1. Chemie a společnost
1.08 Tvrdost vody. Projekt Trojlístek
úroveň
1–2–3
Tvrdost vody 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 Voda je stálá chemická sloučenina složená z vodíku a kyslíku a je nejrozšířenější chemickou sloučeninou na Zemi. Vyskytuje se ve všech třech skupenstvích. Je důležitou složkou organismů. V přírodě se obvykle nevyskytuje čistá, ale obsahuje různá množství rozpuštěných látek. Druhy vody: Podle původu a množství příměsí rozlišujeme vodu mořskou a dešťovou, vodu z potoků a řek. Podle množství rozpuštěných látek dělíme vodu na měkkou, tvrdou a minerální. Měkká voda obsahuje málo rozpuštěných minerálních látek, voda tvrdá obsahuje větší množství a voda minerální obsahuje značné množství minerálních látek, ale i rozpuštěných plynů. Destilovaná voda je čirá, bez chuti a zápachu a neobsahuje žádné rozpuštěné látky. Podle využívání vody člověkem se dělí na pitnou, užitkovou, odpadní a provozní.
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; • voda; • chemické látky, směsi; • skupenství látek; • anorganické sloučeniny.
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení „složení“ různých druhů vod a jejich tvrdosti. Nacvičené dovednosti a získané znalosti ohledně typů vod jsou přenositelné Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Tvrdost vody Trojlístek
do každodenních okamžiků běžného života. Zjišťování příměsí ve vodě ilustruje složení/znečištění vod. Při určování tvrdosti vody sledujeme v reálném čase reakci iontů (způsobujících tvrdost vody) s mýdlem. Neopomenutelný je praktický dopad realizovaného experimentu, který v laboratorním měřítku demonstruje klíčové vlastnosti různých druhů vod, z hlediska jejich použitelnosti v různých aplikacích vody (tepelné médium, pitná voda, rozpouštědlo a pod.).
Co se žáci dozví: • Co je a jak vypadá chemická látka. • Jak připraví směsi. • Rozpouštění, vlivy. • Odpařování. • Provedení chemické reakce. • Složení a tvrdost vody.
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie
Voda H 2 O (pitná, dešťová, minerální, říční a destilovaná)
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Mističky (plato od léků) Kapátko Černý papír Erlenmayerovy baňky 25 ml (nebo 50 ml) se zátkami (5 ks) Lihový fix Struhadlo Tuhé mýdlo
6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu měřicích přístrojů.
nevyžaduje
použití
DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout!
laboratorních
7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout nachystání všech výše uvedených druhů vod, pomůcek a nádobí. Časy: ČASY: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 15 minut. 15 minut
7.2 Realizace experimentu
V případě příměsí ve vodě je realizace pokusu závislá na množství odpařované vody. Ihned po odpaření vody je možno pozorovat neodpařené zbytky. Při zjišťování tvrdosti vody je reakce ihned pozorovatelná. Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Tvrdost vody Trojlístek
Časy: Dobu zjišťování příměsí ve vodě odhadujeme na 30 minut 30 minut a určování tvrdosti vody na 15 minut. 15 minut
8. Laboratorní postup Příměsi ve vodě Do každé jamky misky/plata nakapeme 4 kapky různých druhů vod. Plato položíme na topení a počkáme, až se všechna voda odpaří. Poté plato položíme na černý papír a srovnáme množství vzniklého odparku tj. množství tuhých příměsí. Tvrdost vody Erlenmayerovy baňky si popíšeme podle druhu vody lihovým fixem, aby se nepomíchaly. Do čtvrtiny každé baňky nalijeme jeden z uvedených druhů vody a poté do každé baňky přidáme polovinu lžičky jemně nastrouhaného mýdla. Baňky uzavřeme, protřepeme. Prohlédneme si roztoky proti světlu.
9. Princip experimentu Příměsi obsažené ve vodě mají vyšší bod varu (odpařování) než voda. Po odpaření vody tedy zůstanou v nádobce (jamce) a můžeme je pozorovat, zvážit apod. Tvrdost vody je vlastnost, která vyjadřuje obsah rozpuštěných nerostů (nejčastěji vápenatých a hořečnatých hydrogenuhličitanů) ve vodě. Tvrdost vody má význam pro její využití jako pitné i užitkové vody. Je zdrojem tvorby vodního i kotelního kamene a ovlivňuje chuťové vlastnosti vody. Tvrdost vody může být trvalá a přechodná. Trvalá obsahuje rozpuštěné chloridy, sulfidy, dusičnany a křemičitany. Přechodná obsahuje rozpuštěný Ca(HCO 3 ) 2 (hydrogenuhličitan vápenatý). Po jeho vysrážení vzniká CaCO 3 (uhličitan vápenatý), což je vodní kámen. Základní složkou mýdla jsou hydratované sodné nebo draselné soli vyšších karboxylových kyselin (R-COO-Na+/K+). Pokud je v použité vodě obsaženo větší množství rozpuštěných vápenatých nebo hořečnatých solí, např. hydrogenuhličitanu vápenatého (tvrdá voda), sráží se mýdlo z roztoku ve formě nerozpustných solí (Schéma 1).
2 R-COO-Na+ + Ca2+(HCO 3 -) 2 → 2 Na+(HCO 3 )- + (R-COO) 2 - Schéma 1 Ca2+
Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Tvrdost vody Trojlístek
10. Bezpečnost práce Použité látky jsou běžně používány pro přípravu jídel/potravin/pokrmů. Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce není třeba věnovat zvýšenou pozornost chemickým rizikům.
11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou „laboratorního“ nádobí a nízkou spotřebou „chemikálií“. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky. Při vyhodnocování experimentu se mohou žáci zaměřit na tyto aspekty: Příměsi ve vodě Napíšeme k jednotlivým druhům vod čísla od 1 (tj. nejméně) do 5 (tj. nejvíce) podle množství odparku. Tvrdost vody Která voda pění nejvíce? Která voda pění nejméně? U které vody došlo k největšímu zakalení v roztoku s mýdlem? Pění více voda tvrdá nebo voda měkká?
12. Přínos Souvislosti prováděného experimentu s jevy každodenního života jsou nadmíru patrné a více než zjevné. Některé souvislosti již byly zmíněny v předchozím textu. Příměsi ve vodě Vyjma destilované vody, každá voda obsahuje příměsi, které ovlivňují vlastnosti vody a možnost jejího použití (pitná voda, chladicí voda apod.). Pro „výrobu“ pitné vody je velice důležité znát příměsi, které je třeba odstranit z vody, aby byla nezávadná. Tvrdost vody Tvrdost vody Vodní kámen Vodní kámen je pevný povlak, který se usazuje na stěnách nádob, v nichž je přechovávána, vedena nebo především zahřívána a poté ochlazována tvrdá voda, jejíž teplota nedosahuje 100 °C. Základní složkou vodního kamene je obvykle Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Tvrdost vody Trojlístek
uhličitan vápenatý. Tvorba vodního kamene je způsobena změnou rovnováhy mezi ionty kyseliny uhličité a hydroxidu vápenatého při změně teploty a jejich vyloučením z vody. Zamezování tvorby vodního kamene a jeho odstraňování lze řešit různými způsoby: - mechanické metody (mechanické odstraňování vzniklého kamene); - chemické metody (rozpouštění pomocí kyselin, např. kyseliny citrónové, kyseliny chlorovodíkové); - fyzikální metody (magnetická úpravna, galvanická úprava pomocí zinkové anody); - iontoměniče.
13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií.
Vodní kámen.
Doba realizace pokusu je dokonce natolik krátká, že její průběh můžeme zaznamenat krátkou videosekvencí.
Trojlístek podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
