispějí k poznání rozdílů mezi látkami ve vodě rozpustnými a nerozpustnými. Pozorování průběhu reakce pak přispěje k poznání, že rychlost chemické reakce je ovlivňována řadou faktorů (rychlost rozpouštění, pronikání vody přes polopropustnou látku, osmotický tlak aj.). Důkazem o probíhající reakci je pak nejen tvar vznikajících krystalů, ale také jejich barva. Osmotický děj se uplatňuje v živých buňkách (transport minerálů), je využíván při odsolování mořské vody a v mnoha dalších biologických a chemických procesech. Co se žáci dozví: Co je a jak vypadá chemická látka. Jak připraví roztok. Rozpouštění, vlivy. Rychlost chemické reakce. Osmotické procesy. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Roztok křemičitanu sodného Na 2 SiO 3 (vodní sklo) Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O Chlorid železitý hexahydrát FeCl 3.6H 2 O Síran železnatý heptahydrát FeSO 4.7H 2 O Uhličitan vápenatý CaCO 3 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Kádinka 250 ml (4 ks) Laboratorní lžička Odměrný válec 100 ml DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! Roztok vodního skla je běžně dostupná chemikálie v síti drogerií případně prodejen s nátěrovými hmotami. 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. ČASY: 5 minut 7.2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase, změny v reakční směsi jsou vizuálně pozorovatelné během několika desítek minut (záleží na použité soli). Časy: Realizaci jednoho experimentu (vlastní chemické reakce) odhadujeme na 60 minut. 30 60 minut 8. Laboratorní postup Vlastní pokus se skládá z přípravy roztoku křemičitanu sodného a realizace vlastní tvorby chemické zahrádky. 3
Příprava roztoku křemičitanu sodného (vodního skla) Do odměrného válce odměříme 50 ml roztoku vodního skla (v obchodě je běžně dostupný roztok o koncentraci 34 38 %). Roztok vlijeme do 250 ml kádinky. Do stejné kádinky přidáme 50 ml vody (destilované nebo pitné) a roztok promícháme. Roztok zakoupeného vodního skla a vody mícháme tedy v objemovém poměru 1:1. Stejným způsobem připravíme roztok i do dalších tří kádinek (pro pokus s každou z uvedených solí si tedy připravíme jednu kádinku). Příprava chemické zahrádky Do kádinky vneseme malé množství krystalů soli, tzn. zhruba třetinu laboratorní lžičky: Kádinka 1: CuSO 4.5H 2 O Kádinka 2: FeCl 3.6H 2 O Kádinka 3: FeSO 4.7H 2 O Kádinka 4: CaCO 3 S kádinkou nemícháme ani jinak nemanipulujeme, případně ji můžeme překrýt hodinovým sklíčkem nebo alobalem. Po několika minutách v některých kádinkách začínají krystaly narůstat. Zaznamenáváme rozdíl v rychlosti růstu krystalů a rozdíl v barvě a tvaru krystalů. Můžeme pořizovat písemné záznamy, případně zachytit změny fotoaparátem. V průběhu růstu krystalů je možné věnovat se i jiným činnostem a po čase se k nim opět vrátit. Krystaly budou pokračovat v růstu v některých případech i do dalšího dne. Kádinku s vyvinutými krystaly je možné uchovat, nepodléhá zkáze. POZOR! Při práci používejte ochranné brýle a ochranné rukavice! Nemáte k dispozici laboratorní sklo? K přípravě roztoku lze použít jakoukoliv nádobu s vyznačenou ryskou pro odměření objemu. Vlastní experiment je pak možné provádět v jakékoliv nádobě z čirého skla. 9. Princip experimentu Křemičitan sodný reaguje s rozpustnou solí. Proces můžeme popsat následujícími chemickými reakcemi (Schéma 1 až 3): CuSO 4. 5H 2 O + Na 2 SiO 3 CuSiO 3 + Na 2 SO 4 + 5H 2 O 2FeCl 3. 6H 2 O + 3Na 2 SiO 3 Fe 2 (SiO 3 ) 3 + 6NaCl + 12H 2 O FeSO 4. 7H 2 O + Na 2 SiO 3 FeSiO 3 + Na 2 SO 4 + 7H 2 O Schéma 1 Schéma 2 Schéma 3 Reakce s CaCO 3 není uvedena, neboť reakce neprobíhá. Po vhození krystalku tedy okamžitě nastává fáze rozpouštění ve vodě (ve všech případech, kromě uhličitanu vápenatého, který je ve vodě nerozpustný) a sůl ihned reaguje s roztokem křemičitanu sodného za vzniku nerozpustného křemičitanu. Původní krystaly se tedy obalují vrstvičkou nerozpustného křemičitanu, který vytváří polopropustnou membránu. Přes takovouto vrstvičku 4
mohou procházet pouze molekuly vody (vlivem rozdílné koncentrace uvnitř a vně osmotický děj). Dovnitř je tedy nasávána další a další voda, a protože vznikající roztok musí někam expandovat, dojde k protržení polopropustné membrány a na povrchu vyteklého roztoku se vytvoří membrána nová. Děj se tak opakuje. Uvnitř vznikajících stonků je dutina, kterou proudí voda (lze ověřit opatrným vyjmutím a rozříznutím). 10. Bezpečnost práce Chcete vzniklé krystaly vyndat? Chcete-li krystaly z roztoku vyndat, postupujte velmi opatrně jsou křehké. Je možné na dno kádinky vložit alobal s tvarovanou úchytkou a vyndat tak krystaly pomocí pinzety. Po oschnutí se na povrchu krystalů vyloučí bílá vrstvička křemičitanu sodného. 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. Křemičitan sodný (vodní sklo, 36 38% vodný roztok) Křemičitan sodný je běžná látka, která se v domácnosti využívá ke konzervaci vajec, své uplatnění nachází také ve stavebnictví. Je běžnou přísadou pracích a čisticích prostředků. Tato látka je klasifikována jako dráždivá. Dráždí kůži a je nebezpečná při zasažení očí. Při práci používejte ochranné brýle a ochranné rukavice. H 315 Dráždí kůži. H318 Způsobuje vážné poškození očí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. 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. P362 Kontaminovaný oděv svlékněte a před opětovným použitím ho vyperte. P332+P313 Při podráždění kůže: vyhledejte lékařskou pomoc/ /ošetření. Roztok křemičitanu sodného lze likvidovat po naředění v kanalizaci. Nezapomínejte na ochranné pomůcky! Pentahydrát síranu měďnatého Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) je modře zbarvená pevná krystalická látka. Se síranem měďnatým se lze například setkat v přípravcích na moření dřeva, při potlačení růstu řas v bazénech a při odstraňování mechu z trávníku. Navzdory tomu, že látka je na základě svých vlastností 5
klasifikována jako dráždivá, zdraví škodlivá a nebezpečná pro životní prostředí, nemusíme se práce s ní obávat, pracujeme s malým množstvím. Přesto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. 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. Heptahydrát síranu železnatého Síran železnatý heptahydrát FeSO 4.7H 2 O (tzv. zelená skalice) je zeleně zbarvená pevná krystalická látka. Se síranem železnatým se setkáme v hnojivech v případě, že rostliny mají vyšší potřebu železa (jahodník, vinná réva). Látka je na základě svých vlastností klasifikována jako dráždivá a zdraví škodlivá. Proto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. 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. Hexahydrát chloridu železitého Chlorid železitý hexahydrát FeCl 3.6H 2 O je červenohnědá krystalická látka, je dráždivá a korozivní. Dráždí kůži a oči, je 6
nebezpečná také při požití. Používejte při práci ochranné brýle a rukavice. Při potřísnění důkladně oplachujte vodou. H302 Zdraví škodlivý při požití. H315 Dráždí kůži. H318 Způsobuje vážné poškození očí. Uhličitan vápenatý Uhličitan vápenatý CaCO 3 je látkou dráždivou, zejména při nadýchání. Může způsobit poškození očí. Nezapomínejte na použití ochranných brýlí. Uhličitan vápenatý se kolem nás běžně vyskytuje v přírodě (vápence) i v domácnosti (omítky, zdivo). Zvýšené nebezpečí je tedy dáno pouze tím, že se s ním v laboratoři pracuje v podobě jemného bílého prášku. Při zasažení očí vymývejte velkým množstvím vody, při zasažení kůže místo důkladně opláchněte, při nadýchání běžte na čerstvý vzduch. H315 Dráždí kůži. H318 Způsobuje vážné poškození očí. H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest. P261 Zamezte vdechování prachu/dýmu/plynu/mlhy/par/aerosolů. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. 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. P362 Kontaminovaný oděv svlékněte a před opětovným použitím ho vyperte. P405 Skladujte uzamčené. Vyvinuté krystaly separujeme od roztoku křemičitanu a likvidujeme nejlépe při svozu nebezpečných látek (baterií, laků a barev) ve vaší obci. 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 nutno důrazně trvat na bezpečném provedení! Hodnoty rozpustnosti látek ve vodě velmi snadno najdeme v tabulkách v tištěných i na internetu! 7
12. Přínos Jednoznačným přínosem pokusu je efektní změna, která se odehraje během několika desítek minut (vyučovací hodiny), která žáky bezesporu zaujme. Při podrobném zkoumání tohoto pokusu pak již můžeme vysvětlovat poměrně složité děje, které tento pokus ovlivňují, a jejich návaznost. Rozpustnost látek Existují látky ve vodě rozpustné a ve vodě nerozpustné. Nerozpustné látky jsou v tomto pokusu reprezentovány uhličitanem vápenatým. V kádince nedošlo na rozdíl od ostatních k žádným změnám. Voda je nejen v průmyslu nejpoužívanějším rozpouštědlem. V tomto pokusu tedy vystupuje voda jako rozpouštědlo a křemičitan sodný jako reaktant. Voda se reakce neúčastní, ale je pro průběh reakce nezbytná. V podobě roztoku je látka často reaktivnější, reakce probíhá za mírnějších podmínek. Pro látky, které nejsou ve vodě rozpustné, je třeba hledat jiné rozpouštědlo. Osmotické jevy Pozorování osmotických jevů je v tomto případě složité. Pokud máme štěstí a dobře vyvinuté krystaly, můžeme pozorovat protržení polopropustné membrány a náhlou tvorbu nového vrcholu. Důkazem je pak to, že krystaly jsou uvnitř duté. Osmotické jevy jsou běžnou součástí našeho života. 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. Rychlost chemické reakce Při použití různých solí můžeme pozorovat různou rychlost reakce. Rychlost reakce je ovšem v tomto případě ovlivněna rychlostí rozpouštění soli a rychlostí pronikání molekul vody polopropustnou membránou. 13. Fotografie Počáteční, průběžný i finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Zaznamenáváme velikost, barvu a tvar krystalů, porovnáváme rychlost růstu krystalů z jednotlivých solí. 8