LABORATORNÍ EXPERIMENTY SEMINÁŘ „CHEMIE KOLEM NÁS“, 15. 1. 2014, BRNO
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno
Obsah: Odhalení kuřáka............................................................................................................................................................. 3 Příprava polyvinylalkoholového slizu......................................................................................................................... 4 Modrá baňka .................................................................................................................................................................. 5 Briggs-Rauscherova oscilační reakce .......................................................................................................................... 6 Orange tornado.............................................................................................................................................................. 8 Štěkající plyn ................................................................................................................................................................... 9 Hrnečku vař s vanilkovou kaší aneb Sloní pasta ....................................................................................................10 Elektrolýza roztoku NaCl za použití diafragmy .....................................................................................................11 Stanovení dusičnanů ve vzorku pitné či povrchové vody ....................................................................................13 Stanovení fosforečnanů ve vzorku povrchové vody .............................................................................................14 Stanovení kyselosti vybraných nápojů......................................................................................................................15
2
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Odhalení kuřáka Pomůcky Zkumavka, kádinka 50 ml, kapátko, zátka na zkumavku.
Chemikálie FeCl3 (10% roztok), kyselina chlorovodíková (10% roztok).
Postup
Požádáme osobu asi o 1 ml slin, které v kádince smícháme 1:1 s vodou. Ke zředěným slinám přidáme asi jednu kapku 10% HCl a 1-2 kapky 10% FeCl3. Promícháme a pozorujeme (v případě kuřáka/čky) změnu zbarvení do červené.
Vysvětlení Spalováním tabáku v cigaretách vzniká mj. i kyanovodík (potažmo kyanidy), proto se tělo kuřáka/ačky musí s touto „chronickou otravou“ vyrovnávat metabolickými drahami. Takovou metabolickou drahou je např. přeměna kyanidu na thiokyanatan (rhodanid) enzymem rhodanasou (EC: 2.8.1.1, thiosulfatsulfurtrasferasa), který katalyzuje přeměnu: CN− + S2O32− → SCN− + SO32− Z tohoto důvodu je obsah thiokyanatanů (rhodanidů, SCN−) ve slinách kuřáka/ačky asi 3× vyšší (asi 0,01%) oproti nekuřákovi/ačce (0,003%). Zvýšenou koncentraci lze dokázat ve slinách pomocí železitých iontů, se kterými rhodanidy tvoří krvavě červené, při nižších koncentracích načervenalé, zbarvení: Fe3+ + 3 SCN− → [Fe(SCN)3]
3
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Příprava polyvinylalkoholového slizu Pomůcky Kádinka 150 ml, tyčinka.
Chemikálie Lepidlo Herkules, borax (2,5% roztok).
Postup
V kádince si připravíme roztok 20 ml lepidla Herkules s 20 ml vody. Tuto směs dobře promícháme a poté pomalu přidáváme 2,5% roztok boraxu, dokud hmota nezíská slizovitou konzistenci. Zkoumáme vizuálně i hmatově.
Vysvětlení Tetraboriatanové jednotky boraxu mají dobrou schopnost tvoři síťovitý polymer slizovité konzistence s polyvinylalkoholem, který je obsažený v lepidle Herkules.
4
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Modrá baňka Pomůcky 500 ml varná baňka se zábrusem a zátkou, 2× lahvička s kapátkem, 500 ml odměrný válec.
Chemikálie KOH, glukosa, roztok methylenové modři (0,2 g methylenové modři rozpustit ve 100 ml destilované vody), roztok resazurinu (0,1 g resazurinu rozpustit ve 100 ml destilované vody)
Postup
Do 500 ml baňky nalijeme 300 ml destilované vody a přidáme 8 g KOH. Po jeho rozpuštění přidáme 10 g glukosy. Po jejím rozpuštění přidáme 6-8 kapek roztoku resazurinu. Jakmile se roztok odbarví, přidej 6-8 kapek roztoku methylenové modři. Roztok se ponechá odbarvit. Mírným protřepáním se roztok zabarví do červena. Dalším intenzivním protřepáváním vznikne modře zbarvený roztok. Stáním se barva roztoku mění z modré na fialovou, pak červenou a nakonec se odbarví. Dalším protřepáváním baňky se celý proces znovu opakuje.
Vysvětlení Experiment je založen na různě zbarvených oxidovaných a redukovaných formách výše uvedených organických barviv. Protřepáváním baňky se barviva dostávají do styku se vzduchem a nastává proces oxidace (oxidovaná forma methylenové modři je modrá a resazurinu červená). Stáním roztoku dochází k redukci barviv glukosou (redukovaná forma obou barviv je bezbarvá).
5
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Briggs-Rauscherova oscilační reakce Pomůcky Vysoká kádinka 600 ml nebo více, tři kádinky 150 ml, magnetická míchačka a míchadlo (postačí i tyčinka).
Chemikálie Roztok A (43 g KIO3 se rozpustí v 700 ml vody, přidá se 5 ml konc. H2SO4 a doplní se vodou na objem 1000 ml), roztok B (15,6 g kyseliny malonové a 3,4 g MnSO4 se rozpustí ve 300 ml vody, přidá se 20 ml škrobového mazu a doplní se vodou na objem 1000 ml), roztok C (40 ml koncentrovaného H2O2 se zředí na 100 ml vodou – nutno připravovat čerstvý).
Postup
Ve vysoké kádince, ve které je míchadlo a je na míchačce, smícháme po 100 ml roztoku A a roztoku B. Ke vzniklé směsi přilijeme 100 ml roztoku C a necháme míchat. Dochází k periodickým změnám barev (bezbarvá – oranžová – modrá).
Vysvětlení Podstatou BR oscilační reakce je oxidace peroxidu vodíku jodičnanem na kyslík. Oscilačního efektu je dosaženo spotřebováváním vznikajícího jodnanu, který s kyselinou malonovou poskytuje kyselinu jodmalonovou. Při BR reakci oscilují koncentrace jodidu a jodu v roztoku a mění se také rychlost uvolňování kyslíku. Reakce je katalyzována ionty Mn2+. Celkově můžeme probíhající děj formulovat rovnicí: IO3- + 2 H2O2 + CH2(COOH)2 + H+ → ICH(COOH)2 + 2 O2 + 3 H2O Oscilační efekt nám přiblíží rozdělení celkové rovnice do dvou dějů. Prvním je redukce jodičnanu peroxidem vodíku na jodnan: IO3- + 2 H2O2 + H+ → HIO + 2 O2 + 2 H2O Tento proces může probíhat buď radikálovým nebo neradikálovým mechanismem, které si navzájem konkurují. Průběh reakce je ovlivněn koncentrací jodidu v roztoku, pokud je koncentrace jodidu vysoká, dominantní je neradikálový proces, pokud je koncentrace jodidu nízká, dominuje radikálový proces. Vznikající jodnan je spotřebováván reakcí s kyselinou malonovou: HIO + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + H2O Tato reakce spojuje radikálový a neradikálový proces. Rychlost produkce HIO radikálovým procesem je vyšší, než rychlost jeho spotřebovávání reakcí s kyselinou malonovou. Spotřebovávání jodnanu je ovšem rychlejší než jeho produkce neradikálovým mechanismem. Jodnan vzniklý radikálovým procesem, který se nestihne spotřebovat, je redukován peroxidem vodíku na jodid: HIO + H2O2 → I- + O2 + H+ + H2O Jodid následně vstupuje do neradikálového procesu jako jedna z výchozích látek. Pokud tedy dominuje radikálový proces, v systému vzniká přebytek jodnanu, který je redukován na jodid. Rostoucí koncentrace jodidu startuje neradikálový proces, který jodid spotřebovává. Jeho koncentrace v roztoku klesá, a protože veškerý jodnan produkovaný neradikálovým procesem je ihned spotřebován rychlejší reakcí s kyselinou
6
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno malonovou, koncentrace jodidu klesá až k mezní hodnotě, při které dochází k útlumu neradikálového procesu a startu radikálového procesu. Tím začíná další cyklus oscilační reakce. Barevné změny systému jsou dány střídáním těchto cyklů. Při radikálovém procesu roste koncentrace jodu, čímž systém získává žlutou barvu. Jakmile vzroste koncentrace jodidu, okamžitě vzniká tmavě modrý komplex I2/I- se škrobem. Jod je z roztoku postupně spotřebováván, modré zbarvení tedy po čase zmizí, roztok se odbarví. Koncentrace jodu následně začne opět narůstat a roztok se zbarví do žluta (probíhá další cyklus).
7
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Orange tornado Pomůcky Vysoká kádinka alespoň 400 ml, magnetická míchačka s míchadlem, kapátko nebo pipeta.
Chemikálie Jodid draselný KI 10% roztok, chlorid rtuťnatý HgCl2 5% vodný roztok,
Postup
Při práci je třeba dbát na to, že rtuťnaté sloučeniny jsou jedovaté! V kádince většího objemu začneme na magnetické míchačce míchat 10% KI tak, aby vznikl viditelný velký vír. Do víru pomalu pomocí kapátka kapeme roztok chloridu rtuťnatého. Každá kapka nejdříve vytvoří sraženinu (díky míchání tvaru tornáda), která se však záhy rozpustí v nadbytku jodidu.
Vysvětlení Poměrně selektivní kvalitativní důkaz rtuťnatých iontů je založen na jejich reakci s jodidovými ionty, kdy vzniká v první fázi oranžovočerveně zbarvený jodid rtuťnatý, který se v nadbytku jodidových iontů rozpouští na bezbarvý roztok, jak popisují následující rovnice:
Hg2+ + 2 I− → HgI2
HgI2 + 2 I− → [HgI4]2−
8
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Štěkající plyn Pomůcky Kelímek, špejle, kádinka.
Chemikálie Granule zinku nebo cínu, 20% kyselina chlorovodíková.
Postup Do kádinky nalijeme 20% kyselinu chlorovodíkovou a vhodíme do ní pár zrníček cínu. Kádinku přikryjeme kelímkem s dírou uprostřed. Tu zakryjeme kouskem papíru. Po chvíli papírek odděláme a hořící špejlí zapálíme unikající vodík.
Vysvětlení Vodík, který se tvoří reakcí neušlechtilého kovu s kyselinou lze zapálit. Jeho hoření v uzavřeném prostoru probíhá za současného charakteristického zvukového projevu. Zn/Sn + 2 HCl → H2 + ZnCl2/SnCl2 H2 + ½ O2 → H2O
9
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Hrnečku vař s vanilkovou kaší aneb Sloní pasta Pomůcky: 500 ml Erlemayerova baňka, odměrný válec 100 ml.
Chemikálie 30%-35% H2O2, jar, nasycený roztok KI
Postup
Do Erlenmayerovy baňky nalijte 100 ml 30% H2O2 a 3 ml jaru. Baňku umístíme do výlevky a přilijeme 5 ml nasyceného roztoku KI nebo přisypeme ½ lžičky KI. Baňku zamícháme. Za chvíli se objeví obrovská pěna.
Vysvětlení Peroxid vodíku se rozkládá na kyslík a vodu. Jodid draselný zde slouží jako katalyzátor. Je však možné pozorovat i částečnou oxidaci jodidu draselného na jod. 2 H2O2 → O2 + 2 H2O
10
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Elektrolýza roztoku NaCl za použití diafragmy Pomůcky Keramický květináč, skleněná vana / lavor / miska, ocelová a uhlíková elektroda (a.k.a. hřebík a tuha), zdroj stejnosměrného napětí (školní stabilizovaný zdroj 12 V nebo 9 V baterie), vosk či zátka kompatibilní s otvorem v květináči, vodiče pro vedení proudu, zkumavky, kapátko.
Chemikálie Chlorid sodný NaCl, nasycený roztok, jodid draselný KI 5% vodný roztok, škrobový maz, fenolftalein 1% roztok v EtOH.
Postup
Připravíme si elektrolytické zařízení. Pomocí vosku zalijeme otvor na dně malého květináče a ten ponoříme do krystalizační misky či skleněné vany s nasyceným roztokem chloridu sodného. Na elektrody instalujeme dráty k vedení proudu a elektrody připojíme na zdroj stejnosměrného napětí tak, že uhlíková elektroda bude tvořit kladný pól (anodu) a ocelová záporný (katodu). Elektrody s připojeným napětím umístíme do roztoku dle přiloženého nákresu a elektrolýzu necháme probíhat cca 5 minut. Na obou elektrodách je možné pozorovat únik plynu. Beneš P., Macháčková J.: 200 chemických pokusů, Mladá fronta, Praha 1977 Po skončení elektrolýzy odpojíme elektrody. Z anodického prostoru odebereme kapátkem několik mililitrů roztoku do zkumavky, do které nadále přidáme asi 2 ml roztoku jodidu draselného. Roztok se zabarví mírně dožluta vzniklým jodem, jehož přítomnost lépe prokážeme přidáním kapky škrobového mazu a promícháním. Z katodického prostoru rovněž odebereme pomocí kapátka několik mililitrů roztoku a ve zkumavce do něj kapneme kapku fenolftaleinu. Červenofialové zbarvení je důkazem přítomnosti alkalického hydroxidu vzniklého při elektrolýze.
Vysvětlení Anoda je elektroda, na které probíhá výhradně oxidace (anodická oxidace), její polarita závisí na experimentálním uspořádání. V případě elektrolytického uspořádání má anoda kladný náboj, v případě galvanického článku záporný. Oproti tomu katoda je elektrodou, na které zásadně probíhá redukce (katodická redukce). Její polarita je pak opět závislá na experimentálním uspořádání – záporný náboj nese katoda v elektrolytickém uspřádání, kladný náboj pak v uspořádání pro galvanický článek.
11
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno
Elektrolýza roztoku chloridu sodného probíhá samozřejmě také jako katodická redukce a anodická oxidace. Anodickou oxidací vzniká z chloridových iontů přítomných v roztoku plynný chlor, jak naznačuje poloreakce: 2 Cl− - 2 e− → Cl2
Katodická redukce probíhá poněkud komplikovaněji, ovšem je na místě ji patřičně osvětlit. Oproti elektrolýze taveniny dochází na katodě k uvolňování nikoliv kovového sodíku ale plynného vodíku, protože vodík je z důvodů svého redoxního potenciálu snadněji redukován než sodík. Na katodě tedy probíhá reakce: 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−
Hydroxidové anionty pak poskytují při odpaření se sodnými kationty hydroxid sodný, který se touto metodou vyrábí. Celkovou rovnici elektrolýzy lze tak vystihnout jako:
2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH
Diafragma je membrána, která brání promíchání roztoků z katodového a anodového prostoru, avšak dovoluje vodivé spojení obou prostor tak, aby byl zajištěn průchod elektrického proudu.
Vznikající hydroxid sodný prokážeme v katodovém prostoru fenolftaleinem; chlor v anodovém prostoru pomocí jeho schopnosti oxidovat jodid draselný na jod – ten dokážeme pomocí škrobového mazu:
Cl2 + 2KI → 2 KCl + I2
12
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Stanovení dusičnanů ve vzorku pitné či povrchové vody Úkol Pomocí fotometru PF 12 stanovte množství dusičnanů v pitné vodě.
Princip Stanovení dusičnanů je založeno na fotometrickém proměření vzorku ve viditelném světle. Dusičnany ve vzorku se prvně musí nechat zreagovat s příslušnými reakčními činidly (know-how výrobce fotometru), aby došlo k vybarvení vzorku. Platí, že čím je ve vzorku více dusičnanů, tím dochází k intenzivnějšímu zbarvení a tím k větší absorpci světla, kterou fotometr měří. Tedy s rostoucí koncentrací dusičnanů roste i absorpce světla. Fotometr absorpci světla pomocí vnitřní kalibrace sám přepočítá na koncentraci dusičnanů v mg.l-1.
Pomůcky Fotometr PF 12 s příslušenstvím.
Chemikálie Reagencie: Demineralizovaná voda, sada reagencií pro stanovení dusičnanů pomocí fotometru PF 12. Vzorek: Pitná či povrchová voda.
Postup
Podle obrázkového postupu přiloženého k fotometru PF 12 stanovte množství dusičnanů v pitné vodě v mg.l-1. Dle vyhlášky 252/2004 Sb. je nejvyšší mezní hodnota dusičnanů v pitné vodě 50 mg.l-1. Pro kojeneckou vodu je limit, dle vyhlášky 275/2004 Sb., 10 mg.l-1.
13
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Stanovení fosforečnanů ve vzorku povrchové vody Úkol Pomocí fotometru PF 12 stanovte množství fosforečnanů v povrchové vodě.
Princip Stanovení fosforečnanů je založeno na fotometrickém proměření vzorku ve viditelném světle. Fosforečnany ve vzorku se prvně musí nechat zreagovat s příslušnými reakčními činidly (know-how výrobce fotometru), aby došlo k vybarvení vzorku. Platí, že čím je ve vzorku více fosforečnanů, tím dochází k intenzivnějšímu zbarvení a tím k větší absorpci světla, kterou fotometr měří. Tedy s rostoucí koncentrací fosforečnanů roste i absorpce světla. Fotometr absorpci světla pomocí vnitřní kalibrace sám přepočítá na koncentraci fosforečnanů v mg.l-1.
Pomůcky Fotometr PF 12 s příslušenstvím.
Chemikálie Reagencie: Demineralizovaná voda, sada reagencií pro stanovení fosforečnanů pomocí fotometru PF 12. Vzorek: Povrchová voda.
Postup Podle obrázkového postupu přiloženého k fotometru PF 12 stanovte množství fosforečnanů v povrchové vodě v mg.l-1.
14
Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65, Vranovská 65, 614 00 Brno Stanovení kyselosti vybraných nápojů Pomůcky: Kádinka 150 ml (7x) nebo příslušný počet plastových kelímků, pH-metr.
Chemikálie a materiál Pivo, Coca-cola, Kofola, ocet, voda, ovocný džus, slazená minerální voda
Postup
Do plastových kelímků si odlijeme asi 50 – 100 ml zkoumaného nápoje. Změříme pH těchto vzorků pomocí pH-metru a porovnáme jednotlivé hodnoty. Diskutujeme trendy v kyselosti nápojů.
Vysvětlení Jednotlivé nápoje a potravinářské výrobky se liší mírou koncentrace oxoniových iontů. Ta je způsobena různými zdroji kyselin v těchto nápojích: > > > > > > >
ocet – kyselina octová Coca-cola – kyselina fosforečná a citronová Kofola – kyselina citronová ovocný džus – ovocné kyseliny a zejm. kyselina citronová slazená minerální voda – kyselina citronová, v případě její nepřítomnosti rozpuštěný CO2 voda – rozpuštěný CO2 pivo – rozpuštěný CO2 a další látky.
15
