"Rozvoj vědy a pokrok poznání se stávají stále obtížnější. Na experimentování již nestačí zápalky a sláma." Richard Philips Feynman

Tato publikace vznikla díky operačnímu programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost v projektu Zavedení inovačních metod do výuky přírodních věd (CZ.1.07/1.1.16/01.0069), který byl realizován v letech 2012 2014 na Gymnáziu a ZUŠ Šlapanice.

OBSAH Úvod 5 Voda-1 Složení vody ph 7 Voda-2 Zjištění barvy a zákalu vody 11 Voda-3 Zjišťování vybraných iontů (SO 2-4, Cl - ) 15 Voda-4 Zjišťování vybraných iontů (NO - 3, NH + 4 ) 19 Voda-5 Složení vody důkaz kationtů Fe, Ca 23

Úvod Voda Výskyt vody na Zemi je mnohem vyšší než na ostatních planetách sluneční soustavy. Všechny formy života na Zemi závisejí na vodě. Část zemského povrchu s obsahem vody v kapalném skupenství nazýváme hydrosféra. Kolem 97 % veškeré vody na Zemi tvoří slaná voda v mořích a oceánech, pouze 3 % je voda sladká. Z těchto 3 % jsou více jak dvě třetiny v ledovcích polárních oblastí (69 %), další je voda podzemní (30 %) a necelé 1 % tvoří voda povrchová a atmosférická. V důsledku vedlejších produktů našeho způsobu života, který je závislý na technice, dochází ke znečišťování vody. Je proto třeba zjišťovat kvalitu vody v různých oblastech a podle její kvality pak vybrat, k jakému účelu může být použita. 5

Úvod Odběr vzorků vod Vzorky vody se odebírají do předem dobře vymytých sklenic, popř. PET lahví s širším hrdlem. Vymytí se provádí roztokem jedlé sody a opakovaným propláchnutím horkou destilovanou vodou. Množství odebraného vzorku závisí na tom, jaké rozbory vody budeme provádět. Většinou stačí 1,0 dm 3 vzorku vody. Vzorek se může odebrat jednorázově (tzv. jednoduchý bodový vzorek). Před vlastním odběrem propláchneme odběrovou nádobu několikrát sledovanou vodou, čímž dojde k vytemperování nádoby. Vlastní odběr se provádí asi 25 cm pod hladinou a po změření teploty odebíraného vzorku vody nádobu pečlivě uzavřeme, další rozbory provádíme v laboratoři, nejpozději do 12 hodin po odběru. Měření teploty (provádíme v místě odběru) Teplota povrchové vody kolísá nejen v průběhu roku, ale i během dne a v závislosti na možnostech pohybu vody. Různou teplotu naměříme ve stojatých a proudících vodách, povrchových a podzemních vodách i vodách pitných a odpadních. Pomůcky: LabQuest, teplotní čidlo Vernier Postup: Čidlo připojíme k LabQuestu. Kovový konec čidla ponoříme do vody, po ustálení odečteme naměřenou hodnotu a čas měření. Odběr vzorku Měření teploty vody 6

Ch-Voda-1 Složení vody ph VODA Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Voda-1 Složení vody ph kvarta, kvinta Úkol: Určení ph vody pomocí indikátorového papírku a pomocí sondy PH-BTA Pomůcky: Datalogger LabQuest, senzor Vernier PH-BTA, kádinky, stojan, držák, křížová svorka, střička s destilovanou vodou, vzorek odebrané vody, indikátorový papírek Whatman LabQuest Sonda PH-BTA Indikátorové papírky Teorie: Hodnota ph určuje kyselost nebo zásaditost roztoku, její hodnoty se pohybují od 0 do 14. Neutrální roztok má ph 7, pokud je hodnota ph nižší, je roztok kyselý, pokud je ph vyšší než 7, je roztok zásaditý. Hodnota ph vody závisí na jejím chemickém a biologickém znečištění a také na teplotě. 7

Voda-1 Složení vody ph ph charakteristika vodného roztoku ph charakteristika vodného roztoku do 4,0 extrémně kyselý 7,5 8,7 slabě zásaditý 4,1 4,5 silně kyselý 8,8 9,4 zásaditý 4,6 5,2 kyselý 9,5 9,9 silně zásaditý 5,3 6,5 slabě kyselý 10,0 a výše extrémně zásaditý 6,6 7,4 neutrální Pokud se hodnoty ph u přírodních vod pohybují v rozmezí 5,0 až 9,0, nepůsobí to na životní prostředí vody negativně. Pitná voda bývá upravena na hodnotu ph mezi 6,0 až 8,0 z důvodů zdravotních, chuti a současně i zabránění koroze instalace. Orientačně určíme hodnotu ph indikátorovým papírkem, přesnou pomocí senzoru Vernier PH-BTA. Postup: 1. přibližné určení ph: Z odběrové láhve odlijte část vzorku vody do zkumavky, do vody ponořte indikátorový papírek Whatman a nechte cca 1 minutu ponořený v roztoku. 8

Srovnáním zbarvení s barevnou stupnicí získáte přibližnou hodnotu ph zkoumané vody. 2. Pro přesnější určení kyselosti použijeme senzor ph: Do kádinky odlijte část vzorku vody. Senzor kyselosti PH-BTA připojte k dataloggeru, odšroubujte lahvičku s ukládacím roztokem, čidlo opláchněte vodou a otřete. Čidlo ponořte do vzorku vody a po ustálení odečtěte hodnotu ph. Čidlo opláchněte vodou a uložte do lahvičky s ukládacím roztokem. 9

Ch-Voda-2 Zjištění barvy a zákalu vody VODA Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Voda-2 Zjištění barvy a zákalu vody kvarta, kvinta Úkol: Zjištění míry znečištění vody podle její barvy a zákalu Pomůcky: LabQuest, zákaloměr TRB-BTA, kádinky, filtrační aparatura, bílá čtvrtka, vzorek vody cca 250 ml LabQuest Zákaloměr TRB-BTA Teorie: Při určování barvy vody je třeba rozlišit barvu skutečnou, způsobenou rozpuštěnými látkami, a zdánlivou, způsobenou barevností nerozpuštěných látek, které se odstraní filtrací. Barva vody se stanovuje ve filtrátu původního vzorku vody buď pohledem, nebo porovnáním se standardy. Zákal vody může být přírodní způsobený jílovými materiály, oxidy železa, manganu, fytoplanktonem atd., nebo umělý, který je způsobený činností člověka. Podzemní vody bývají zakalené zřídka, povrchové vody bývají často zakalené splachem půdy, živými organismy nebo zvířenými usazeninami. Míra zákalu se udává v jednotkách NTU (Nephelometric Turbidity Units). Postup: Stanovení barvy: 1. Část vzorku vody přefiltrujte do čisté kádinky (150 cm 3 ). 2. Barvu stanovte pohledem proti čtvrtce bílého papíru, která slouží jako pozadí. 11

Voda-2 Zjištění barvy a zákalu vody 3. Výsledek vyjádřete slovně pojmenováním odstínu barvy a intenzity (od bezbarvé přes světlé, střední a tmavé odstíny různých barev, až po černou). Stanovení zákalu: 4. Stanovení zákalu se provádí pomocí zákaloměru RBT-NTU, nejprve je třeba zákaloměr kalibrovat. Napojte zákaloměr na datalogger a nechte cca 2 minuty zahřát, aby došlo ke stabilizaci napětí. 5. Spusťte dvoubodovou kalibraci: 1. kalibrační bod vezměte kyvetu s obsahem standardu 100 NTU a opatrně ji čtyřikrát překlopte, aby došlo k promíchání částic.!!! Pozor, netřepat!!! (Vznikají malé bublinky, které ovlivňují měření). Kyvetu otřete a vložte do zákaloměru tak, aby značka na kyvetě směřovala ke značce na senzoru. Při manipulaci držte kyvetu za víčko. Zavřete kryt, na dataloggeru zadejte hodnotu 100. Vyndejte kyvetu. 2. kalibrační bod: prázdnou kyvetu opláchněte destilovanou vodou a poté naplňte destilovanou vodou po rysku, zašroubujte víčko, otřete a vložte do zákaloměru, zavřete kryt. Na dataloggeru zadejte hodnotu 0. Nyní můžete měřit. 6. Láhev se vzorkem vody několikrát opatrně překlopte, aby došlo k promíchání částic. 7. Z kyvety vylijte destilovanou vodu, propláchněte ji vzorkem vody a naplňte kyvetu vzorkem vody po rysku. Zašroubujte víčko, kyvetu otřete, aby otisky na lahvičce nezkreslovaly měření, a vložte do zákaloměru šipkami k sobě. Zavřete kryt. 8. Změřte hodnotu zákalu. 12

!!! Částice obsažené ve vodě se časem usazují, dochází ke změnám naměřených hodnot, je tedy třeba hodnotu odečíst co nejdříve po vložení kyvety do senzoru!!! 13

Ch-Voda-3 Zjišťování vybraných iontů (SO 4 2-, Cl - ) VODA Autor: Radmila Poláčková Úkol: Voda-3 Zjišťování vybraných iontů (SO 4 2-, Cl - ) Třída: kvarta, kvinta Úkol: Důkaz síranových a chloridových iontů ve vzorku vody Pomůcky: LabQuest, sonda chloridových iontů Vernier CL-BTA, stojan, držák, křížová svorka, kádinky, střička s destilovanou vodou, zkumavky, stojan na zkumavky, odměrný válec, lihový fix, papírová utěrka, 10% roztok HCl (žíravina!), 10% roztok chloridu barnatého (toxická látka!). Pracujeme v rukavicích! LabQuest Sonda CL-BTA Teorie: Sírany patří spolu s hydrogenuhličitany, chloridy, případně dusičnany mezi hlavní anionty obsažené v přírodních vodách. Obsah síranů ve vodách: Jakost vody Velmi čistá Čistá Znečištěná Silně znečištěná Velmi silně znečištěná Obsah SO 4-2 mg/l do 80 do 150 do 200 do 300 nad 300 Běžně je obsah síranů ve vodách kolem 100 mg/l, při koncentraci větší než 350 mg/l společně s Mg 2+ působí projímavě. Rozpustné sírany obsažené ve vodě se dokazují chloridem barnatým. Pokud jsou ve vodě přítomné síranové anionty, po přidání chloridu barnatého vzniká síran barnatý, který je nerozpustný. Podle množství obsažených SO 4 2- může vzniknout 15

Voda-3 Zjišťování vybraných iontů (SO 4 2-, Cl - ) buď jemné zakalení, střední zákal nebo sraženina. Pokud nevznikne zákal hned, necháme zkumavku se vzorkem a činidlem stát a pozorujeme až po delší době. Chloridy se v pitné vodě vyskytují běžně, mohou být přírodního původu z horninového podloží, nebo se do vody dostanou z odpadních vod, výluhy a splachy ze zimních posypů vozovek. Zvýšený obsah chloridů ve vodě tedy slouží jako indikátor jejího znečištění. Mezní hodnota 100 mg/l může být překročena u chloridů přírodního původu. Vyšší obsah chloridů (do 250 mg/l) není zdravotním rizikem, ale má vliv na chuť vody a také přispívá ke korozi materiálů potrubí, a tím zvyšuje množství toxických kovů ve vodě. Dnes je všeobecně vysoký výskyt chloridů v přírodě a další zvýšení vzniká splachem hnojiv z polí a soli z posypu silnic používaném v zimním období. Určení množství Cl - ve vzorku vody provedeme pomocí čidla Vernier CL-BTA Postup: Důkaz síranových iontů (SO 2-4 ) Do zkumavky nalijte asi 10 ml vzorku vody a přidejte 1 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové a 1 ml roztoku chloridu barnatého. Pokud nevznikne zákal hned, postavte zkumavku do stojanu a zkontrolujte za chvíli. Důkaz chloridových iontů (Cl - ) 1. Kalibrace: Připojte čidlo k dataloggeru, nastavte dvoubodovou kalibraci. Vysoký kalibrační bod sondu máte namočenou do roztoku vysoké kalibrace alespoň 30 minut, zadejte na dataloggeru hodnotu 1000, po cca 1 minutě, až se hodnota ustálí, potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku a střičkou důkladně opláchněte, pak osušte papírovou utěrkou. Nízký kalibrační bod sondu vložte do standardního roztoku nízké kalibrace, na dataloggeru zadejte hodnotu 10 a po cca 1 minutě potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, opláchněte destilovanou vodou a pak otřete papírovou utěrkou. 16

2. Měření: Do kádinky (100 ml) nalijte do ¾ vzorek vody, ponořte do něj sondu. Zkontrolujte, zda se sonda nedotýká dna a zda pod ní nezůstala bublinka vzduchu, pokud ano, poklepem na sondu ji odstraňte. Zhruba po 1 minutě na dataloggeru odečtěte naměřenou hodnotu. Sondu vyjměte z roztoku, opláchněte vodou a osušte papírovou utěrkou. 3. Uložení: Na sondu nasuňte lahvičku s houbičkou, která slouží k dlouhodobému skladování. Zašroubujte a uložte do krabice. 17

Ch-Voda-4 Zjišťování vybraných iontů (NO 3 -, NH4 + ) VODA Autor: Radmila Poláčková Úkol: Voda-4 Zjišťování vybraných iontů (NO 3 -, NH 4 + ) Třída: kvarta, kvinta Úkol: Důkaz dusičnanových aniontů a amonných kationtů ve vzorku vody Pomůcky: LabQuest, čidlo amonných iontů Vernier NH4-BTA, stojan, držák, křížová svorka, kádinky, střička s destilovanou vodou, zkumavky, stojan na zkumavky, testovací proužky Quantofix pro určení NO - 3, lihový fix, papírové utěrky LabQuest Sonda NH4-BTA Testovací proužky Teorie: Dusičnany jsou konečným stupněm rozkladu dusíkatých organických látek a pitná voda je běžně obsahuje. Hlavním zdrojem jsou zemědělská hnojiva a odpadní vody. Dusičnany nejsou pro člověka zvláště škodlivé, ale v zažívacím traktu se mikrobiálně mění na dusitany, které jsou toxické. Přímé zdravotní riziko však hrozí při obsahu větším než 50 mg/l pro kojence ve věku 3 4 měsíce, kteří jsou krmeni umělou kojeneckou výživou. Z těchto důvodů je v pitné vodě a potravinách obsah dusičnanů limitován normami (50 mg/l). 19

Voda-4 Zjišťování vybraných iontů (NO 3 -, NH 4 + ) Amonné kationty se spolu s dusičnanovými a dusitanovými anionty podílí na koloběhu dusíku v přírodě. Amoniak se uvolňuje rozkladem rostlinných a živočišných zbytků. Tím, že je dobře + rozpustný ve vodě, způsobuje znečištění vody ve studních. Přítomnost NH 4 ve vodě může být důsledkem fekálního znečištění vody. Do vody se však NH + 4 ionty dostávají i z dusíkatých hnojiv, ve kterých jsou amonné kationty přítomné. Limitní hodnota je ve vodě 0,5 mg/l, ale při ph vody 6 8 nemá žádný zdravotní význam, je možno tolerovat i hodnoty kolem 30 mg/l. Postup: Důkaz dusičnanových iontů (NO - 3 ) Do zkumavky nalijte asi 10 ml vzorku vody a vložte do ní testovací proužek pro určení NO - 3. Po zhruba 1 minutě testovací proužek vytáhněte a podle stupnice na obalu porovnejte zbarvení. Důkaz amonných iontů (NH + 4 ) 1. Kalibrace: Připojte čidlo k dataloggeru, nastavte dvoubodovou kalibraci. Vysoký kalibrační bod sondu máte namočenou do roztoku vysoké kalibrace alespoň 30 minut, zadejte na dataloggeru hodnotu 100, po 1 minutě, až se hodnota ustálí, potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, střičkou s destilovanou vodou důkladně opláchněte a pak osušte papírovou utěrkou. Nízký kalibrační bod sondu vložte do standardního roztoku nízké kalibrace, na dataloggeru zadejte hodnotu 1 a po 1 minutě potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, opláchněte destilovanou vodou a pak otřete papírovou utěrkou. 20

2. Měření: Do kádinky (100 ml) nalijte do ¾ vzorek vody, ponořte do ní sondu. Zkontrolujte, zda se sonda nedotýká dna a zda pod ní nezůstala bublinka vzduchu, pokud ano, poklepem na sondu ji odstraňte. Zhruba po 1 minutě na dataloggeru odečtěte naměřenou hodnotu. Sondu vyjměte z roztoku, opláchněte vodou a osušte papírovou utěrkou. 3. Uložení: Na sondu nasuňte lahvičku s houbičkou, která slouží k dlouhodobému skladování. Zašroubujte a uložte do krabice. 21

CH-Voda-5 Složení vody důkaz kationtů Fe, Ca VODA Autor: Radmila Poláčková Úkol: Třída: Voda-5 Složení vody důkaz kationtů Fe, Ca kvarta, kvinta Úkol: Důkaz kationtů některých kovů Pomůcky: Datalogger LabQuest, sonda Ca 2+ Vernier CA-BTA, kádinky, stojan, držák, křížová svorka, střička s destilovanou vodou, vzorek vody, odměrný válec, zkumavky, stojan na zkumavky, 10% roztok HCl, 2% roztok červené krevní soli (K 3 [Fe(CN) 6 ]) LabQuest Sonda CA-BTA Teorie: Ionty železa přítomné ve vodě negativně ovlivňují smyslové vlastnosti vody (chuť, vůni, barvu). Výrazně železitá voda by se neměla používat ani jako voda užitková, protože se sloučeniny železa usazují v trubkách, kotlích, bojlerech a způsobují korozi zařízení. To zkracuje jeho životnost. Mezní hodnoty železa ve vodě: 1. pitná a balená voda: 200 μg/l 2. pramenitá a kojenecká voda: 300 μg/l 3. studniční: do 500 μg/l Vápenaté ionty: Voda se v přírodě nikdy nevyskytuje čistá, obsahuje rozpuštěné minerální látky. Nejčastěji hydrogenuhličitan vápenatý, hydrogenuhličitan hořečnatý, síran vápenatý, síran hořečnatý. Vápenaté a hořečnaté ionty způsobují tvrdost vody. Jelikož je množství Ca 2+ větší, můžeme orientačně určit tvrdost vody z jejich množství. 23

Postup: Voda-5 Složení vody důkaz kationtů Fe, Ca Důkaz přítomnosti železa ve vodě: Do první označené zkumavky nalijeme 10 ml vzorku vody, do druhé označené zkumavky 10 ml destilované vody, do obou přidáme pipetou 1 ml roztoku HCl a 1 ml roztoku červené krevní soli. Pokud jsou v roztoku přítomné ionty železa, vzniká modré zbarvení, na výsledek je třeba čekat i delší dobu. (Zkumavka s destilovanou vodou slouží ke srovnání). Důkaz přítomnosti vápenatých iontů: 1. Kalibrace: Připojte čidlo k dataloggeru, nastavte dvoubodovou kalibraci. Vysoký kalibrační bod sondu máte namočenou do roztoku vysoké kalibrace alespoň 30 minut, zadejte na dataloggeru hodnotu 1000, po cca 1 minutě, až se hodnota ustálí, potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku a střičkou důkladně opláchněte, pak osušte papírovou utěrkou. Nízký kalibrační bod sondu vložte do standardního roztoku nízké kalibrace, na dataloggeru zadejte hodnotu 10 a po cca 1 minutě potvrďte. Sondu vytáhněte z roztoku, opláchněte destilovanou vodou a pak otřete papírovou utěrkou. 24

2. Měření: Do kádinky (100 ml) nalijte do ¾ vzorek vody, ponořte do něj sondu. Zkontrolujte, zda se sonda nedotýká dna a zda pod ní nezůstala bublinka vzduchu, pokud ano, poklepem na sondu ji odstraňte. Zhruba po 1 minutě na dataloggeru odečtěte naměřenou hodnotu. Sondu vyjměte z roztoku, opláchněte vodou a osušte papírovou utěrkou. 3. Uložení: Na sondu nasuňte lahvičku s houbičkou, která slouží k dlouhodobému skladování. Zašroubujte a uložte do krabice. 25

ÚvodPoužitá literatura: [1] OPAVA, Zdeněk. Chemie kolem nás. 1. vyd. Praha: Albatros, 1986. [2] ŠKODA, Jiří a Pavel DOULÍK. Chemie 8: pro základní školy a víceletá gymnázia: učebnice. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2006, 136 s. ISBN 80-723-8442-2. [3] BENEŠ, Pavel, Václav PUMPR a Jiří BANÝR. Základy chemie pro 2. stupeň základní školy, nižší ročníky víceletých gymnázií a střední školy. 3. vyd. Praha: Fortuna, 2000, 143 s. ISBN 80-716-8720-0. [4] INGRAM, P, Peter WHITEHEAD a R GALLAGHER. Chemie: doplňující studijní materiál. České vyd. 1. Praha: Svojtka, 1999, 256 s. Přehled učiva. ISBN 80-723-7147-9. [5] ŠKODA, Jiří a Pavel DOULÍK. Chemie 9: pro základní školy a víceletá gymnázia: učebnice. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2007, 128 s. ISBN 80-723-8584-3. [6] BERGSTEDT, Christel, Volkmar DIETRICH a Klaus LIEBERS. Člověk a příroda, část Voda. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2005, 64 s. Učebnice pro integrovanou výuku. ISBN 80-723-8337-X. Zdroje fotografií na obálce: [7] BOCK, Christoph. DNA (CC BY-SA). [fotografie] In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-. Formát: 800 600 (upraveno). Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/methylace_dna#mediaviewer/soubor:dna_methylation.jpg [8] AWESOMOMAN. Fire. [fotografie] In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-. Formát: 1,944 2,896 (upraveno). Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/file:fire.jpg [9] GERALT. Flash. [fotografie]. In: Pixabay.com [online]. Formát: 1046 2584 (upraveno). Dostupné z: http://pixabay.com/en/flash-night-thunderstorm-light-68920/.

Redakce: Mgr. Gabriela Kokešová, Mgr. Radmila Poláčková, Mgr. Miroslav Dvořák, Mgr. Jiří Gončár Jazyková korektura: Mgr. Jaroslav Kotulán Fotografie: autoři úloh Návrh úvodní strany obálky: Pavlína Sikorová Grafická úprava: Mgr. Roman Ondrůšek Tisk: Marais, s.r.o. Vydalo: Gymnázium a ZUŠ Šlapanice, červen 2014 Náklad: 50 ks tiskem Zdarma digitálně na: http://www.prirodnivedymoderne.cz/cz/vyukove-materialy