Přírodovědec - Rozvoj odborných kompetencí talentovaných studentů středních škol ve vědeckovýzkumné práci v oblasti přírodních věd reg. č. CZ.1.07/2.3.00/09.0040 http//www.prirodovedec.eu
seminář 8. 2. 2012
EFEKTNÍ CHEMICKÉ EXPERIMENTY Existuje řada chemických pokusů, které mají neočekávaný průběh a jsou doprovázeny zajímavými efekty. Při realizaci následujících experimentů vás možná překvapí velmi rychlé změny reakční směsi, které vyvolá probíhající chemická reakce. Proč pozorované efektní jevy (náhlá změna teploty, barvy, výbuch, oheň, světélkování apod.) nastaly si následně zdůvodníme a vysvětlíme.
Pokus 1 „Zkouška poctivosti“ (koroze amalgamovaného hliníku) Pomůcky a chemikálie: hliníková folie – alobal, špejle, vata, nůžky; roztok rtuťnaté soli (cca 1%) ve zkumavce Postup: Vatu namotejte na krátkou špejli a namočte do roztoku rtuťnaté soli. Hliníkovou fólii „alobal“ (cca 7 ¥ 7cm) položte na napnutou dlaň, folii potřete roztokem rtuťnaté soli. POZOR kdo vydrží déle!? Princip: Na základě umístění kovů v Becketovově elektrochemické řadě napětí kovů (Hg leží za H a Al před H) probíhá následující reakce. 2 Al + 3 Hg2+ Æ 2 Al3+ + 3 Hg Vyloučená rtuť vytváří s hliníkem amalgám. Amalgamovaný hliník pak ochotně reaguje se vzdušnou vlhkostí na hydratovaný oxid či hydroxid-oxid hlinitý. 2 Al + (n+3) H2O Æ Al2O3 · nH2O + 3 H2 Po chvíli cítíme na dlani při reakci (oxidaci hliníku) uvolněné teplo a na fólii vzniká bílá jemná látka. Upozornění: po ukončení tohoto experimentu si pečlivě umyjte ruce!
Pokus 2 Redukční účinky alkoholu Pomůcky a chemikálie: širší kádinka 100 ml, hodinové sklo nebo větší Petriho miska (na přikrytí kádinky), plynový kahan, pinzeta, čajová svíčka; měděná spirála (Cu drát 1mm hustě navinutý do 18 závitů o průměru 1cm, upravte ji tak, aby stála na stole), ethanol Postup: Do menší kádinky nalijte asi do výšky 1,5 cm ethanol. V plameni kahanu zahřejte měděnou spirálu do červeného žáru. 2 Cu + O2 → 2 CuO Poté ji rychle postavte do kádinky s ethanolem tak, aby se nedotýkala stěn kádinky. Sledujte, jak se mění zbarvení spirály. a) Vyzkoušejte, jak ovlivní probíhající chemický děj přikrytí kádinky s Cu spirálou sklem a její opětovné odkrytí. b) Po ukončení reakce se čichem přesvědčíte o vzniku nové látky. Princip: Měď se při zahřívání v plameni pokrývá vrstvičkou černého oxidu měďnatého, který je redukován ethanolem, vzniká červená měď a acetaldehyd. Vzdušným kyslíkem je opět měď oxidována na černý oxid měďnatý a následně je parami ethanolu redukován na měď. CH3CH2OH + CuO → CH3CHO + Cu + H2O POZOR! ethanol se někdy může zapálit, v tom případě přikryjte kádinku hodinovým sklem nebo mokrým hadrem (zabrání se tak přístupu vzduchu a plamen zhasne).
Pokus 3 Hořící gumové bonbóny Pomůcky a chemikálie: zkumavka, plynový kahan, laboratorní stojan, porcelánová miska, ochranný štít, lžička, chemické kleště nebo pinzeta, čajová svíčka; chlorečnan draselný, bonbón - kousek gumového medvídka Postup: Do zkumavky nasypte chlorečnan draselný asi do výšky 1 cm (maximálně!), zkumavku upevněte ve stojanu a podložte ji porcelánovou miskou. Nasaďte si ochranný štít (brýle). Chlorečnan ve zkumavce zahřívejte, až vznikne tavenina a objeví se v ní první bublinky plynu. Do taveniny vhoďte kousek gumového bonbónu (použijte chemické kleště resp. pinzetu) a sledujte reakci. Princip: Chlorečnan se termicky rozkládá a uvolňuje se kyslík, který za vyšší teploty oxiduje gumový bonbón, který začne hořet (hoří organická látky – cukr a želatina v bonbónu). 2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2
Pokus 4 Chemická sopka na stole Pomůcky a chemikálie: síťka, špejle, porcelánová miska, váhy, lžička, čajová svíčka, arch filtračního papíru, zápalky, kalkulačka; dichroman amonný (E, T+, N) Postup: Na azbestovou síťku podloženou archem filtračního papíru nasypte na kopeček 2,5g dichromanu amonného a zapalte ho hořící špejlí. Vzniklý oxid chromitý sesypte do (předem zvážené) porcelánové misky opět zvažte. Vypočítejte teoretický výtěžek reakce dle rovnice a porovnejte experimentálně zjištěnou hmotnost produktu. (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4 H2O Mr((NH4)2Cr2O7) = 252,08, Mr(Cr2O3) = 152,04 teorie: cca 1,5g Cr2O3 experiment:……………………………………… Princip: Při termickém rozkladu dichromanu amonného, který má malý objem, vznikne oxid chromitý o několikrát větším objemu, ale jehož hmotnost musí odpovídat zákonu o zachování hmotnosti výchozích reaktantů na jedné straně rovnice a hmotnosti vzniklého oxidu chromitého na druhé straně rovnice.
Pokus 5
Vlastnosti nitrocelulosy
DEMONSTRAČNĚ
Pomůcky a chemikálie: suchá nitrocelulosa, špejle, nehořlavá podložka, nehořlavá podložka (síťka s nehořlavou vrstvou), čajová svíčka Postup: Nasaďte si ochranný štít! Kousek suché nitrocelulosy načechrejte a položte na nehořlavou podložku, poté ji zapalte špejlí, prudce shoří bez dýmu. Princip: vlastnosti dusičnanu celulosy závisí silně na podmínkách nitrace, nad 12,5% (maximálně 14,1%) obsahu dusíku - střelná bavlna (výroba bezdýmného střelného prachu) aj.
Pokus 6
Blesky ve zkumavce
Pomůcky a chemikálie: zkumavka, stojan, Pasteurova pipeta, lžička, skleněná tyčinka, střička s destilovanou vodou, kádinka s vodou na chemický odpad, ochranný štít, gumové rukavice; konc.H2SO4, manganistan draselný, ethanol; Postup: Použijte ochranný štít! Do zkumavky upevněné ve stojanu nalijte do výšky asi 1-2 cm koncentrovanou kyselinu sírovou (použijte Pasteurovu pipetu) a opatrně ji převrstvěte stejným množstvím ethanolu (ethanol přilévejte ze střičky po stěně zkumavky). Dávejte přitom pozor, aby se roztoky vzájemně nepromíchaly. Do zkumavky pak přisypte několik krystalků manganistanu draselného a pozorujte reakci.
Princip: Silnější kyselina sírová vytěsní z maganistanu oxid manganistý (tmavě zelená kapalina), který se dále rozkládá, a uvolněný kyslík ve stavu zrodu (někdy se uvádí ozon O3) oxiduje ethanol – pozorujeme malé jiskření na rozhraní kapalin. H2SO4 + 2 KMnO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O + 3/2 O2 Mn2O7
→ 2 MnO2 + 3/2 O2
(resp. 2 O3)
CH3CH2OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O Upozornění: po skončení tohoto experimentu vzniklé produkty nalijte opatrně do sběrné kádinky s vodou určené na chemický odpad. POZOR při vylévání reakční směsi s produkty může dojít ke vznícení nezreagovaného ethanolu.
Pokus 7 Pozorování chemiluminiscence luminolu (DEMONSTRAČNĚ) Nejznámější chemiluminiscenční reakcí je reakce luminolu (hydrazidu kyseliny ftalové) s peroxidem vodíku v mírně alkalickém prostředí za katalytického působení měďnatých iontů nebo červené krevní soli (obsahuje železité ionty). Po smíchání komponent se směs jasně rozzáří modrým světlem. Pomůcky a chemikálie: 2 kádinky o objemu 600 ml, nálevka, pipeta, spirálový chladič, stojan, křížová svorka, držák na chladič, váhy; A: luminol, NaOH, destilovaná voda B: K3[Fe(CN)6] (červená krevní sůl), peroxid vodíku, destilovaná voda Postup: Připravíme si roztok A: 0,1 g luminolu smícháme s 5 ml 5% roztokem hydroxidu sodného a doplníme vodou na celkový objem 400 ml. Poté připravíme roztok B: 1,5 g K3[Fe(CN)6] doplníme vodou na objem 400 ml a přidáme 3 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Po smíchání obou roztoků se objeví světlemodrá luminiscence. Zvlášť výrazný je efekt při přilévání roztoku B do roztoku A nálevkou do spirálového chladiče, kde se objevuje světlo, které vyzařuje produkt reakce při smíchaní obou roztoků. O
O NH NH O
+ 2OH - + O 2
K3[Fe(CN) 6]
O
+ N2 + 2 H2O
O O
Princip: Chemiluminiscence je jev, kdy chemická reakce vede ke vzniku molekul v excitovaném stavu a tyto molekuly poté přecházejí do základního stavu emisí fotonu, dochází k vyzařování elektromagnetického záření ve viditelné oblasti spektra (světlo je „produktem“ reakce); V praxi se používá „chemické světlo“ na bázi chemiluminiscence jako nouzový zdroj světla plastové tyčinky obsahující dvě oddělené směsi, které se po rozlomení vnitřní nádobky smísí a „zapnou“ tak tuto „chemickou lampu“, která svítí i několik hodin do vyčerpání reaktantů (záchranáři, hasiči, rybáři, disko party).
Pokus 8 Pozorování fluorescence extraktů přírodních látek 5 min Pomůcky a chemikálie: plastové mikro zkumavky Eppenforf s víčkem (1,5 ml), UV lampa; ethanol, destilovaná voda, kurkuma, mařinka vonná, nakrájená vnitřní část větvičky jírovce maďalu Postup: Přírodní látky vložte do dvou sad plastových mikrozkumavek, přilijte ethanol nebo destilovanou vodu a dobře protřepte. Luminiscenci připravených extraktů pozorujte pod UV lampou v temné části místnosti nebo v UV boxu. Sledujte, zda fluoreskuje vzorek látky více v ethanolu či ve vodě. Princip: fluorescence je jev, kdy látka je působením světla uvedena do exitovaného stavu a poté přechází do stavu základního vyzářením fotonu; emitované záření má vlnovou délku delší než záření použité k excitaci; nejčastěji volíme jako budící světlo UV záření o vlnové délce např. 350 nm – 254 nm. Přírodní vzorky obsahují fluorescenční barviva: kumarin – obsažen v mařince vonné
O
O
aesculin (glykosid s derivátem kumarinu) – obsažen ve dřevě jírovce maďalu (kaštanu)
kurkumin – obsažen v kurkumě, která je součástí indických kořenících směsí „kari“ O H3CO HO
O OCH3 OH
Pokus 9
Ochranné prvky na bankovkách pod UV světlem
Postup: Pod UV lampou sledujeme, jakým způsobem jsou chráněny bankovky proti padělání. Hledáme umístění a tvar fluorescenčních „značek“ na bankovkách.
Pokus 10
Fluorescenční látky v různých výrobcích
Pomůcky: 2 vzorky na Petriho miskách – cukr, prací prášek 2 kousky papíru – kancelářský, filtrační (cca + 10 x 10 cm) 2 laky na nehty – disko tech, bezbarvý lak 3 zvýrazňovače, 1 fix lihový, 1 UV fix, papír Postup: a) pod UV lampou porovnejte bílou barvu cukru a pracího prášku, filtračního a kancelářského papíru. b) nakreslete obrázek každým fixem a pak srovnejte viditelnost a jas barev na denním světle a pod UV světlem c) zjistěte, který lak obsahuje fluorescenční barviva Princip: Do pracích prášků a papíru se přidávají opticky aktivní látky „aby bílá bílá byla“. Do papíru se jako optický zjasňovač používá kyselina 4,4′-diamino-2,2′-stilbenedisulfonová a její deriváty (obchodní označení rylux). Filtrační papír obsahuje pouze čistou buničinu. HO3S
H2N
NH2
SO3H
4,4′-diamino-2,2′-stilbenedisulfonová kyselina Zvýrazňovače (žlutý, zelený, růžový, aj,) a UV fixy obsahují fluorescenční barviva, lihový fix tyto látky neobsahuje. Disco lak na nehty svítí po ozáření UV světlem (obsahuje fluororescenční barviva).
Poznámka: Některé předměty (např. korálky, zvířátka, nalepovací hvězdičky… ) obsahují fosforescenční látky, které svítí po nasvícení světlem o vlnové délce viditelné oblasti spektra. Po „nasvícení“ na denním světlem nebo pod lampou svítí tyto předměty v zatemněné místnosti delší dobu i po zhasnutí budícího světla, vykazují „dosvit“, tzn. fosforeskují. Je to způsobeno tím, že přechod do excitovaného stavu je rychlý, ale z něj se (nezářivými přechody) přesune část energie do jiných hladin excitovaného atomu, které se ale liší spinovým stavem od stavu základního. Spinový zákaz (výběrové pravidlo) způsobí, že návrat do základního stavu probíhá delší dobu než v případě fluorescence, kde jsou oba děje (excitace i relaxace) přibližně stejně rychlé.
