Chemie Projekt Jdeme na to od lesa! Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884

Sada výukových materiálů

Chemie

Projekt „Jdeme na to od lesa!“ Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884 Izomerie Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Stanovení pH vodných roztoků Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)

CHEMIE

Izomerie V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

CHEMIE

Obsah Obsah . . . 2 Úvod . . . 3 Cíle . . . 3 Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4 Izomerie organických sloučenin . . . 4

Motivace studentů . . . 6 Doporučený postup řešení . . . 7 Materiály pro studenty . . . 7 Záznam dat . . . 7 Analýza dat . . . 7 Syntéza a závěr . . . 7 Hodnocení . . . 7 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 7

Pracovní návod . . . 8

Zadání úlohy . . . 8 Pomůcky . . . 8 Bezpečnost práce . . . 8 Teoretický úvod . . . 8 Příprava úlohy (praktická příprava) . . . 9 Postup práce . . . 9

Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 10 Téma . . . 10 Úkoly . . . 10 Pomůcky . . . 10 Vypracování . . . 10 Závěr . . . 12

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 13 Téma . . . 13 Úkoly . . . 13 Pomůcky . . . 13 Vypracování . . . 13 Závěr . . . 15

3

Tip Studenti znají Chemsketch z předchozího studia. Jinak je nutné věnovat 1 vyučovací hodinu na jednoduché seznámení se základními možnostmi tohoto programu. Ve vyšších ročnících je vhodné zařadit práci s Chemsketch v biochemii (struktura nukleotidů, alkaloidů atd.)

Časová náročnost Příprava laboratorní práce – příprava techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pozorování (40 minut – sestavování modelů pomocí stavebnice, 30 minut na Chemsketch) 2 vyučovací hodiny (45 minut) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Bezpečnost práce Nutno dodržovat zásady bezpečného používání internetu a práce na školní síti!

První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil tehdejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pouze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení. V roce 1849 získal Louis Pasteur krystaly obou enantiomerů kyseliny hroznové. Konformaci jednotlivých enantiomerů zjistil pomocí měření otáčení roviny polarizovaného světla (polarimetrie). Typ experimentu: žákovský

Cíle Studenti by měli zvládnout: • napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek • sestavit model pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně zdatné na PC) • sestavit model v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D) Klíčové kompetence: • kompetence k řešení problémů – student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice • kompetence k učení – student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj

Materiály pro učitele

Průřezová témata: • Osobnostní a sociální výchova – Spolupráce a soutěž

V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery.

Izomerie

Vyučovací předměty: chemie, IVT (program ChemSketch – freeware)

Úvod

CHEMIE

Zařazení do výuky Laboratorní cvičení je vhodné zařadit v rámci učiva o struktuře organických sloučenin.

4

Izomerie organických sloučenin Vlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace. Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb. Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci). Struktura je pojem nadřazený pojmům konfigurace a konstituce: Struktura = konstituce + konfigurace Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumárnímu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání atomů v molekule) nebo několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru). V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe strukturou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi. Sloučeniny, které sice mají stejný souhrnný vzorec, ale liší se strukturou a vlastnostmi svých molekul, se nazývají izomery. Protože izomery se mohou lišit buď konstitucí, nebo konfigurací svých molekul, existují dva základní typy izomerie: izomerie konstituční (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konstituci molekul) a izomerie konfigurační (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konfiguraci jejich molekul). Jsou tři konkrétní příčiny v rozdílné konstituci molekul a tedy tři konkrétní druhy konstituční izomerie. Jsou dvě konkrétní příčiny v rozdílné konfiguraci molekul a tedy dva konkrétní druhy konfigurační izomerie. 1. Konstituční izomerie: 1a) Konstituční izomerie řetězová Její příčinou je rozdílné uspořádání uhlíkových atomů v řetězci. Izomery se liší tvarem (vzhledem) uhlíkového řetězce: sloučenina 1 – souhrnného vzorce C5H12 má konstituci: CH3 –CH2 –CH2–CH2 –CH3 sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C5H12 má konstituci: CH3–CH –CH2–CH3 | CH3


V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery. První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil tehdejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pouze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení.

Izomerie

Přehled pomůcek • stavebnice modelů sloučenin • PC + program ChemSketch (freeware) • pracovní list

Teoretická příprava (teoretický úvod)

CHEMIE

Slovníček pojmů IZOMERIE KONSTITUČNÍ IZOMERIE PROSTOROVÁ IZOMERIE Viz pracovní list (učitel)

5

sloučenina 3 – souhrnného vzorce C4H8 má konstituci: CH3–CH=CH–CH3 sloučenina 4 – rovněž souhrnného vzorce C4H8 má konstituci: CH2=CH–CH2–CH3 1c) Konstituční izomerie skupinová Příčinou je přítomnost rozdílných charakteristických skupin atomů v molekulách se stejným souhrnným vzorcem: sloučenina 1 – souhrnného vzorce C2H6O má konstituci: CH3–CH2–OH (alkohol) sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C2H6O má konstituci: CH3–O–CH3 (ether) 2. Konfigurační izomerie: 2a) Konfigurační izomerie geometrická Příčinou tohoto typu izomerie je přítomnost dvojné vazby v molekule, kolem které neexistuje volná otáčivost atomů. Tím je dána možnost rozdílného prostorového rozmístění některých skupin atomů: sloučenina 1 – souhrnného vzorce C4H8 má konfiguraci: CH3 CH3 | | C=C | | H H sloučenina 2 – rovněž souhrnného vzorce C4H8 má konfiguraci: CH3 H | | C=C | | H CH3 Obě uvedené konfigurace nejsou navzájem převeditelné jedna v druhou bez zásahu do konstituce (zrušení některých chemických vazeb a vznik chemických vazeb nových). 2b) Konfigurační izomerie optická Příčinou je přítomnost uhlíkového atomu v hybridním stavu sp3, který k sobě váže čtyři různé atomy nebo skupiny atomů. Tím je dána možnost rozdílného prostorového uspořádání těchto atomů nebo skupin atomů:


sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C5H11Cl má konstituci: CH3 –CH2–CH–CH2–CH3 | Cl

Izomerie

sloučenina 1 – souhrnného vzorce C5H11Cl má konstituci: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–Cl

CHEMIE

1b) Konstituční izomerie polohová Její příčinou je rozdílná poloha násobné vazby v řetězci nebo rozdílné umístění některého atomu nebo skupiny atomů v molekule:

6

| |

Izomerie

X―C―Y

CHEMIE

sloučenina 1 – obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfiguraci: A

B

A | Y―C―X | B Podrobnosti o jednotlivých typech izomerie a pojmenovávání izomerů jsou uvedeny v kapitolách systematické organické chemie. Z uvedených příkladů vyplývá, že pro přesné určení konstituce nebo konfigurace (= pro přesné určení druhu izomerie a pojmenování izomeru) je nutné znát strukturní (v některých případech stačí alespoň racionální) vzorec organické sloučeniny. Konfiguraci atomů v molekule znázorňují geometrické nebo konfigurační strukturní vzorce. Čím větší jsou rozdíly v konstituci nebo konfiguraci molekul izomerů, tím větší jsou rozdíly ve fyzikálních a chemických vlastnostech izomerů. Největší rozdíly ve vlastnostech izomerů způsobuje skupinová izomerie, nejmenší rozdíly izomerie optická. Izomerie je (po schopnosti uhlíkových atomů tvořit různě dlouhé a různě složité řetězce) druhou příčinou ohromného počtu organických sloučenin.

Praktické provedení Tipy Studenti již umí zacházet s programem ChemSketch.

Motivace studentů Vlastnosti chemických sloučenin nejsou ovlivněné pouze jejich složením (typy a počty obsažených atomů), ale rovněž vnitřním uspořádáním těchto částic. Tuto skutečnost si vědci uvědomovali již v 19. století. V 20. století bylo zjištěno, že příroda preferuje D-izomery u monosacharidů.

Obr.1: Optické izomery kyseliny mléčné Zdroj: http://philosophicallydisturbed.wordpress.com/2011/01/24/ on-the-right-side-of-chemistry/


sloučenina 2 – rovněž obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfiguraci:

7

Pracovní list – postup. Pro práci na PC také v elektronické podobě.

Záznam dat Práce na Chemsketch.

Analýza dat Porovnání jednotlivých typů izomerií.

Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

Hodnocení Sestavili studenti správně jednotlivé typy izomerií? Pojmenovali správně vzorce chemických látek?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje http://cs.wikipedia.org/wiki/Izomerie http://www.chesapeake.cz/chemie/download/skripta/organicka_chemie.pdf KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: CHEMIE II. pro gymnázia (organická a biochemie). 2. vydání, SPN, Praha, 2005. ISBN 80-7235-283-0


Materiály pro studenty

Izomerie

1. Napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek 2. Sestavení modelu pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně zdatné na PC) 3. Sestavení modelu v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D)

CHEMIE

Doporučený postup řešení

CHEMIE

Izomerie Pracovní návod

Zadání úlohy 1. Sestavte modely zadaných látek. 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch.

Pomůcky • Stavebnice modelů sloučenin • PC + program ChemSketch (freeware)

Bezpečnost práce Nutno dodržovat zásady bezpečného používání internetu a práce na školní síti!

Teoretický úvod Vlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace. Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb. Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci). Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumárnímu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání atomů v molekule) nebo několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru). V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe strukturou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi. Izomerie není pouze chemická „záležitost“, ovlivňuje také naše tělo. Např. u nenasycených mastných kyselin dochází vlivem nestability k přeměně cis-izomerů Obr.1: Geometrická izomerie mastných kyselin (zdravý prospěšných) na trans-izomery (škodlivé). Zdroj: http://www.osvalech.cz/c-91-tuk-a-zdravi.html

9

Před příchodem na praktickou práci je nutno si zopakovat práci s ChemSketch.

Nastavení HW a SW Stažení volně přístupného programu pro chemiky ChemSketch (freeware).

Porovnání struktur organických sloučenin ze stavebnice a z ChemSketch.

Pracovní návod

Analýza naměřených dat

Izomerie

Postup práce

CHEMIE

Příprava úlohy (praktická příprava)

CHEMIE

Izomerie uhlovodíků Pracovní list (řešená učitelská varianta)

Téma Izomerie uhlovodíků

Úkoly 1. Sestavte modely zadaných látek 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch

Pomůcky Počítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin

Vypracování A. KONSTITUČNÍ IZOMERIE 1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C6H14

hexan

izohexan

3-methylpentan

neohexan

2,3-dimethylbutan

11 2-chlorbutan 2-chlorbutan 1-chlorizobutan 1-chlorizobutan

2-chlor-2-methylpropan 2-chlor-2-methylpropan

2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C4H9Cl  

2-chlorbutan

dimethylether dimethylether

ethanol ethanol

1-chlorizobutan

2-chlor-2-methylpropan

ethanol

dimethylether

Vysvětlete jakýdvojné jedvojné rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou? Liší Liší se umístním se umístním vazby. vazby. Liší se umístěním dvojné vazby. dvojná dvojná vazba vazba

ketoforma ketoforma

enolforma enolforma

aceton aceton

prop-1-en-2-ol prop-1-en-2-ol

dvojná dvojná vazba vazba 

  

B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE   1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu.   Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu!

trans-hex-3-en

trans-hex-3-en trans-hex-3-en

cis-hex-3-en

cis-hex-3-en cis-hex-3-en

2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací. Polohy schematicky zakreslete! ethan

cyklohexan

zákrytová konformace

židličková konformace

nezákrytová konformace

vaničková konformace

Pracovní list (řešená učitelská varianta)

3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru 

Izomerie

1-chlorbutan

CHEMIE

1-chlorbutan 1-chlorbutan  

12 CHEMIE

3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné.

Izomerie

Závěr Izomerie – jev v organické chemii, kdy sloučeniny mají stejné složení (sumární vzorec), ale rozdílné struktury a vlastnosti.


Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné. Značí se se hvězdičkou u chirálního uhlíku.

CHEMIE

Izomerie uhlovodíků Pracovní list (žákovská varianta)

Téma Izomerie uhlovodíků

Úkoly 1. Sestavte modely zadaných látek 2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch

Pomůcky Počítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin

Vypracování A. KONSTITUČNÍ IZOMERIE 1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C6H14

14 CHEMIE

2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C4H9Cl

Izomerie

Vysvětlete jaký je rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou?

B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE 1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu. Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu!

2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací. Polohy schematicky zakreslete! ethan

cyklohexan

Pracovní list (žákovská varianta)

3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru

15 CHEMIE

3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné.

Izomerie

Závěr


Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné.

CHEMIE

Neutralizační titrace

(stanovení koncentrace octa) Neutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Milan Schleider

CHEMIE

Obsah Obsah . . . 2 Úvod . . . 3 Cíle . . . 3 Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4 Motivace studentů . . . 4 Doporučený postup řešení . . . 5



Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 11

Slovníček pojmů . . . 11 Teoretická příprava úlohy . . . 12 Vizualizace naměřených dat . . . 12 Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa . . . 13 Závěr . . . 14

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 15

Slovníček pojmů . . . 15 Teoretická příprava úlohy . . . 16 Postup práce . . . 17 Vizualizace naměřených dat . . . 18 Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa . . . 19 Závěr . . . 20

3

a) příprava odměrného roztoku a určení hustoty octa (45 min., pokud činnosti rozdělíme do skupin) b) titrace octu odměrným roztokem (45 min.) c) zpracování naměřených výsledků (45 min.)

Pozn. 1: Časové požadavky mohou být zkráceny na 45 min., pokud ad a) vyučující připraví sám odměrný roztok a pokud ad c) studenti zpracují výsledky měření za domácí úkol. Z úsporných důvodů zde nebudu rozepisovat přípravu 0,1 M odměrného roztoku NaOH a jeho standardizaci na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové.

Minimální požadavky na pomůcky Xplorer, chemický senzor PS2170 nebo senzor pro kvalitu vody PS-2169, senzor pro počítání kapek PS-2117 Micro Stir Bar - nástavec na elektrodu s magnetickým míchadlem (dodáván se senzorem pro počítání kapek), magnetické míchadlo.

Cíle Studenti: • sestaví aparaturu pro neutralizační titraci • určí spotřebu odměrného roztoku • zapíši chemickou rovnici neutralizace • z dané spotřeby odměrného roztoku vypočítají molární koncentraci octa • vypočítají hmotnostní zlomek octa, hmotnostní procenta octa • zjištěné hodnoty porovnají s údaji od výrobce (pokud výrobce na etiketě uvádí procenta objemová, je nutné při porovnání provést přepočet na hmotnostní procenta)


Pozn. 2:

Neutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy.

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)

Časová náročnost

Úvod

CHEMIE

Zařazení do výuky Laboratorní cvičení je vhodné zařadit v rámci učiva obecné chemie o kyselinách a zásadách nebo také v učivu pojednávající o molárních veličinách a chemických výpočtech. Lze jej také zařadit v rámci učiva organické chemie o karboxylových kyselinách.

4

Použitá metoda je metodou odměrné analýzy a nazýváme ji neutralizační titrace. K roztoku octa o přesně známém objemu přidáváme z byrety roztok hydroxidu sodného o přesně známé koncentraci. Zjistíme, kdy spolu obě látky reagují bezezbytku. Tento bod se nazývá bod ekvivalence a můžeFINAL VERZE FINAL VERZE Slovníček pojmů me jej určit pomocí acidobazického indikátoru nebo z titrační křivky. Bod LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ ekvivalence nám určuje spotřebu odměrného roztoku hydroxidu sodné  MOLÁRNÍ KONCENTRACE ho, ze které vypočítáme molární koncentraci octa.   1M ROZTOK  EKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ  BOD EKVIVALENCE Při výpočtu musíme vyjít ze zápisu chemické rovnice. TITR (pojem z analytické chemie)     m  TITRACE ODMĚRNÝ  ROZTOK        ALKALIMETRIE  ACIDIMETRIE    Jeden mol  kyseliny octové reaguje  bezezbytku s jedním molem hydroxidu

    m

  



 sodného.       

Přehled pomůcek



Můžeme psát: 

       

        







         

    

          







 Obsah kyseliny octové v potravi  nářském octu:   Výrobce může na etiketě použít   hmotnostní procenta, ale také ob jemová.   Víte, kolikaprocentní roztok kyseliny octové je ocet, který tak často pouČasto vyjadřuje složení v g/100 ml   hotového výrobku. žíváme k dochucování salátů, nakládaných okurek nebo třeba tlačenky?   Např. Bzenecký ocet (kvasný) má na Víte jaký údaj o složení a obsahu kyseliny octové v potravinářském octu  etiketě uveden údaj:  uvádí výrobce? „Obsah kyseliny octové 8g/100ml.“   Toto pak vydává za 8% ocet. Viz eti  keta. 

Motivace studentů



v





v



v



v



v



v



v



v



   

 v



v



v



v



v



v



v



v



Pomocí neutralizační titrace to snadno zjistíme.


•  Xplorer GLX • chemický senzor PS – 2170 nebo senzor vodní kvality PS – 2169 nebo pH senzor PS - 2102 • počítadlo kapek PS - 2117 • titrační baňka • byreta • magnetické míchadlo • magnetické mikro míchadlo – nástavec na elektrodu PS – 2565 •  pyknometr


c1 – molární koncentrace octa V1 – daný odměřený objem octa c2 – molární koncentrace odměrného roztoku NaOH V2 – spotřeba odměrného roztoku NaOH

CHEMIE


Pozn. 3:

5

Doporučený postup řešení 1. Připravíme si předem odměrný roztok hydroxidu sodného. Jeho faktorizaci provedeme na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové. 2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky zpracovávat v Datastudiu nebo přímo v Datastudiu měřit. 4. Připravíme Xplorer (případně PC s Datastudiem)) a pomůcky k měření.

Příprava úlohy Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin.

Materiály pro studenty

Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu.

Analýza dat Z titračních křivek studenti určí spotřebu odměrného roztoku.

Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co a jak dělali a k jakým závěrům došli.

Hodnocení Připravili studenti správně odměrný roztok NaOH? (Může připravit učitel.) Provedli faktorizaci odměrného roztoku? (Doporučuji, aby provedl učitel.) Určili spotřebu odměrného roztoku? Vypočítali molární koncentraci kyseliny octové v octu? Určili hustotu octa? Vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v octu? Porovnali svůj výsledek s údaji od výrobce?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje http://www.youtube.com/watch?v=5QB3z4JFfIM http://www.spolchemie.cz/eDoc/dts/FD14CD17-02E0-420E-A016A8704B594502.pdf http://cs.wikipedia.org/wiki/Hydroxid_sodn%C3%BD http://eshop.merci.cz/www/prilohy/253341495404.pdf http://bzeneckyocet.cz/rady-specialni-octy-na-uzasne-salaty.html


Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin a výpočet koncentrace z naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.


Příprava odměrného roztoku předem nám uspoří čas a studenti se vyhnou práci s kyselinou šťavelovou.

CHEMIE

Pozn. 4:

CHEMIE

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní návod

Zadání úlohy Neutralizační titrací zjisti molární koncentraci kyseliny octové v octu a vypočítej hmotnostní nebo objemový zlomek kyseliny octové v octu.

Pomůcky • Xplorer GLX • Chemický senzor s pH elektrodou PS – 2170 • počítadlo kapek PS – 2117 • magnetické míchadlo • magnetické mikro michadélko – nástavec na elektrodu • byreta • stojan • titrační baňky • střička s destilovanou vodou • pipeta 0,5 ml • kádinka • nálevka • pyknometr • hydroxid sodný (nebo přímo zakoupený odměrný roztok) • kyselina šťavelová (nebo přímo zakoupený kalibrační roztok 0,05 M)

Pozn. 5: Pořizování roztoků dané koncentrace je nesrovnatelně dražší, než když si je sami připravíme.

• ocet • PC (není nutné)

7

Dodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami.

Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.

Kyselina šťavelová

Kyselina šťavelová H302 Zdraví škodlivý při požití. H312 Zdraví škodlivý při styku s kůží

Kyselina octová 99 % Standardní věty o nebezpečnosti: H226 Hořlavá kapalina, páry. H314 Způsobuje težké poleptání kůže a poškození očí. Pokyny pro bezpečné zacházení: P260 Nevdechujte páry. 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. P301+P330+P331 PRI POŽITÍ: Vypláchněte ústa. Nevyvolávejte zvracení. P310 Okamžitě volejte Toxikologické informační středisko nebo lékaře. H3O+

Teoretický úvod Titrace je metoda odměrné analýzy. Podstatou neutralizačních titrací je zjištění bodu ekvivalence na základě reakce kyseliny se zásadou. Tedy zjištění, kdy spolu obě látky reagovaly bezezbytku. Vycházíme přitom z neutralizační rovnice. K roztoku o známém objemu V1 a neznámé koncentraci c1 přidáváme roztok (odměrný roztok) jehož koncentraci přesně známe c2 a zjišťujeme spotřebu V2 tohoto roztoku v okamžiku, kdy spolu zreagují právě ekvivalentní množství těchto látek. Ze zjištěných údajů pak snadno vypočítáme molární koncentraci neznámého roztoku.

Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.

Pracovní návod

Krystalická látka bílé barvy (bezbarvé) rozpustná ve vodě, obsažená v ovoci a zelenině (např. ve špenátu ) a pro tělo v této formě potřebná může působit jako jed v „anorganické podobě“. Pokyny pro bezpečné zacházení: P302+P352 Při styku s kůží: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla.


Hydroxid sodný Pokyny pro bezpečné zacházení: P102 Uchovávejte mimo dosah dětí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P405 Skladujte uzamčené.

CHEMIE

Bezpečnost práce

8

Příprava měření 1) Sestavíme si titrační aparaturu.


Nastavení HW a SW Obecné zásady práce s Xplorerem nebo Datastudiem popisuje uživatelský manuál. Zde popíši jen některá specifika: K Xploreru připojíme např.: Chemický senzor PS-2170 a zapojíme pH elektrodu a počítadlo kapek. Založíme si nový soubor např. ocet1, a v hlavní nabídce zvolíme F1. Tím se dostaneme do „grafu“. Na svislé ose volíme pH a na vodorovné ose počet kapek, resp. spotřebovaný objem v ml (viz záznam dat). Pokud budeme pracovat v Datastudiu, připojíme Xplorer k PC.

CHEMIE

Postup práce

Pracovní návod

FINAL VERZE

2) Připravíme si také střičku s destilovanou vodou a kádinku s destilovanou vodou na oplachování elektrody  

Vlastní měření (záznam  dat)    1) Do titrační baňky odměříme 0,5 ml octu a doplníme destilovanou vodou na objem tak, aby pH elektro da i s magnetickým michadélkem byla dostatečně ponořena. 

Tip5:

  

    Zde se mi osvědčily titrační baňky na 50 ml až 100 ml. Není pak velká spotřeba destilované vody.

   

   2) Z hlavní nabídky v Xploreru zvolíme graf pH vs. počet kapek   3) Provedeme orientační titraci. Zapneme míchadlo a tlačítko start/stop na Xploreru a z byrety po  kapkách přidáváme odměrný roztok 0,1 M NaOH o známém faktoru. Po zakreslení titrační křivky opět zmáčkneme tlačítko start stop na Xploreru.   4) Současně při tomto měření určíme objem jedné kapky. Na počítadle kapek zjistíme počet kapek a na by  retě objem v ml. Např. byretou necháme odkapat 2 ml odměrného roztoku NaOH a na počítadle kapek     zjistíme počet kapek (32 k). Určíme objem jedné kapky      

   





9

Analýza naměřených dat Získali jsme graf pH vs. spotřeba odměrného roztoku. Je několik možností, jak z grafu zjistit spotřebu. 1) Pomocí nástroje Smart Tool odhadneme inflexní bod: - v prvním případě V = 7,02 ml - ve druhém V = 7,08 ml Rozdíl je minimální a přesnost větší než při titraci na fenolftalein.

Pracovní návod

Export naměřených dat na flash disk Do Xploreru vložíme „flashku“. V nabídce Data Files vybereme náš soubor, zmáčkneme F4 a zvolíme Copy File. Kurzorem vybereme flash disk a potvrdíme F1 (OK).


Uložení naměřených dat V nabídce Data Files zmáčkneme F2.

CHEMIE

5) Na kalkulátoru v Xploreru zadáme vypočítat spotřebovaný objem NaOH z počtu kapek. 6) Přejdeme zpět do grafu a na vodorovnou osu, místo počtu kapek, vyneseme vypočítávaný objem přímo v ml. 7) Nyní máme vše pro titraci nastaveno. Provedeme tedy titraci. Určíme spotřebu odměrného roztoku (viz analýza dat) a vypočítáme koncentraci octu (viz zpracování výsledků měření). 8) Vypočítáme hmotnostní nebo objemový zlomek kyseliny octové v octu a porovnáme náš výsledek s údajem od výrobce na obalu.

10

Pracovní návod

3) Můžeme z hodnoty pH spočítat koncentraci a sestrojit graf koncentrace vs. spotřeba. A pomocí nástroje Smart Tool odečíst spotřebu.


Zde odečteme spotřebu V = 7,38 ml.

CHEMIE

2) Metoda první derivace. Využijeme Calculator a necháme si spočítat první derivaci. V místě největšího sklonu jde graf derivace prudce nahoru nebo dolů. Opět použijeme nástroj Smart Tool a odečteme spotřebu.

CHEMIE

AL VERZE

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (řešená učitelská varianta)

FINAL VERZE   

 

  

    

         



   

 

 

 

 



Slovníček pojmů  



S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy:

            • LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n    Fyzikální veličina, která určuje počet částic (atomů, molekul, iontů).        V jednom molu látky je částic. 

 NAje Avogadrova konstanta. Jednotka látkového množství je 1 mol.

  

• MOLÁRNÍ KONCENTRACE  

 Molární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku.

                    • 1M ROZTOK      

Jednomolární roztok. Jeden mol látky v jednom litru roztoku.

  Příprava 1M roztoku:



 1 mol látky dáme do odměrné baňky na 1000 ml a doplníme vodou po rysku.   

• EKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ 

  Taková množství látek, která spolu reagují bezezbytku. Rovnost látkového množstvi. 

 

• BOD EKVIVALENCE  Bod, ve kterém spolu právě zreagovala ekvivalentní množství látek.

 

  • TITR (pojem z analytické chemie)

 Jedná se o roztok s přesně známou koncentrací (nejčastěji molární koncentrací), tedy odměrný roztok (titrační činidlo). 

• TITRACE Kvantitativní metoda odměrné analýzy. Např. při neutralizačních titracích (neboli acidobazických titracích) zjistíme objemy látek, které spolu při daných koncentracích reagují bezezbytku a vypočítáme neznámou koncentraci roztoku kyseliny nebo zásady.





       



12



Roztok přesně známé koncentrace, který přidáváme k roztoku známého objemu a neznámé koncentrace.

 Teoretická příprava úlohy     Zapiš rovnici neutralizace sodným:   kyseliny octové hydroxidem          m            

   m    m   m   

c1

molární koncentrace kyseliny octové

V1

objem kyseliny octové

n2

látkové množství hydroxidu sodného

c2

molární koncentrace hydroxidu sodného

V2

objem (spotřeba) hydroxidu sodného

Postup práce viz pracovní list žáka

Vizualizace naměřených dat Získáme titrační křivky (pH vs. objem odměrného roztoku).


Zapiš, v jakém poměru spolu reagují:                       neboli                                               z     Vyjádři této rovnice c1:                         Doplň tabulku:     n1 látkové množství kyseliny octové


     

CHEMIE

   • ODMĚRNÝ ROZTOK   

13

1) Z titračních křivek určíme spotřebu odměrného roztoku. Máme na výběr několik možností. a) Pomocí nástroje Smart Tool (odhadujeme bod ekvivalence):

A z grafu koncentrace vs. objem odměrného roztoku určíme spotřebu odměrného roztoku – odečteme objem odměrného roztoku při dosažení nulové molární koncentrace oxoniových kationtů.


c) Z hodnoty pH vypočítáme molární koncentraci H3O+ kationtů. použijeme kalkulačku v Xploreru nebo Datastudiu:


b) Pomocí derivace (bod ekvivalence určíme pomocí derivace) použijeme nástroj derivace: Lépe se mi v tomto případě pracuje v Datastudiu:

CHEMIE

Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa



  

14



 2) Vypočítáme molární koncentraci octa:

CHEMIE

c2 – koncentrace odměrného roztoku NaOH  


Vycházíme z neutralizační rovnice (viz teoretickou přípravu úlohy).           (c = 0,1 mol/l )

2 

f – faktor odměrného roztoku NaOH. (f = 0,882)

  Pozn. 7: 

Jelikož se hmotnost NaOH špatně navažuje, musí se zjistit přesná koncentrace odměrného roztoku faktorizací na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové. Tímto faktorem pak násobíme koncentraci c2 odměrného roztoku a získáme tak přesnou koncentraci VERZE INAL VERZE odměrného roztoku NaOH. Hovoříme o standardizaci roztoku NaOH

FINAL VERZE

FINAL VERZE FINAL FINAL VERZE VERZE

V2 – spotřeba odměrného roztoku NaOH   V1 – objem octu (V1 = 0,5 ml)

  b) dosadíme do vzorce pro výpočet hustoty: 


                Dosazenímdo rovnice a výpočtem zjistíme molární koncentraci octu:                                                                                                                                       kyseliny     Vypočítáme hmotnostní zlomek octové v octu.    3)          a) pomocí pyknometru zvážíme 50 ml octu 

                                                                                              c) dosadíme do vztahu pro výpočet hmotnostního zlomku:                                                                                                                                                                                                                                                         vyjádříme hmotnostní procenta: % = w · 100=7,6 %        d) nebo:     1 M roztok obsahuje 1 mol látky v jednom litru celého roztoku.      Naše vypočítaná koncentrace je 1,2 M.  · · · · · · · · · · V jednom litru potravinářského octa bude kyseliny octové. · ·   1000 ml octa odpovídá 942 g     942 g je 100%       72,06 g je 7,6 %     



 

Závěr  

(zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli)       

  Ocet jsme titrovali 0,1 M roztokem hydroxidu sodného a ze získané spotřeby jsme určili molární koncen          mol/l a z tohoto údaje jsme vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinářtraci octa c1 =1,2                ském octu. Zjistili jsme, že ocet je přibližně 7,6 %.       Výrobce na etiketě uvádí hodnotu 8 %. Ve skutečnosti jde o údaj 8g/100 ml.      Výrobce také uvádí hustotu octa 1,01 g/ml. Po přepočítání nám vychází, že hmotnostní zlomek kyseliny     

octové v hotovém výrobku je w = 0,0792. Tedy Výrobce uvádí, že jeho kvasný ocet je 7,92 (hm.) %. 

 

     

     

     

CHEMIE

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Pracovní list (žákovská varianta)

Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: • LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n

• MOLÁRNÍ KONCENTRACE Molární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku. Zapiš vztah pro výpočet molární koncentrace, který vyplývá z definice. A zapiš jednotku molární koncentrace. c= • 1M ROZTOK

• EKVIVALENTNÍ MNOŽSTVÍ LÁTEK

• BOD EKVIVALENCE

• TITR (pojem z analytické chemie)

[c]=

16 CHEMIE

• TITRACE


FINAL VERZE • ODMĚRNÝ ROZTOK

 FINAL VERZE 

 • ALKALIMETRIE   

 

  • ACIDIMETRIE  

 



Teoretická příprava úlohy 

Doplň rovnici neutralizace kyseliny octové hydroxidem sodným:



    

 m

       

 m    m        m     

 



         poměru spolu reagují kyselina octová a hydroxid sodný:   Napiš, v jakém                                     neboli                                        Vyjádři    z této rovnice c1:                   podle vzoru: Doplň tabulku           n1          c1       V1 objem kyseliny octové      n2  

c2 molární koncentrace hydroxidu sodného 

   V2 




17

1) Připrav si ocet a odměrné roztoky (proveď faktorizaci 0,1 M roztoku hydroxidu sodného na 0,05 M roztok kyselinyšťavelové)

Bod číslo jedna může připravit vyučující.


2) Sestav titrační aparaturu. 3) Připrav si pipetu na odměřování objemu octa. 4) Do titrační baňky (nejlépe o objemu 50 ml nebo 100 ml) odměř pipetou 0,5 ml octa a doplň destilovanou vodou, tak aby byla dostatečně ponořena pH elektroda. 5) V Xploreru nebo Datastudiu si zobraz graf: závislost pH vs. počet kapek (pH vs. Drop Count (drops)). 6) Proveď první titraci a urči objem jedné kapky. (Na byretě odečti určitou spotřebu v ml a v Xploreru k této spotřebě zjistíš odpovídající počet kapek. Podílem těchto hodnot určíš objem jedné kapky Vk = ……. ml). 7) Nyní pomocí kalkulačky v Xploreru zavedeme spotřebu v ml. 8) Proveď další titrace a výsledky měření ulož nejprve v Xploreru a pak na flash disk. Pokud pracuješ v Datastudiu, tak přímo do PC. 9) Určí průměrnou spotřebu a vypočítej molární koncentraci octa. 10) Určí histotu octa a vypočítej hmotnostní (nebo objemový) zlomek octa, resp. procenta (hm. nebo obj.) kyseliny octové v octu. 11) Výsledek porovnej s údaji od výrobce na obalu.


Pozn. 6:

CHEMIE

Postup práce

18

Získáme titrační křivky (pH vs. objem odměrného roztoku).

titrace č. 2

vlož graf pH vs. objem

titrace č. 3





titrace č. 1

CHEMIE

Vizualizace naměřených dat

19 CHEMIE

Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa Doplň tabulku a z průměrné spotřeby proveď výpočet.

Pokud se některá spotřeba výrazně liší, pravděpodobně jste udělali chybu. Nezahrnujte chybné měření do výpočtů a titraci opakujte.

číslo měření 1 2 3

objem octu V1 0,5 ml 0,5 ml 0,5 ml

spotřeba odměrného roztoku V2

průměrná spotřeba V2 =

1) Výpočet molární koncentrace octa: Nejprve doplň tabulku: c2

V2

f (0,1M NaOH)

c1 (doplň z výpočtu)

V1


postup výpočtu molární koncentrace octa: (zapiš vztah a dosaď hodnoty i s jednotkami):

2) Výpočet hmotnostního (objemového) zlomku kyseliny octové v potravinářském octě a) určení hustoty octu: hmotnost pyknometru

hmotnost pyknometru s octem

hmotnost octu m (g)

objem octu V (ml)

hustota octu ρ (g/ml)


Pozn. 8:

hustota octu ρ (g/ l)

20

postup výpočtu hmotnostního zlomku a procentuální koncentrace:

Závěr

(zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli)


Na etiketě výrobce uvádí údaj: Obsah kyseliny octové 8g/100ml. Dále výrobce uvádí hustotu octa ρ = 1,01 g/ml (pozn.: můžeš použít také svůj zjištěný údaj o hustotě octa). Vypočítej hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinářském octu a výsledek porovnej s údajem, který jsi zjistil.


c) Podle údajů výrobce na etiketě urči hmotnostní zlomek kyseliny octové v hotovém výrobku (kvasném octě).

CHEMIE

b) výpočet hmotnostního zlomku (procentuální koncentrace):

CHEMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Pivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Některé nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Renáta Flecknová

CHEMIE

Obsah Obsah . . . 2 Úvod . . . 3 Cíle . . . 3 Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4 Obsah alkoholu . . . 4 Charakteristika piva . . . 4 Odbourávání ethanolu . . . 5 Kategorie piva . . . 6 Stupňovitost . . . 6 Ethanol - CH3CH2OH . . . 7 Výroba piva . . . 7

Motivace studentů . . . 8 Doporučený postup řešení . . . 8 Příprava úlohy . . . 9 Materiály pro studenty . . . 9 Záznam dat . . . 9 Analýza dat . . . 9 Syntéza a závěr . . . 9 Hodnocení . . . 9 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 9



Protokol (řešená učitelská varianta) . . . 13 Úkoly . . . 13 Pomůcky . . . 13 Chemikálie . . . 13 Princip . . . 13 Nákres . . . 14 Postup . . . 14 Výsledky . . . 14 Závěr . . . 15

Protokol (žákovská varianta) . . . 16 Úkoly . . . 16 Pomůcky . . . 16 Chemikálie . . . 16 Princip . . . 16 Nákres . . . 17 Postup . . . 17 Výsledky . . . 17 Závěr . . . 17

3

Pivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Některé nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy. Rozumná konzumace piva snižuje stres, podporuje krevní oběh, snižuje riziko srdečních onemocnění, snižuje vysoký krevní tlak. Pivo je nápoj, který obsahuje malé množství alkoholu (0,5 - 10 %). Pivo je určeno k tomu, aby je lidé pili pro chuť, pro radost a pro lepší trávení nikoliv proto, aby se opíjeli. Typ experimentu: žákovský

Pivo je nápoj známý všem studentům. Toto již samo stačí k motivaci experimentu.

Chemikálie • pivo • destilovaná voda

Bezpečnost práce Zákaz konzumace piva v chemické laboratoři!

Cíle Studenti by měli zvládnout: • sestavit aparaturu pro destilaci • provést měření pomocí hustoměru nebo lihoměru • pomocí Štastného-Renzova tabulky zjistit obsah ethanolu v pivu • odvodit, jak je možné změnou doby fermentace ovlivnit obsah alkoholu v pivu Klíčové kompetence: • kompetence k řešení problémů – student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice • kompetence k učení – student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj


Časová náročnost Příprava experimentu – příprava aparatury (15 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pokus (40 minut = 15 minut třepání + 20 minut destilace + 5 minut určení objemových procent) Dvě hodiny (2 x 45 min.) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva

Tip

Úvod

CHEMIE

Zařazení do výuky Experiment je vhodné zařadit v rámci učiva technologie výroby piva, analytické chemii (obsah alkoholu ve vzorku), odbourání ethanolu v lidském těle, alkoholová fermentace, praktické použití enzymů. Vyučovací předměty: chemie (biochemie), biologie Průřezová témata: • Environmentální výchova – Problematika vztahů organismů a prostředí • Osobnostní a sociální výchova – Spolupráce a soutěž

4

Pivo je vařeno již od nepaměti a je nemožné určit místo, kde bylo uvařeno první pivo. Jako země původu se uvádí Mezopotámie, a to přibližně již v 7. tisíciletí př. n. l.

Obsah alkoholu Pivo může obsahovat od 0,5 do 10 hmotnostních procent ethanolu, ale v českých pivech je ethanolu nejčastěji mezi 4 – 5 hmotnostních procent. Tabulka: Orientační obsah ethanolu v pivech Orientační obsah ethanolu Stupeň piva

nealkoholické

8o

10o

12o

Obsah ethanolu

méně než 0,5%

do 2%

do 3%

do 3,5%

Charakteristika piva Pivo je tradičním a populárním nápojem, který má na území Česka dlouhou tradici. Je sice nápojem alkoholickým (řadí se mezi nápoje s relativně nízkým obsahem ethanolu – 30 – 50 g v jednom litru), ale kromě alkoholu pivo také obsahuje přibližně 2 000 dalších látek. Obsahuje významné množství velmi kvalitní vody, takže se jedná o výrazně zavodňující nápoj, dále obsahuje také sacharidy, bílkoviny, hořké látky chmele, polyfenolické sloučeniny, oxid uhličitý, vitamíny a minerální látky. Kombinace těchto složek dává fyziologicky vyrovnaný roztok, který je v rovnováze s osmotickým tlakem krve. Významné je zastoupení minerálů v pivu, kde nacházíme kromě draslíku a sodíku, které jsou zde v příznivém poměru, také chloridy, vápník, fosfor, hořčík a křemík. Z vitamínů obsažených v pivu jsou nejvýznamnější vitaminy skupiny B – thiamin (3 % denní spotřeby v jednom litru piva), riboflavin (20 %), pyridoxin (31 %), niacin (45 %) a kyselina listová (52 %). Vitaminy skupiny B jsou důležité pro řadu metabolických procesů (metabolismus sacharidů, lipidů, aminokyselin), funkci nervového systému a další. Jeden litr piva obsahuje přibližně 1300 – 3500 kJ představující přibližně 10 % denní spotřeby, což je méně než např. jablečná šťáva, a 200 mg biologicky aktivních látek. Je si třeba uvědomit, že příznivé účinky piva na lidský organismus se mohou projevit při jeho střídmé konzumaci, kdy nepřevažují negativní účinky alkoholu. Pivo obsahuje hořké chmelové látky, které mají blahodárný vliv na sekreci žluči, která přímo podporuje trávení. Současně výrazně podporuje chuť k jídlu, což může vést při nestřídmé konzumaci pokrmů k nárůstu tělesné hmotnosti. Čím vyšší obsah flavonoidů použitých obilnin a obilovin pivo obsahuje, tím vyšší je jeho léčebný a preventivní antioxidační účinek. Obsah flavonoidů zvyšujeme delší a intenzivnější extrakcí sladu, zvýšením množství sladu, resp. přidáním sladu nebo výtažku z dalších obilnin a obilovin, u bylinných a ovocných piv rovněž z bylin a ovoce. Z různých druhů ovoce mají nejvyšší antioxidační účinky flavonoidy


• baňka (800 ml) • frakční baňka • teploměr • vodní chladič • kádinky • odměrný válec • hustoměr nebo lihoměr • kahan • 2 stojany • trojnožka • kovová síťka • pracovní návod • pracovní list

Pivo je kvašený slabě alkoholický nápoj vyráběný v pivovaru z obilného sladu, vody a chmele pomocí kvasinek (Saccharomyces cerevisiae ssp.), který se těší značné oblibě v Česku i v zahraničí. Na území Česka se jedná o nejkonzumovanější alkoholický nápoj. Pivo je považováno za jeden z českých symbolů a od roku 2008 je název české pivo chráněno jako zeměpisné označení.


Přehled pomůcek


CHEMIE

Slovníček pojmů PIVO ETHANOL TECHNOLOGIE VÝROBY PIVA ODBOURÁNÍ ETHANOLU V LIDSKÉM TĚLE STUPŇOVITOST PIVA Viz pracovní list (učitel).

5

V právním řádu České republiky se pivem zabývá zejména vyhláška č. 335/1997 Sb., která provádí zákon o potravinách (zákon č. 110/1997 Sb.). Vyhláška obsahuje jak definici piva, tak požadavky na výrobu a jakost, rozdělení druhů piva a jeho označování.

Lidské tělo je schopno odbourávat ethanol dle individuálních měřítek, které záleží na hmotnosti, pohlaví, zdravotním stavu, stupni únavy a dalších faktorech. Doba, za kterou se z těla vyloučí ethanol uvolněný po konzumaci piva se dá jen nepřesně odhadovat. Obecně platí zásada, že čím je člověk obéznější, tím pomaleji se ethanol z jeho těla odbourává. Orientačně se občas uvádí čas okolo 2 hodin a 10 minut pro 80 kg vážícího muže u 10° piva a 3 hodiny a 50 minut u ženy o hmotnosti 60 kg. Pro 12° pivo se pak uvádí při stejných fyziologických parametrech doba 2 hodiny a 50 minut respektive 4 hodiny a 30 minut. Jedním ze základních faktorů schopnosti odbourávat ethanol je enzym ethanoldehydrogenáza (ethanol: NAD – oxidoreduktasa). Tento enzym však některým národům úplně chybí (Eskymáci, Indiáni, některé asijské národy). Ethanol se snadno vstřebává v ústech a v žaludku. 2 % – 10 % se vylučuje plícemi nebo ledvinami a zbytek se přemění v játrech. Možnosti rozkladu: 1. Ethanol se vlivem působení enzymu patřící do skupiny dehydrogenáz oxiduje na acetaldehyd CH3COH a dále na kyselinu octovou CH3COOH – probíhá v játrech (3/4 rozpadajícího se ethanolu). Ethanoldehydrogenása pracuje stále stejnou rychlostí, není indukovatelná – asi 0,12 %o za hodinu. V játrech se z CH3COOH vyrábí acetyl CoA (koenzym A), který slouží k syntéze cholesterolu → alkoholici mají tzv. „tuková játra“ nebo cirhózu jater popř. ICHS 2. Organely peroxysómy, které obsahují enzymy katalázy (např. peroxidása) přeměňují ethanol na acetaldehyd (asi 10% alkoholu) 3. V cytoplasmě – enzym monooxygenása, CH3CH2OH → CH3COH + H2O2

Obr. 1: Český pivař


Odbourávání ethanolu


Uvádí se, že konzumace piva má příznivé účinky na dobrou náladu, podporu krevního oběhu, snížení rizika srdečních příhod a působí proti vysokému krevnímu tlaku. Konzumace piva může vést k rozvoji alkoholismu s poškozením zdraví. Avšak nejen alkohol, ale jiné látky dlouhodobou konzumací způsobují především tato onemocnění a zvýšenou úmrtnost: cirhóza jater, kolorektální karcinom, karcinom prsu, diabetes mellitus a další.

CHEMIE

ostružin a malin. Barvení kulérem (karamelem) nebo pražením sladu je sice pro pivo charakteristické, avšak antioxidační hodnotu piva nezvyšuje. Ovšem ovocné šťávy (nebo přímo samotné ovoce) obsahují větší počet flavonoidů aniž by obsahovaly alkohol.

6

Základními skupinami jsou skupina světlá, polotmavá, tmavá (z tmavého nebo karamelového sladu) a řezaná piva (při stáčení smíšené z tmavého a světlého piva). Podskupinami pak pivo výčepní, ležáky, speciální, portery, se sníženým obsahem alkoholu, se sníženým obsahem cukrů, pšeničná, kvasnicová, nealkoholická, ochucená a lehká. Kategorie piva je povinným údajem při označení piva při prodeji. Příklady značení: a) nesprávné značení: pivo 10stupňové, pivo 12stupňové, jedenáctka, silné 14stupňové pivo b) správné značení piva: pivo výčepní, pivo ležák, speciál 14 %.

Stupňovitost Mnoho spotřebitelů piva si v dnešní době nesprávně zaměňuje symbol stupňovitosti piva s obsahem alkoholu. Kvalitu piva z velké části určuje především podíl látek, které se během jeho vaření uvolní ze sladu a z chmelu. Čím je těchto látek více, tím je pivo chutnější, plnější či hutnější, , jak chcete. V desetistupňovém pivu bylo těchto látek 10 %, ve dvanáctistupňovém 12 %, ve čtrnáctistupňovém 14 %. Odborně řečeno, stupňovitost znamená koncentraci (obsah) všech extraktivních látek (rozpustných ve vodě) v mladině před zakvašením (přidáním pivovarských kvasnic), které přešly (rozpustily se ve varní vodě) z použitých surovin (slad, chmel) během výrobního postupu ve varně do roztoku (původně čisté varní vody). Jedná se o složky cukernaté (zkvasitelné a nezkvasitelné) a složky necukerné (minerály, vitamíny a jiné), které se z použitých surovin rozpustily během vaření ve varné vodě. Když si toto vysvětlení převedeme do čísel, znamená to, že například 12% pivo obsahovalo 12 kg rozpuštěných látek z použitých surovin (slad, chmel) ve 100 kg mladiny (meziprodukt) před zakvašením. Z tohoto taktéž vyplývá, že například 12% pivo obsahuje méně vody než 10% pivo, vzhledem k poměru vstupujících surovin (slad, chmel) k vodě v mladině vyrobené ve varně ještě před přidáním pivovarských kvasnic. Pojem stupňovitost lze také vysvětlit rozdílnou plností (hutností) mezi jednotlivými pivy. V současnosti je starší označení stupňovitost nahrazeno dle platné legislativy pojmem extrakt původní mladiny (EPM).


Nejtypičtější druhy světlého piva v Česku jsou piva výčepní, tj. piva z ječných sladů s extraktem původní mladiny 8–10 % hmotnostních, a piva ležáky, tj. piva z ječných sladů s extraktem původní mladiny 11–12 % hmotnostních. To však nejsou jediné druhy piva. Vedle obecných náležitostí pro označení piva (dle vyhlášky č. 324/1997 Sb.) je nutno podle vyhlášky č. 335/1997 Sb. pivo označit: názvem druhu a skupiny (např. pivo ležák), obsahem ethanolu v objemových procentech, zda jde o světlé či tmavé pivo a některými dalšími údaji. Pivo se začalo dělit na čtyři základní skupiny dle barvy a extraktů původní mladiny před zkvašením, obsahu alkoholu či způsobu konečné úpravy. Toto dělení prošlo v roce 2000 drobnou změnou a v současnosti platí dělení popsané níže.


Piva se dle staršího dělení dělila dle koncentrace původní mladiny, založené na výpočtu hmotnostní koncentrace skutečného extraktu. Výsledná hodnota se uváděla v hmotnostních procentech. Na základě tohoto dělení se piva rozdělovala na piva výčepní (do 10 % hm.), ležáky (v rozmezí 11–12,5 % hm.) a piva speciální (nad 12,5 % hm.).

CHEMIE

Kategorie piva

7

Výroba piva • biochemický princip výroby – Pivo je nápoj vzniklý zkvašením cukerného roztoku (převážně maltosy) jež se získává enzymovou hydrolýzou sladového škrobu. • z technologického hlediska se výroba piva dělí:

2) vlastní výroba piva a) příprava mladiny – slad se rozemele s vodou (rybníky) a ve varně se zahřívá - vzniklý roztok se povaří + přidá chmel = MLADINA b) zkvašování mladiny Po přefiltrování mladiny dojde k jejímu ochlazení asi na 8 oC a přidání kvasinek. c) vlastní kvašení Probíhá v tzv. SPILCE. Podle stupňovitosti piva 7 – 12 dní při t = 5-10 oC. Ke konci kvašení většina kvasinek klesne na dno. d) jímání oxidu uhličitého Při kvašení vzniká CO2, který musí být jímán a je dále využíván jako tlačné medium při manipulaci s pivem – čímž se zabrání negativní oxidaci piva. e) dokvašování piva Probíhá v tzv. ležáckém sklepě. V uzavřených tancích při teplotě 2 oC dochází zde k dozrávání piva a „zakulacení“ chuti. Výčepní piva leží 20 dní. Ležáky a speciální piva leží až 60 dní. f) filtrace Filtrace probíhá na křemíkovém filtru. Pivo získává jiskru.


1) výroba sladu a) máčení ječmene – mokrý ječmen obsahující až 44 % vody b) klíčení ječmene – v dobře větratelných chladných prostorách (HUMNA), klíčí při t = 10 – 20 oC po dobu 5 – 7 dní c) rmutovací procesy – enzymatická hydrolýza sladového škrobu ve vodném roztoku za vyšší teploty (probíhá rychleji) Výsledkem b) a c) je vysoká koncentrace alfa-amylásy (hydrolytický enzym) – významný vliv na kvalitu a chuť finálního výrobku. d) sušení ječmene a vznik sladu – naklíčený ječmen (tzv. zelený slad) se suší v sušárně (HVOZD), kde klesne obsah vody o 5 %. Při sušení vznikají melanoidy – později dávají barvu piva. Usušený slad se zbavuje klíčků a nečistot.


Molární hmotnost: 46,07 g/mol Teplota varu: 78,3 °C (101300 Pa) Hustota: 0,0789 g/ml Rozpustnost ve vodě: neomezeně mísitelné

CHEMIE

Ethanol - CH3CH2OH

8

Aparatura pro destilaci


Před destilací se pivo musí zbavit co největšího množství CO2 (třepání). Rozhodně doporučuji zkontrolovat destilační aparaturu!

Praktické provedení

CHEMIE

Tipy

Motivace studentů Pivo je tradičním a populárním nápojem, který má na území Česka dlouhou tradici. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při střídmé konzumaci mohou působit příznivě proti vzniku aterosklerózy. Rozumná konzumace piva snižuje stres, podporuje krevní oběh, snižuje riziko srdečních onemocnění, snižuje vysoký krevní tlak. Pivo je nápoj, který obsahuje malé množství ethanolu (0,5 - 10 % /obj./). Pivo je určeno k tomu, aby je lidé pili pro chuť, pro radost a pro lepší trávení nikoliv proto, aby se opíjeli. Úkolem této práce je zjistit, zda objemová procenta ethanolu na etiketě piva odpovídají skutečnosti.

Doporučený postup řešení 1. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 2. Provedou destilaci. 3. Pomocí Šťastného-Renzova tabulky provedou výpočet objemových a hmotnostních procent ethanolu.


Zdroj: http://www.bgml.chytrak.cz/aparatury/destilace.jpg

9

Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list – sestavení aparatury, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam dat Práce s lihoměrem nebo hustoměrem.

Z provedeného experimentu studenti zjistí hodnoty hmotnostních a objemových procent alkoholu pomocí Šťastného-Renzova tabulky při teplotě 15 °C

Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

Hodnocení Sestavili destilační aparaturu správně. Určili správně hustotu destilátu. Určili pomocí hustoty z Šťastného-Renzova tabulky objemová a hmotnostní procenta ethanolu. S jakou chybou měření pracovali.

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje • http://cs.wikipedia.org/wiki/Pivo • http://beer.txt.cz/clanky/70728/stupnovitost-piv/ KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: CHEMIE II. pro gymnázia (organická a biochemie). 2.vydání, SPN, Praha, 2005. ISBN 80-7235-283-0 FREIWILLIG,P.: Technické stavby Frýdlantska (Dopravní stavby a objekty, cihlářství a cihelny, zámecký pivovar). IRBIS, Liberec, 2011. ISBN 97880-904852-2-8


Analýza dat


Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin.

CHEMIE

Příprava úlohy

CHEMIE

Stanovení obsahu ethanolu ve vzorku piva Pracovní návod

Zadání úlohy Stanovte ze vzorku piva množství alkoholu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky • baňka (800ml) • frakční baňka • teploměr • vodní chladič • kádinky • odměrný válec • hustoměr nebo lihoměr • kahan • 2 stojany • trojnožka • kovová síťka

Bezpečnost práce Zákaz konzumace piva ve školní chemické laboratoři!

Teoretický úvod Obsah alkoholu Pivo může obsahovat od 0,5 do 10 procent alkoholu, ale v českých pivech je alkoholu nejčastěji mezi 4–5 % (obj.). Tabulka: Orientační obsah ethanolu v pivech Orientační obsah alkoholu Stupeň piva

nealkoholické

8o

10o

12o

Obsah ethanolu

méně než 0,5%

do 2%

do 3%

do 3,5%

11 CHEMIE

Šťastného-Renzova tabulka k určení alkoholu z hustoty destilátu při teplotě 15 °C

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Pracovní návod

Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu.

Postup práce Příprava měření Ze vzorku piva odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut. Je-li nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte.

Vlastní měření (záznam dat) 1. Do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte 50 ml destilované vody. 2. Sestavte aparaturu na destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím! 3. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte. Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut.

12

Použili jsme pivo značky: Skalák 13% (pivovar Rohozec) Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu: 6 % Hustoměrem jsme naměřili hustotu destilátu: 0,993 g/ml Pomocí tabulky Šťastného-Renzova jsme vyhledali odpovídající: a) hmotnostní procento: w = 4,141% b) objemové procento: φ = 5,175% Odchylka od údajů výrobce: 17,5 %.

Pracovní návod

Obr.č.2: Etiketa piva Skalák z pivovaru Rohozec


Analýza naměřených dat

CHEMIE

4. Proveďte měření destilátu. a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní zlomek ethanolu b) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní % ethanolu

CHEMIE

Stanovení množství ethanolu ve vzorku piva Protokol (řešená učitelská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída:

Úkoly: Stanovte ze vzorku piva množství ethanolu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky: • baňka (800 ml) • frakční baňka • teploměr • vodní chladič • kádinky • odměrný válec • hustoměr nebo lihoměr • kahan • 2 stojany • trojnožka • kovová síťka

Chemikálie: • pivo – Skalák světlé speciální pivo 13% z pivovaru Rohozec • destilovaná voda

Princip a) vysvětlete termín stupňovitost piva a) Stupňovitost piva - koncentrace (obsah) všech extraktivních látek (rozpustných ve vodě) v mladině před zakvašením (přidáním pivovarských kvasnic), které přešly (rozpustily se ve varní vodě) z použitých surovin (slad, chmel) během výrobního postupu ve varně do roztoku (původně čisté varní vody). b) druhy piv podle obsahu alkoholu b)

Orientační obsah alkoholu Stupeň piva

nealkoholické

8o

10o

12o

Obsah ethanolu

méně než 0,5%

do 2%

do 3%

do 3,5%

14


Postup 1. Ze vzorku odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut. Je-li nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte. 2. Poté do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte 50 ml destilované vody. 3. Sestavte aparaturu pro destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím! 4. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte. Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut. 5. Proveďte měření destilátu. a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní procento ethanolu b) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní procento ethanolu

Výsledky Použili jsme pivo značky: Skalák světlé speciální pivo 13% (pivovar Rohozec) Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu: 6 % Hustoměrem jsme naměřili hustotu destilátu: 0,993 g/ml Pomocí Šťastného-Renzova tabulky jsme vyhledali odpovídající: a) hmotnostní procento: w = 4,141% b) objemové procento: φ = 5,175% Odchylka od údajů výrobce: 17,5%

Protokol (řešená učitelská varianta)



Nákres

CHEMIE

c) teplota varu a hustota ethanolu c) Tv = 78,3 oC (za normálního tlaku), φ: 0,0789 g/ml (za normálních podmínek)

15


K měření jsme použili pivo Skalák 13% z pivovaru Rohozec. Na etiketě bylo napsáno, že obsahuje 6 obj. %. Pomocí měření hustoty destilátu a Šťastného-Renzova tabulky jsme určili 5,1 obj. %. Odchylka od údaje na etiketě je 17,5%. Chyba vznikla z nedostatečného odstranění CO2 na začátku pokusu. Pivo Skalák 13o patří mezi speciální piva, protože obsahuje více než 4,5 obj. % ethanolu.

CHEMIE

Závěr


CHEMIE

Stanovení množství ethanolu ve vzorku piva Protokol (žákovská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída:

Úkoly: Stanovte ze vzorku piva množství ethanolu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky: • baňka (800 ml) • frakční baňka • teploměr • vodní chladič • kádinky • odměrný válec • hustoměr nebo lihoměr • kahan • 2 stojany • trojnožka • kovová síťka

Chemikálie: • pivo • destilovaná voda

Princip a) vysvětlete termín stupňovitost piva

17



Postup 1. Ze vzorku piva odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut. Je-li nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte. 2. Poté do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte 50 ml destilované vody. 3. Sestavte aparaturu na destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím! 4. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte. Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut. 5. Proveďte měření destilátu. a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní zlomek ethanolu b) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní procento ethanolu

Protokol (žákovská varianta)

Nákres


c) teplota varu a hustota ethanolu

CHEMIE

b) druhy piv podle obsahu alkoholu

18

Použili jsme pivo značky: Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu:


Závěr

CHEMIE

Výsledky


CHEMIE

Stanovení pH vodných roztoků Během laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení pH. Ke stanovení použijeme pH-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí pH. Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skutečnosti ke stanovení pH kapalin ze svého okolí a přemýšlejí o problémech s použitím těchto kapalin v praktickém životě.

CHEMIE

Obsah Obsah . . . 2 Úvod . . . 3 Cíle . . . 3 Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4 Motivace studentů . . . 6 Doporučený postup řešení . . . 7 Příprava úlohy . . . 7 Materiály pro studenty . . . 7 Záznam dat . . . 7 Analýza dat . . . 7 Syntéza a závěr . . . 7 Hodnocení . . . 7 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 7



Protokol (řešená učitelská varianta) . . . 11 Úkoly . . . 11 Pomůcky . . . 11 Princip . . . 11 Nákres . . . 11 Postup . . . 12 Výsledky . . . 12 Závěr . . . 12

Protokol (žákovská varianta) . . . 13 Úkoly . . . 13 Pomůcky . . . 13 Princip . . . 13 Nákres . . . 14 Postup . . . 14 Výsledky . . . 14 Závěr . . . 14

3

Průřezová témata: • Enviromentální výchova – Problematika vztahů organismů a prostředí • Osobnostní a sociální výchova – Spolupráce a soutěž

Ve vyšších ročnících je vhodné zařadit variantu pokusu směřující ke stanovení pH roztoku určité látky např. v půdním výluhu, v povrchové vodě, v mýdle, v pracím nebo čisticím prostředku atd.

Časová náročnost Příprava experimentu – příprava techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pokus (40 minut) Dvě hodiny (2 x 45 min) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Chemikálie • vodný roztok NaOH (w = 1%) • vodný roztok HCl ( w = 1%) • destilovaná voda • vzorky vodných roztoků od studentů • mléko Žíraviny způsobují těžké poleptání kůže a poškození očí. NaOH R 35 S 1/2 -26-37/39-45 HCl R 34-37 S 26,36/37/39,45

Souhrn: Zdraví škodlivý při požití. Dráždí oči, kůži a dýchací cesty. Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C.

Bezpečnost práce Hydroxid sodný a kyselina chlorovodíková jsou řazeny mezi žíraviny. Nutno zkontrolovat také vzorky, které donesli studenti! Žíravina (též žíravá látka) je chemická látka, která může zničit nebo nevratně poškodit jinou látku, se kterou přijde do styku. Žíraviny jsou nebezpečné zejména pro možnost

Typ experimentu: žákovský

Cíle Studenti by měli zvládnout: • použít odpovídající instrumentální vybavení (senzor pH Pasco) k určení pH ve vodných roztocích • odhad kyselosti nebo zásaditosti kapalin ze svého okolí • sestavit tabulku z naměřených hodnot pH známých vodných roztoků • využít tabulky k určení kyselosti nebo zásaditosti vzorku Klíčové kompetence: • kompetence k řešení problémů – student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice • kompetence k učení – student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj

Materiály pro učitel

Tip

Během laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení pH. Ke stanovení použijeme pH-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí pH. Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skutečnosti ke stanovení pH kapalin ze svého okolí a přemýšlejí o problémech s použitím těchto kapalin v praktickém životě.

Stanovení pH vodných roztoků

Vyučovací předměty: chemie, biologie, enviromentální výchova

Úvod

CHEMIE

Zařazení do výuky Experiment je vhodné zařadit v rámci učiva o vlastnostech látek, analytické chemii (instrumentální metody), sledování pH látek v životním prostředí, vliv kyselin a zásad na metabolismus atd.

4

Slovníček pojmů

Přehled pomůcek • počítač s USB portem • PASPORT USB Link (Interface) nebo Xplorer GLX • pH senzor (PS-2102) • software DataStudio • kádinky (8), 250 ml • vodný roztok NaOH (w=1%), 50 ml • vodný roztok HCl (w=1%), 50 ml • mléko, 50 ml • vzorky kapalin, 50 ml (každý vzorek) • popisovač kádinek (lihový fix) • střička s destilovanou vodou, 250 ml • odměrný válec • pH universální papírek • pracovní návod • pracovní list • ochranné pracovní pomůcky

Typy vodných roztoků podle hodnot pH: a) kyselý roztok (pH ‹ 7) b) neutrální roztok (pH = 7) c) zásaditý roztok (pH › 7) Acidobazické indikátory • mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na pH prostředí, což se projeví změnou zabarvení roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky: Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou. Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v oblasti pH 8,0–9,8. Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 3,1–4,5. Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 4,4–6,3. Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při okyselení roztoku změní barvu z modré na červenou.

Praktické provedení Při laboratorní práci můžeme získat hodnoty pH dvěma způsoby: a) pomocí pH senzoru (potenciometrické měření s velkou přesností) b) pomocí univerzálního pH papírku (orientační, s přesností na jednotky) Potenciometrické měření pH Názvem potenciometrie se označují metody využívající pro stanovení aktivity (koncentrace) sledované látky měření elektromotorického napětí elektrochemických článků, které nejsou proudově zatíženy (článkem protéká prakticky nulový proud). Je-li aktivita stanovované složky určována přímo z hodnoty elektromotorického napětí článku, jedná se o přímou potenciometrii (např. měření pH). Elektrochemické články používané při potenciometrických metodách se skládají ze dvou elektrod: elektrody měrné (indikační), jejíž potenciál je závislý na koncentraci stanovované látky a elektrody referentní, jejíž potenciál je za daných podmínek konstantní. Jako referentní elektrody se používají např. elektrody chloridostříbrné, chloridortuťné


KYSELOST ZÁSADITOST pH ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY Viz pracovní list (učitel).

pH je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentrace oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze hodnotu pH také určit a pak platí: pH = − log [H3O + ] Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H2O také určité množství oxoniových kationtů H3O+ a hydroxylových aniontů OH-. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty 10-14. V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: 10-7. To odpovídá pH = 7. Kyselost vzniká přebytkem H3O+. Zvýšení jejich koncentrace na stonásobek, tedy 10-5, odpovídá pH = 5. Zásaditost je přebytek hydroxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např. 1000× více OH- než ve vodě, klesne koncentrace iontů H3O+ na 10-10, což odpovídá pH = 10. U kyselin je pH < 7, čím menší číslo, tím „silnější“ kyselina; naopak zásady mají pH > 7, čím větší číslo, tím „silnější“ zásada.


Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram: GHS05


CHEMIE

poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravině vede k poleptání. Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem „C“ a následujícím piktogramem:

5

Zdroj: http://www.vscht.cz/anl/lach1/3_Pot-pH.pdf


Skleněná elektroda Skleněná elektroda patří mezi membránové iontově selektivní elektrody. Je tvořena tenkou skleněnou membránou (nejčastěji kulovitého tvaru), zhotovenou ze speciálního sodnovápenatého skla. Elektroda je naplněna tlumičem o konstantním pH, do kterého je ponořena vnitřní referentní elektroda, označovaná také jako svodná elektroda. Nejčastěji se k tomuto účelu používá elektroda chloridostříbrná. Působením vody dochází k hydrolýze skleněné membrány a k vzájemné výměně sodíkových iontů ze skla za vodíkové ionty z roztoku. Měření aktivity iontů H+, resp. měření pH, skleněnou elektrodou ze sodnovápenatých skel je v silně alkalických roztocích (pH>12) zatíženo sodnou (alkalickou) chybou. Naměřená hodnota pH je menší než teoretická. V silně kyselých roztocích (pH<1) se uplatňuje kyselá chyba. Naměřená hodnota pH je větší než teoretická. Tyto chyby lze eliminovat použitím elektrod zhotovených ze speciálních lithných skel. Na výslednou hodnotu potenciálu skleněné elektrody má vliv i tzv. asymetrický potenciál, jehož vznik nebyl dosud jednoznačně objasněn. Hodnota asymetrického potenciálu je pro každou elektrodu jiná a s časem se mění (pozvolna klesá). Uvedené chyby se v praxi nejčastěji eliminují kalibrací měřicího zařízení, tj. použitého přístroje a indikačního článku, pomocí standardních roztoků. Protože potenciál skleněné elektrody je výsledkem iontově výměnné reakce, není měření skleněnou elektrodou ovlivňováno přítomností oxidačně-redukčních soustav, iontů těžkých kovů, bílkovin, povrchově aktivních látek a některých organických rozpouštědel. Nevýhodou skleněné elektrody je její křehkost a vysoký odpor (řádově MΩ), což vyžaduje použití měřicích přístrojů s vysokou vstupní impedancí.


Kalibraci senzoru pH může vyučující provést před laboratorní prací. Při instrukci před laboratorní prací opakovaně upozornit na nutnost důkladně umýt senzor pH destilovanou vodou. Rozhodně doporučuji zkontrolovat vzorky, které přinesli studenti! Po ukončení experimentu se senzor pH ukládá do nádobky s uchovávajícím roztokem.

(kalomelové) a merkurosulfátové; jako měrné pak většinou elektrody z kovu, jehož ionty jsou obsaženy v měřeném roztoku, nebo iontově selektivní elektrody membránové, z nichž nejznámější je elektroda skleněná. Membránový potenciál vzniká na fázovém rozhraní membrána-elektrolyt, jestliže membránou může prostupovat pouze jediný ion. Důsledkem zabránění difuze odpovídajícího protiontu (např. sodného kationtu, jestliže bychom ponořili tuto elektrodu do roztoku fluoridu sodného) je vznik Donnanova potenciálu na obou stranách membrány a membránového potenciálu. V roztoku uvnitř elektrody je aktivita iontu, který může difundovat membránou konstantní, a je do něj ponořena vnitřní referentní elektroda, pomocí níž je ISE spojena s měřicím přístrojem (voltmetrem).

CHEMIE

Tipy

6 CHEMIE Stanovení pH vodných roztoků Materiály pro učitel

Obr. 1: Orientační stupnice pH Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/PH.

Motivace studentů V běžném životě je důležité znát vlastnosti chemických látek, které používáme. Jednou z nich je pH, resp. zařazení chemické látky mezi kyseliny nebo zásady. Některé z nich jsou žíraviny, které mohou způsobit poleptání, přesto se jejich působení liší. Existují látky, které použijeme při odstraňování kotelního kamene a jiné, kterými můžeme odstraňovat usazeniny z odpadu.

Obr. 2

Obr. 3

Velký problém může vzniknout při jejich vylití. K vhodné sanaci potřebujeme znát pH roztoku vylité chemické látky.

7

Příprava úlohy

Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v DataStudiu nebo Sparkvue, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list.

Analýza dat Z naměřených dat a z provedených výpočtů studenti zjistí hodnoty pH vodných roztoků.

Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

Hodnocení Určili studenti správně hodnotu pH? Určili správně vlastnost vodného roztoku (zásaditý, neutrální, kyselý)? Odvodili možnosti a princip použití? Odvodili možnosti první pomoci při vylití nebo poleptání?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje http://cs.wikipedia.org/wiki/Neutralizace http://cs.wikipedia.org/wiki/Kyselost http://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BD%C3%ADravina www.pasco.cz www.pasco.com FLEMR, V., DUŠEK, B.: CHEMIE I. pro gymnázia (obecná a anorganická chemie). SPN, Praha, 2001. ISBN 80-7235-147-8


Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin.


1. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 2. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem a nebo budeme výsledky zpracovávat v DataStudiu nebo Sparkvue. 3. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření.

CHEMIE


CHEMIE

Stanovení pH vodných roztoků Pracovní návod

Zadání úlohy Určete hodnotu pH a přiřaďte vlastnost vodného roztoku.

Pomůcky • Xplorer GLX • pH senzor (PS-2102) • software Sparkvue nebo DataStudio • kádinky • střička s destilovanou vodou • odměrný válec • pH univerzální papírek

Bezpečnost práce Dodržujte pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracujete s chemickými látkami, které jsou řazeny mezi žíraviny. Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram:

Žíravina (též žíravá látka) je chemická látka, která může zničit nebo nevratně poškodit jinou látku, se kterou přijde do styku. Žíraviny jsou nebezpečné zejména pro možnost poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravině vede k poleptání. Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem „C“ a následujícím piktogramem:

NaOH R 35 S 1/2 -26-37/39-45

HCl R 34-37 S 26,36/37/39,45

Souhrn: Zdraví škodlivý při požití Dráždí oči, kůži a dýchací cesty. Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C.

9

Acidobazické indikátory • mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na pH prostředí, což se projeví změnou zabarvení roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky: Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou. Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v oblasti pH 8,0–9,8. Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 3,1–4,5. Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 4,4–6,3. Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při okyselení roztoku změní barvu z modré na červenou.

Obr. 4 Zdroj: http://www.myval.cz/poradna/phhodnota.htm

Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu.

Postup práce Nastavení HW a SW a) měření jen s Xplorerem • Založte nový soubor např.: pH kapalin - Zapněte Xplorer a vyberte si položku Data Files - Zmáčkněte F4 (Files) a zvolte New Files - Zmáčkněte F4 (Files)a zvolte Save as… a pojmenujte soubor (v našem případě pH kapalin) - Zmáčkněte F2 Save a zmáčkněte „domeček“ • Připojte senzor pH - Po připojení senzoru pH k Xploreru vyberte v hlavní nabídce položku Senzors.

Pracovní návod

Typy vodných roztoků podle hodnot pH: d) kyselý roztok (pH ‹ 7) e) neutrální roztok (pH = 7) f) zásaditý roztok (pH › 7)


pH je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentrace oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze hodnotu pH také určit a pak platí: pH = − log [H3O + ] Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H2O také určité množství oxoniových kationtů H3O+ a hydroxylových aniontů OH-. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty 10-14. V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: 10-7. To odpovídá pH = 7. Kyselost vzniká přebytkem H3O+. Zvýšení jejich koncentrace na stonásobek, tedy 10-5, odpovídá pH = 5. Zásaditost je přebytek hydroxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např. 1000× více OH- než ve vodě, klesne koncentrace iontů H3O+ na 10-10, což odpovídá pH = 10. U kyselin je pH < 7, čím menší číslo, tím „silnější“ kyselina; naopak zásady mají pH > 7, čím větší číslo, tím „silnější“ zásada.

CHEMIE

Teoretický úvod

10

Připravte si kádinky s různými vzorky, střičku s destilovanou vodou (opláchnutí senzoru pH) a univerzální pH papírky ...

Vlastní měření (záznam dat)

Analýza naměřených dat Naměřené hodnoty pH (senzorem i pH papírkem) budou seřazeny v tabulce. Seřazení dle rostoucího pH (od kyseleného k zásaditému roztoku).

Pracovní návod

Změříme pH vodných roztoků a hodnoty zapíšeme do připravené tabulky. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor. Senzor pH vložte do 1. kádinky se vzorkem vodného roztoku. Zmáčkněte tlačítko START . Po změření hodnoty pH zmáčkněte tlačítko STOP . Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky a určete pH. Postup měření opakujte stejně i u ostatních vzorků.


Příprava měření

CHEMIE

- V přehledu senzorů se objeví pH (Visible), u ostatních zkontrolujte nefunkčnost (Not visible). Tento způsob umožní lepší přehlednost při měření. - zmáčkněte „domeček“ Z hlavní nabídky Xploreru zmáčkněte Digits.

CHEMIE

Stanovení pH roztoku Protokol (řešená učitelská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída:

Úkoly: 1. Určete pH zadaných chemických látek pomocí pH-senzoru systému Pasco. 2. Určete pH zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru. 3. Určete pH vámi přinesených 6 vzorků. 4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot pH.

Pomůcky: • Xplorer GLX • pH senzor (PS-2102) • software DataStudio • kádinky • střička s destilovanou vodou • odměrný válec • pH univerzální papírek

Princip a) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot pH a) 1. kyselé roztoky (pH<7); 2. neutrální roztok (pH =7); 3. zásadité látky (pH>7) b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönsteda b) Kyselina je látka schopná odštěpit H+. c) napište, jak se definuje zásada podle Brönsteda c) Zásada je látka schopná přijmout H+.

Nákres

Xplorer se senzorem pH

12

Výsledky Hodnota pH (senzor Pasco)

Hodnota pH (univerzální pH papírek)

Vzorek

Hodnota pH

HCl

1,29

HCl

1,29

1

Kofola

3,57

Kofola

3,57

4

Mattoni pomeranč

4,22

Becherovka

5,83

5

Dobrá voda perlivá

5,23

Mattoni pomeranč

4,22

5

Černý čaj s citronem

5,81

Dobrá voda jemně perlivá

5,23

6

Becherovka

5,83

Černý čaj s citronem

5,81

6

Dobrá voda bezinka

6,02

Voda z vodovodu

5,95

7

NaOH

12,63

Dobrá voda bezinka

6,02

6

NaOH

12,63

13

Druh roztoku

kyselý

zásaditý

Závěr Zde uvedete zhodnocení výsledků měření. Napište: Co jste dělal, jak a k čemu jste došli. (Pozor závěr není postup!) Často se naměřené hodnoty porovnávají s tabulkovými hodnotami (pokud lze porovnávat). Výsledky měření pomocí senzoru pH je přesnější (až 2 desetinná místa). Až neuvěřitelná přesnost ve srovnání s universálními pH papírky. Největší rozdíl byl u vody z vodovodu. Měřeno přístrojem 5,95 a pomocí pH-papírku 7 (rozdíl 1,05). Většina vzorků jsou kyselé roztoky. Zřejmě proto, že vzorky byly tvořeny nápoji. Tím, že je běžně používáme ke konzumaci, můžeme přispívat k „překyselení“ našeho organismu. Toto může vést k zadržování vody v našem těle a docházet k nárůstu hmotnosti. Výjimkou byly kontrolní vzorky HCl a NaOH.


Vzorek


1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor. 2. Stiskněte START pro záznam hodnoty pH. 3. Měření ukončete tlačítkem STOP. 4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. 5. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky a určete pH. 6. Tento postup opakujte u každého vzorku.

CHEMIE

Postup

CHEMIE

Stanovení pH roztoku Protokol (žákovská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída:

Úkoly: 1. Určete pH zadaných chemických látek pomocí pH-senzoru systému Pasco. 2. Určete pH zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru. 3. Určete pH vámi přinesených 6 vzorků. 4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot pH.

Pomůcky: • Xplorer GLX • pH senzor (PS-2102) • software DataStudio • kádinky • střička s destilovanou vodou • odměrný válec • pH univerzální papírek

Princip a) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot pH

b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönsteda

c) napište, jak se definuje zásada podle Brönsteda

14 CHEMIE

Nákres


Xplorer se senzorem pH

1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor. 2. Stiskněte START pro záznam hodnoty pH. 3. Měření ukončete tlačítkem STOP. 4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. 5. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky a určete pH. 6. Tento postup opakujte u každého vzorku.

Výsledky Vzorek HCl

NaOH

Závěr

Hodnota pH (senzor Pasco)

Hodnota pH (univerzální pH papírek)


Postup

CHEMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Měřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebovává. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Mgr. Milan Schleider

CHEMIE

Obsah Obsah . . . 2 Úvod . . . 3 Cíle . . . 3 Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4 Motivace studentů . . . 4 Doporučený postup řešení . . . 4



Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 9 Slovníček pojmů . . . 9 Teoretická příprava úlohy . . . 10 Vizualizace naměřených dat . . . 10 Vyhodnocení naměřených dat . . . 11 Závěr . . . 13

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 14 Slovníček pojmů . . . 14 Teoretická příprava úlohy . . . 15 Vizualizace naměřených dat . . . 16 Vyhodnocení naměřených dat . . . 17 Závěr . . . 18

3

Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermické a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, kalorimetrie) a také v rámci fyzikálního a chemického semináře.

Časová náročnost a) rozpouštěcí tepla (45 min.) b) zřeďovací tepla (45 min.) c) reakční tepla (45 min.)

Pozn. 2: Při realizaci pokusů a výpočtech se dopouštíme mnohých zjednodušení. Např. neohříváme čistou vodu, ale vodu se solí či kyselinou. Naše „kalorimetry“ jsou jen kádinky a měření je zatíženo chybami atd.

Minimální požadavky na pomůcky Xplorer, teploměr PS – 2153, kádinka, magnetické míchadlo, magnetické michadélko, váhy, lžíce.

Cíle Studenti: • měřením teploty na začátku, v průběhu a na konci děje zjistí, zda jde o děj exotermický nebo endotermický • ze známého vztahu Q = m · c · Δt, vypočítají teplo, které se uvolnilo nebo spotřebovalo


Tip1: Vypočítejte reakční tepla ze slučovacích nebo spalných tepel a porovnejte své výpočty s naměřenými údaji. Např.: Hořením známého množství butanu ohřejte 100 ml vody. (samostatné cvičení)

Měřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebovává.

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)

Pozn. 1:

Úvod

CHEMIE

Zařazení do výuky Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermické a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, kalorimetrie) a také v rámci fyzikálního a chemického semináře.

4

Motivace studentů

Přehled pomůcek • Xplorer GLX • čidlo teploty dodávané společně s Xplorerem • ocelový teploměr PS – 2153 (pro tato měření je vhodnější) • teflonový kryt na teploměr Cl – 6549 • magnetické míchadlo • magnetické michadélko • kádinka • odměrný válec • digitální váhy • byreta • chemikálie

Po zatlačení na píst se smíchá voda s chloridem vápenatým a uvolněné teplo ohřeje nápoj. Naopak, potřebujeme-li např. v laboratoři chladit nějakou probíhající reakci pod bod mrazu, přidáme k vodě s ledem sůl.


Příprava úlohy Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin.

Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu.


1. Připravíme si chemikálie, které máme k dispozici a podle toho upravíme pracovní návod. 2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky zpracovávat v datastudiu. 4. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření. 5. Analýza dat, pochopení výsledků měření, vyslovení závěrů.


Měli jste někdy chuť na teplý nápoj? Byli jste na horách a čaj v termosce vystydl? Již nemusíte zoufat. Teplý nápoj můžete mít s sebou kdykoliv. Stačí si vzít vodu a chlorid vápenatý. Nebo si koupit nápoj CaldoCaldo:

CHEMIE

Slovníček pojmů SAMOVOLNÝ DĚJ ENDOTERMICKÝ DĚJ EXOTERMICKÝ DĚJ TEPLO ENTALPIE I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

5

Z naměřených teplot soustav na začátku a na konci děje studenti určí, zda je samovolný děj exotermický nebo endotermický.

Studenti zapíší: a) co dělali b) jak to dělali c) k jakým závěrům dospěli Své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

Hodnocení Změřili studenti správně teplotu soustavy na začátku a na konci děje? Vypočítali správně uvolněné teplo? Určili správně exotermické a endotermické děje? Určili správně znaménka hodnot veličin ΔH = ΔQp ?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje


• http://cs.wikipedia.org/wiki/Termochemie • http://www.youtube.com/user/milan653pasco?feature=mhee • GHS, Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií • H – věty http://cs.wikipedia.org/wiki/H-v%C4%9Bty • P – věty http://cs.wikipedia.org/wiki/P-v%C4%9Bty • W. J. MOOR, Fyzikální chemie, SNTL, 1979 • V. Novotný, V. Siládiová, K. Daučík, Fyzikální chemie pro 3. ročník SPŠ chemických, SNTL, 1973


Syntéza a závěr

CHEMIE

Analýza dat

CHEMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod

Zadání úlohy Změř změnu teploty při rozpouštění solí, zřeďování kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích.

Pomůcky • Xplorer GLX • ocelový teploměr PS – 2153 • teflonový obal na teploměr Cl – 6549 • magnetické míchadlo • magnetické michadélko • digitální váhy a váženka • kádinka • lžíce • chemikálie (NaCl, KCl, NH4NO3, NH4Cl, bezvodý CaCl2, NaOH, HCl, Zn)

Bezpečnost práce Dodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami.

Hydroxid sodný Pokyny pro bezpečné zacházení (P – věty): P102 Uchovávejte mimo dosah dětí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny, a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P405 Skladujte uzamčené.

Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.

7

Chlorid vápenatý Pokyny pro bezpečné zacházení (P – věty): P 102, 234, 260, 261, 262, 280, 303+361+353,304+340,305+351+338,309+311

Chlorid vápenatý H319 Způsobuje vážné podráždění očí

Teoretický úvod

Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.

Postup práce Nastavení HW a SW Založíme si soubor, který si pojmenujeme např. rozpousteci teplo. Podle potřeby můžeme nastavit vzorkování (SampleRate) a samozřejmě jednotkou teploty zvolíme nám nejbližší °C. Protože mezi jednotlivými měřeními může být určitý prostoj, je třeba nastavit automatické vypínání na delší čas – 10 min by mělo stačit (HlavníNabídka – Settings – AutoPowerOff). Příprava měření Podle obrázku sestavíme potřebnou aparaturu. Připravíme si potřebné chemikálie: Chlorid sodný, chlorid draselný, chlorid amonný, bezvodý chlorid vápenatý, dusičnan amonný, kyselina chlorovodíková, kyselina sírová, hydroxid sodný a zinek.

Pracovní návod

Zatímco I. termodynamický zákon je obecným vyjádřením zákona zachování energie, tak druhý termodynamický zákon říká, jakým směrem bude děj probíhat. I. termodynamický zákon je nepostradatelný při energetické bilanci dějů, ale neumožňuje předpovídat průběh chemické reakce. Neumí říct, zda je děj samovolný. I když dlouho se chybně předpokládalo, že samovolný děj je děj, při kterém se uvolňuje energie. Dnes víme, že nelze určit směr samovolného děje například na základě znaménka veličiny ΔH (změny entalpie), tedy na základě zjištění, že se energie uvolnila nebo spotřebovala. Samovolné děje mohou být exotermické i endotermické.


Kyselina chlorovodíková H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest. H290 Může být korozivní pro kovy.

CHEMIE

Kyselina chlorovodíková Pokyny pro bezpečné zacházení (P – věty): P 102, 234, 260, 280, 303+361+353,304+340,305+351+338,309+311

8 Vlastní měření (záznam dat) a) Do kádinky přidáme 100 ml vody. Navážíme 1 g vzorku příslušné soli nebo hydroxidu. Kádinku s vodou a magnetickým míchadélkem postavíme na magnetické míchadlo, které samozřejmě zapneme.

CHEMIE

Upozornění:


Občas, vinou nepozornosti, student zapne místo míchání ohřev! I když by to mohlo být zajímavé, sledovat zda teplota ovlivní přijaté nebo uvolněné teplo, tak v tomto cvičení to dělat nebudeme a ohřev musí zůstat vypnutý.

V hlavní nabídce Xploreru vybereme položku Graph. Sledujeme graf Temperature vs. Time. Zapneme tlačítko start/stop a do 100 ml vody přidáme 1 g vzorku. Počkáme, až se teplota ustálí a znova zmáčkneme tlačítko start/stop.

Doporučení: Data je vhodné uložit vždy po každém měření a na konci cvičení je exportovat na flash disk.

Kádinku, teploměr a míchadlo řádně umyjeme a provedeme totéž měření s dalším vzorkem stejné hmotnosti.

Tip2: Pokuste se docílit vždy stejné teploty vody na počátku pokusu a vzorek přidejte vždy ve stejný časový okamžik po zmáčknutí tlačítka start/stop. Např.: vzorek přidám do vody vždy v páté sekundě.

Pro zajímavost můžeme druhý teplotní senzor umístit vně dna baňky. Zapneme tlačítko start/stop, čímž začneme měřit teplotu a z dělící baňky přikapáváme kyselinu chlorovodíkovou ředěnou s vodou v poměru 1:1 (objemově). Po ustálení teploty měření zastavíme.

Vodík H220 Extrémně hořlavý plyn Při reakci vzniká vodík, který je ve směsi se vzduchem výbušný. Nemanipulujte s otevřeným ohněm.

Uložení naměřených dat Nyní v Xploreru zmáčkneme „domeček“ a vybereme položku Data Files. Zmáčkneme tlačítko „zatržítko“, a protože soubor máme již založen, zmáčkneme tlačítko F2 a měření uložíme. Na konci cvičení data exportujeme na flash disk. Analýza naměřených dat Analýzou grafu urči, zda se teplo uvolnilo, či spotřebovalo. I přesto, že měření jsme neprováděli v kalorimetru, tak pro měření ad a), kdy přidáváme do 100 ml vody 1 g soli, urči počáteční a konečnou teplotu vody a vypočítej teplo, které se spotřebovalo nebo uvolnilo. Je jasné, že část tepla se uvolnila také na ohřátí kádinky. Tyto ztráty nebudeme uvažovat.

Pracovní návod

b) Do kádinky se 100 ml vody přikapáváme z byrety kyselinu chlorovodíkovou. Dejme tomu, že 2,4 ml 35% kyseliny, což odpovídá 1g kyseliny chlorovodíkové. Opět měříme teplotu a zaznamenáváme pomocí Xploreru teplotu v průběhu rozpouštění (ředění) kyseliny. c) Sestavíme aparaturu na vyvíjení plynů a přidáme teplotní senzor, na kterém je teflonový kryt.

CHEMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta)

Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: • SAMOVOLNÝ DĚJ Každá izolovaná soustava se snaží přejít samovolnými nevratnými pochody do rovnovážného stavu. Samovolné pochody končí dosažením rovnovážného stavu. V termodynamice zavádíme důležitou funkci, která se nazývá Entropie. Změna entropie ΔS nám pak říká, zda je děj samovolný. U samovolných pochodů je tato změna kladná tzn., že entropie vzrůstá. Rovnovážná soustava nabývá maximální možné entropie. • ENDOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) spotřebovává. • EXOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) uvolňuje. • TEPLOTA T Teplota je fyzikální veličina, která nám říká, jak je těleso teplé. Jednotka je K (Kelvin). Vedlejší jednotka je °C. • TEPLO ΔQ Teplo Q je část vnitřní energie U. Jednotka tepla je J (Joule). • ENTALPIE ΔH Je teplo, které soustava vymění s okolím při konstantním tlaku. ΔH = ΔQp • MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA Charakterizuje daný materiál. Je to teplo, které přijme nebo odevzdá těleso z dané látky o hmotnosti 1 kg a přitom se ohřeje nebo ochladí o jeden kelvin. J J Např.: Měrná tepelná kapacita pro vodu c = 4180 = 4180 , což znamená, že těleso kg · °Cʼ kg · K z vody o hmotnosti 1 kg zvýší svoji teplotu o 1 °C, pokud přijme teplo 4180 J.

10

ΔU = ΔQ – p · ΔV

• II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Druhý termodynamický zákon nám říká, jakým směrem bude děj probíhat. Lze ho vyslovit např. takto: „Teplo samovolně přechází vždy z tělesa teplejšího na chladnější.“ • KRYOSKOPIE Je metoda, která se zabývá snížením teploty tuhnutí roztoků.

Teoretická příprava úlohy Doplň tabulku: značka T t Q �H �U m

měrná tepelná kapacita

c

jednotka K °C J J J kg J kg · K

Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala voda o hmotnosti 100 g. �Qp = �H = m · c · �T kde m 100g je hmotnost vody (ρ(H2O) = 1g/ml), c = 4180 J · kg-1 · K-1 je měrná tepelná kapacita pro vodu a �T je rozdíl počáteční a konečné teploty vody.

Vizualizace naměřených dat a) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli


fyzikální veličina termodynamická teplota teplota (Celsiova stupnice) teplo změna Entalpie změna Vnitřní energie hmotnost


Tuto rovnici můžeme „přečíst“ např. takto: „Změna vnitřní energie soustavy je rovna teplu, které soustava přijme mínus práce, kterou soustava vykoná.“

CHEMIE

• I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Je obecným vyjádřením zákona zachování energie:

11 CHEMIE

b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl


c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou


Vyhodnocení naměřených dat 1) Do 100 ml vody jsme přidali 1g NH4NO3 Použitím nástroje DeltaTool odečteme rozdíl počáteční a konečné teploty vody. Vidíme, že teplota poklesla o 0,77 °C. Teplo při rozpouštění dusičnanu amonného se spotřebovalo. Tento samovolný děj je endotermický.

12

Při rozpouštění 1 g dusičnanu amonného se spotřebovalo teplo 322 J. 2) Do 100 ml vody jsme přidali 1 g bezvodého chloridu vápenatého.

Pozn. 3: Pro přesnější určení přijatého nebo odevzdaného tepla je nutné započítat teplo přijaté (odevzdané) kalorimetrem. Pro naše měření jsme toto teplo neuvažovali. Také měrná tepelná kapacita pro soustavu „voda + sůl“ bude jiná než pro čistou vodu.

Výpočet tepla, které se uvolnilo při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého: počáteční teplota t1 = 13,88 °C konečná teplota t2 = 14,78 °C rozdíl teplot �t = t2 – t1 = (14,78 – 13,88) °C = 0,89 °C 0,9 °C měrná tepelná kapacita vody c = 4180 J · kg-1 · °C-1 hmotnost vody m = 0,1 kg J

Qp = �H = m · c · �t = 0,1 kg · 4180 kg · K · 0,9 °C 376 J Při rozpouštění 1 g bezvodého chloridu vápenatého se uvolnilo teplo 376 J. Výpočty proveď také pro další pozorované děje.


I zde jsme ke zjištění rozdílu mezi počáteční a konečnou teplotou použili nástroj DeltaTool. Teplota se při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého zvýšila o 0,89 °C. Teplo se při rozpouštění chloridu vápenatého uvolňuje. Tento samovolný děj je exotermický.


J

Qp = �H = m · c · �t = 0,1 kg · 4180 kg · K · 0,77 °C = 321,86 J 322 J

CHEMIE

Výpočet spotřebovaného tepla: počáteční teplota t1 = 13,84 °C konečná teplota t2 = 13,07 °C rozdíl teplot �t = t1 – t2 = (13,84 – 13,07) °C = 0,77 °C měrná tepelná kapacita vody c = 4180 J · kg-1 · °C-1 hmotnost vody m = 0,1 kg

13

NaCl KCl NH4NO3 NH4Cl CaCl2 NaOH HCl Zn + HCl

konečná teplota

teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie)

t1 (°C) 13,78 13,84 13,84 13,83 13,88 13,8 13,82 16,85

t2 (°C) 13,55 13,26 13,07 13,17 14,78 15,82 14,91 51,16

�H (J) 96 242 322 276 -376 -844 -456 -14342

samovolný děj je:

ENDOTERMICKÝ ENDOTERMICKÝ ENDOTERMICKÝ ENDOTERMICKÝ EXOTERMICKÝ EXOTERMICKÝ EXOTERMICKÝ EXOTERMICKÝ

Pozn. 4: Záporné znaménko u hodnoty �H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii).

Závěr Teplo přechází samovolně vždy z tělesa teplejšího na chladnější. Z našich měření jsme zjistili, že samovolné děje mohou být exotermické i endotermické (viz tabulku).

Rozpouštěcí tepla se využívají např. při sestavování složení chladících směsí. Roztok tuhne při nižší teplotě než rozpouštědlo. Takže můžeme v zimě solit cesty, abychom zamezili vzniku náledí. Rozpouštěcí tepla se mohou využít např. pro „samoohřívací“ nápoje CaldoCaldo.


Zjišťování tepelných „zabarvení“ dějů má význam pro energetické bilance v průmyslu.


látka

počáteční teplota

CHEMIE

Výsledky zapiš do přehledné tabulky:

CHEMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta)

Slovníček pojmů S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy: • SAMOVOLNÝ DĚJ

• ENDOTERMICKÝ DĚJ

• EXOTERMICKÝ DĚJ

• TEPLOTA T

• TEPLO �Q

15 CHEMIE

• ENTALPIE �H


• MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA

• I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

• II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON


• KYROSKOPIE

Teoretická příprava úlohy Doplň tabulku: fyzikální veličina

značka

termodynamická teplota

T

jednotka

teplota (Celsiova stupnice) teplo změna Entalpie změna Vnitřní energie hmotnost měrná tepelná kapacita

J kg · K

Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala nebo odevzdala voda o hmotnosti 100 g:

16

a) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli

b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl vlož graf Temperature vs. Time


vlož graf Temperature vs. Time

CHEMIE

Vizualizace naměřených dat


c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou vlož graf Temperature vs. Time

17

Pro určení rozdílu počáteční a konečné teploty použij nástroj DeltaTool a vypočítej tepla, která se uvolnila nebo spotřebovala při rozpouštění solí resp. ředění kyselin:


Výpočty:

CHEMIE

Vyhodnocení naměřených dat


18

CaCl2

konečná teplota

teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie)

t1 (°C)

t2 (°C)

�H (J)

13,88

14,78

-376

samovolný děj je:

EXOTERMICKÝ

Pozn. 5

Závěr


Záporné znaménko u hodnoty �H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii).


látka

počáteční teplota

CHEMIE

Výsledky zapiš do přehledné tabulky:

Chemie Projekt Jdeme na to od lesa! Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884

Recommend Documents