1. Chemie a společnost
1.07 Přírodní indikátor pH. Projekt Trojlístek
úroveň
1–2–3
Přírodní indikátor pH Trojlístek
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 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta)
3. Abstrakt Nakrouhané červené zelí se povaří s vodou. Připravený výluh se Vodný výluh červeného zelí barevnou použije k indikaci pH rozmanitých chemických látek, přípravků, změnou indikuje kyselé/bazické potravin, léků aj. roztoky (určuje pH).
4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Fyzika, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda (roztoky, kyselost a zásaditost, pH, souvislost kyselosti s kyselou chutí, využití kyselin a bází).
Co mají žáci znát: • roztoky; • kyselost a zásaditost; • škála pH.
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Otázka kyselosti a bazicity má původ v chemickém chování látek v roztocích. Neznamená to však, že je výhradně objektem zkoumání vědního oboru chemie. Tento fenomén naopak zasahuje do mnoha oblastí lidského konání. Jmenujme například běžný výskyt kyselin a bází v přírodě (přirozeně v živočiších, rostlinách i člověku), jejich využití v potravinářství, v domácnostech, v různých odvětvích průmyslu jako je elektrotechnika, metalurgie, textilní a kožedělný průmysl nebo průmysl farmaceutický. Žáci se seznámí s rozmanitými druhy kyselých, neutrálních a zásaditých látek. Osvojí si a v praxi si ověří poznatek, že nejenom různé chemické indikátory, nýbrž i rozmanité přírodní materiály mohou indikovat pH vodných roztoků chemických látek. Naučí se pracovat s kyselinami a bázemi a připravovat nebo ředit jejich roztoky.
Co se žáci dozví: • Jaká je chemická příčina kyselosti a zásaditosti. • Jak je definovaná škála pH. • Způsoby měření pH.
Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Přírodní indikátor pH Trojlístek
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie
Voda H 2 O Rozmanité kyseliny (chlorovodíková HCl, sírová H 2 SO 4 , dusičná HNO 3 , mravenčí HCOOH, octová CH 3 COOH aj.) Rozmanité báze (hydroxid sodný NaOH, hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 , amoniak NH 3 , uhličitan sodný Na 2 CO 3 aj.) Různé potraviny (citronka, džus, ochucená minerální voda, ocet, jogurt, mléko aj.) Různá léčiva (acylpyrin, ibalgin, vitamín C, borová voda aj.) Jiné výrobky (mýdlo, tekuté mýdlo, čistič WC, calgonit, prášek do pečiva aj.)
DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout!
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Kádinka 1000 ml Elektrický vařič (alternativně trojnožka, síťka a lab. kahan) Krájecí prkénko a nůž (alternativně struhadlo) Červené zelí Skleněná tyčinka Zkumavka (10 ks) Stojan na zkumavky Lihový fix Pipeta 10 ml Pipetovací balónek Laboratorní lžička Střička s vodou
6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu měřicích přístrojů.
nevyžaduje
použití
NEZAPOMENOUT NA VZORKY! Cestou ze školy musím navštívit obchod s potravinami, drogerií a lékárnu a nakoupit zvolené testovací vzorky.
laboratorních
7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. ČASY: Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. Nesmíme však zapomenout opatřit si 10 minut veškeré zamýšlené výrobky, které hodláme do experimentu zařadit. Nějaký čas nám tedy zabere nakupování v prodejnách potravin, v drogerii, v lékárně apod. Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Přírodní indikátor pH Trojlístek
Příprava roztoku přírodního indikátoru, tedy „vývar“ z červeného 30 minut zelí, trvá zhruba 30 minut (krájení zelí, var, filtrace a následné chladnutí). Pokud zamýšlíme experimentu věnovat celou vyučovací hodinu, je vhodné připravovat roztok v rámci experimentu, nejlépe společně (ve skupině, třídě apod.). Pokud je časová dotace nižší, je vhodné roztok připravit předem. Zfiltrovaný roztok je možno uchovávat několik dní v lednici. ROZHODNĚME SE: Roztok indikátoru si žáci připraví 7.2 Realizace experimentu sami (delší varianta) nebo jej připravíme předem (kratší Doba realizace pokusu je odvislá od počtu zvolených testovacích varianta). vzorků, doporučujeme 5 – 10 vzorků. Rovněž závisí na tom, zda je potřeba připravené vzorky (chemikálie, přípravky, potraviny, léčiva) ředit či rozpouštět. Časy: Vlastní indikace pH 20 minut.
probíhá v krátké době, trvá maximálně 20 minut
8. Laboratorní postup Příprava indikátoru Asi 200 g hlávky červeného zelí nakrájíme na drobné kousky nebo nastrouháme. Vneseme do 1000 ml kádinky, přidáme asi 600 ml pitné vody a krátce povaříme za občasného míchání. Vzniklý „vývar“ necháme vychladnout nebo ochladíme a dle potřeby zfiltrujeme. Připravený roztok, který má sytě fialovou barvu, je možno uchovávat několik dní v lednici. Indikace pH Do jednotlivých zkumavek připravíme asi 3 ml zředěných vodných roztoků (ev. 3 ml suspenze) testovaných vzorků. Z koncentrovaných kyselin a bází nebo pevných kyselin či bází připravíme asi 10% roztoky. Zkumavky popíšeme lihovým fixem. Ke každému vzorku přidáme zhruba 1 ml indikátoru z červeného zelí. Pozorované barevné změny zaznamenáváme.
Testované roztoky se různě barví!
9. Princip experimentu Protolytická (acidobazická) reakce je rovnovážná chemická reakce probíhající mezi kyselinou a bází (zásadou). Kyselina je látka schopná odštěpit tzv. proton (vodíkový kation H+) a báze je látka schopná tento proton H+ přijmout. Reakce mezi kyselinou Kyselina a báze Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Přírodní indikátor pH Trojlístek
a bází tedy spočívá ve vzájemné výměně protonu H+. Příkladem Výměna protonu H+ může být následující reakce kyseliny chlorovodíkové HCl s hydroxidem sodným NaOH, při které vzniká chlorid sodný NaCl a voda H 2 O (Schéma 1).
HCl
+
NaOH
H2O
+
NaCl
Schéma 1
Autoprotolytická reakce vody (zkráceně autoprotolýza) je reakce Autoprotolýza vody dvou molekul vody, při které dochází k výměně protonu a vzniká oxoniový kation H 3 O+ a hydroxidový anion OH- (Schéma 2). Jedna Oxoniový kation H 3 O+ molekula se chová jako kyselina a druhá jako zásada. Takové Hydroxidový anion OHlátky nazýváme amfoterní.
H2O
+
H2O
H3O
+
+
-
OH
Schéma 2
Rovnovážná koncentrace obou iontů je tedy shodná a je rovna hodnotě 10-7 mol.dm-3. Rovnovážná konstanta této rovnovážné reakce (tzv. iontový součin vody) je rovna součinu obou koncentrací a dosahuje hodnoty 10-14 mol2.dm-6. Hodnota pH vyjadřuje koncentraci iontů H 3 O+ ve vodném Škála pH je od 0 do 14. roztoku a nabývá tedy hodnot od 0 do 14: je-li c(H 3 O+) = 100 mol.dm-3, pak pH = 0; je-li c(H 3 O+) = 10-7 mol.dm-3, pak pH = 7; je-li c(H 3 O+) = 10-14 mol.dm-3, pak pH = 14. Roztok s pH = 0 je silně kyselý. Jak se hodnota pH zvyšuje, Kyselý roztok má pH < 7. postupně se kyselost roztoku snižuje až k hodnotě pH = 7. Roztok s takovou hodnotou nazýváme neutrální. Roztoky s vyšší Neutrální roztok má pH = 7. hodnotou pH nazýváme zásadité (bazické) a jejich pH může Zásaditý roztok má pH > 7. dosahovat až hodnoty 14. Příkladem může být vodný roztok kyseliny chlorovodíkové HCl o koncentraci 10-1 mol.dm-3. Disociaci kyseliny chlorovodíkové ve vodě znázorňuje Schéma 3. Jedná se o roztok silné kyseliny, koncentrace oxoniových kationtů H 3 O+ v tomto roztoku bude tedy stejná (tzn. 10-1 mol.dm-3) a pH uvažovaného roztoku proto bude rovno 1.
HCl
+
H2O
H3O
+
+
Cl
-
Schéma 3
Hodnoty pH vodných roztoků chemických látek zjišťujeme pH-metry měřením (pH-metry) nebo prostřednictvím rozmanitých acidobazických indikátorů. Jsou to organická barviva, jejichž zabarvení se mění v závislosti na hodnotě pH (neboli na koncentraci iontů H 3 O+ v roztoku). Například fenolftalein je zbarven fialově v silně zásaditém roztoku, jinak je bezbarvý; kongočerveň zmodrá v silně kyselém prostředí; methylčerveň ve Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Přírodní indikátor pH Trojlístek
slabě kyselém prostředí mění barvu z červené do žluté. Indikátory se používají ve formě roztoků nebo ve formě indikátorových papírků, které jsou indikátorem napuštěné. Červené zelí obsahuje mj. skupinu rostlinných barviv anthokyany, které také mění barvu v závislosti na pH. Anthokyany proto můžeme využít jako přírodní indikátor pH. Kromě červeného zelí se vyskytuje přirozeně v červené řepě, černém rybízu, borůvkách, brusinkách, malinách, hroznovém vínu, grepech. Květům dává modré (pomněnky), červené (mák, růže) nebo fialové zbarvení. Používá se také jako potravinové barvivo (E163), je to bezpečná přísada do kyselých potravin, jako jsou víno, džusy, mléčné výrobky, zmrzliny aj. V praxi se setkáváme i s dalšími typy indikátorů. V domácnostech se běžně používají indikátory pH a obsahu chloru pro kontrolu bazénové vody, rozšířené jsou i testovací proužky pro stanovení tvrdosti vody (myčky nádobí), specializované firmy nabízejí testovací proužky pro analýzu rozmanitých látek (např. stanovení dusitanů/dusičnanů ve vodě a půdě).
Indikátorové pH-papírky Anthokyany
Potravinové barvivo E163 Jiné typy indikátorů
10. Bezpečnost práce Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je nutné seznámit se s povahou použitých chemických látek, se způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba provést v případě poškození zdraví. Pokud jako testované vzorky k určování pH zvolíte látky uvedené na seznamu nebezpečných chemických látek, dodržujte bezpečnostní pokyny uvedené na obalech. Doporučujeme jako testovací vzorky vybrat takové látky, které nepodléhají zvláštní likvidaci. Takové vzorky potom běžně likvidujte v kanalizaci.
11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je snadný a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a materiálu a velmi nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme individuální provedení pokusu žáky. Pokud žáci nemají alespoň základní zkušenosti laboratorní techniky a práce s chemickými látkami, doporučujeme k experimentu vybrat jako testovací vzorky pouze potraviny. Provedení pokusu tak zvládnou děti všech věkových skupin. Alternativně můžeme pokus provádět s většími objemy testovacích roztoků. Do každé z jednotlivých kádinek odměříme Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
Přírodní indikátor pH Trojlístek
50 ml vody a přidáme malé množství testované látky (špetku nebo pár kapek). Kádinky si popíšeme fixem. Poté do každé kádinky přilijeme malé množství roztoku indikátoru a pozorujeme barevné změny.
12. Přínos Pokus představuje velmi snadno realizovatelnou demonstraci indikace pH vodného prostředí barevnou změnou indikátoru. Provedení primárně nevyžaduje použití žádných chemikálií, jako indikátor i experimentální vzorky lze použít běžně dostupné potraviny. Na těchto látkách se žáci seznámí s povahou veličiny pH a způsoby její indikace. Připraví si vlastní indikátor pH zpracováním přírodního materiálu, barevné změny související s rozdílnými pH totiž poskytují i barviva přírodní povahy. Na vybraných vzorcích si žáci sestaví vlastní stupnici pH odpovídající použitému indikátoru, kterou mohou využít v každodenním životě a aplikovat ji na běžně používané výrobky, látky a materiály.
13. Fotografie Počáteční a finální stav, eventuálně i průběh experimentu, můžeme dokumentovat pořízením fotografií.
Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
7
Přírodní indikátor pH Trojlístek
Příklad zaznamenávání výsledků experimentu uvádí následující tabulka. Použité testovací vzorky jsou zobrazeny na fotografii a v tabulce jsou řazeny zhruba v pořadí klesající kyselosti a rostoucí bazicity. Barevné změny přírodního indikátoru pH z červeného zelí testovaný vzorek
barva
HCl (zředěná, asi 10%)
růžovočervená
CH 3 COOH (zředěná, asi 10%)
růžovočervená (do fialova)
Citronka
růžovočervená (do fialova)
tekuté mýdlo (1 kapka)
fialová
Magnesia perlivá
fialová
pitná voda
modrofialová
mýdlo (malý kousek)
pastelová zelená
Na 2 CO 3 (asi 10% roztok)
žlutozelená
NH 3 (zředěný, asi 10%)
žlutá
NaOH (asi 10% roztok)
špinavě žlutá
Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
8
