Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
KATEGORIE D Autoř i:
PhDr. JiříŠkoda, Ph.D. Pedagogická fakulta UJEP v Ú stí nad Labem, katedra chemie PaedDr. Pavel Doulík, Ph.D. Pedagogická fakulta UJEP v Ú stí nad Labem, katedra chemie
Recenze:
RNDr. Aleš Mareč ek, CSc. Přírodovědecká fakulta MU v Brně Mgr. Miloslav Straka Zá kladní š kola Žď á r nad Sá zavou, Palachova 35
Vá ženípřá telé a příznivci chemie, letoš ní kolo chemické olympiá dy kategorie D je poněkud netradič ní. Není zaměřeno na konkrétní lá tku nebo skupinu lá tek, ale zabývá se chemií v běžném každodenním životě. V prů běhu řeš ení chemické olympiá dy se setká te s úlohami inspirovanými reklamou, teleshoppingem, běžnými výrobky, potravinovými doplňky atd. Ú lohy š kolního kola budou od vá s vyžadovat i urč itou „prá ci v terénu“, při které budete muset navš tívit například obchody a benzinové pumpy. Ú lohy jsou koncipová ny tak, že hlavním informač ním zdrojem pro vá s bude internet, požá dejte tedy svého vyuč ujícího, aby vá m zajistil k internetu přístup. Zbývá už jen samozřejmost – vá š bystrý mozek. Př ehled požadovaných znalostí a dovedností: • Řeš ení a vyč íslová ní chemických rovnic – neutralizace, reakce kyselinotvorných oxidů se zá sadami, reakce zá sadotvorných oxidů s kyselinami, reakce vyplývající z řady napětí kovů , jednoduché redoxní děje. • Zá kladních chemické výpoč ty – molá rní hmotnost, hmotnostní zlomek, molá rní koncentrace, hmotnostní koncentrace (g dm–3, mg dm–3) • Zá kladní chemické a fyziká lní velič iny: lá tkové množství, molá rní koncentrace, hmotnost, objem, hustota, teplota, molá rní hmotnost, standardní molá rní objem. • Způ soby vyjadřová ní jednotek (g/mol, g mol–1) a jejich převodů a dovednost je používat. • Chemické vzorce kyselin, hydroxidů , oxidů , solí. • Ná zvosloví – kyseliny, hydroxidy, oxidy, soli. • Zá kladníorganické lá tky a jejich reakce Doporučená literatura: 1. P. Beneš : Zá klady chemie 1, Fortuna Praha, 1993 2. P. Beneš : Zá klady chemie 2, Fortuna Praha, 1993 3. T. Šramko: Chemie pro 7. roč ník ZŠ, SPN Praha, 1990 4. J. Vacík: Přehled středoš kolské chemie, SPN Praha, 1995 5. přísluš né webové strá nky a internetové odkazy
10
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
TEORETICKÁ Č Á ST (70 bodů) Kontrolní úlohy studijní č á sti školního kola
Ú loha 1 Minerálnívoda, kterou mů žete pí t denně !
15 bodů
Jak ná m říká reklama: „Korunní je minerá lní voda, kterou mů žeme pít denně.“ Abychom tedy tuš ili, co ná m výrobci této vody vů bec nabízejí, podívejme se této minerá lce trochu „na zoubek“. Prvním vaš im úkolem bude zjistit iontové složení této vody (přírodní minerá lní vodu Korunní – jemně perlivá , tedy ne ochucená ) – vypiš te vš echny kationty a anionty, které jsou v této minerá lní vodě obsažené a zá roveň si u každého z nich poznamenejte koncentraci, kterou udá vá výrobce. Jelikož se jedná o minerá lní vodu, pokuste se sestavit vzorce vš ech možných solí, které mohou být v minerá lní vodě obsaženy, vá mi vytvořené vzorce pojmenujte. Nyní si představte horký letní den, ve kterém jste vypili 3,5 litru této minerá lní vody. Vypoč ítejte, jakou hmotnost jednotlivých iontů jste tímto do sebe vpravili. Jak se bude toto množství liš it, pokud budete minerá lku pít na Silvestra a vypijete jí jen pů l lahve, tedy 0,75 litru. Zkuste se zamyslet, co se s danými ionty mů že v organismu dít – jakými cestami se bude organismus přebyteč ných iontů zbavovat v létě a jakými v zimě? A na konec – která z vá mi zjiš těných slouč enin v minerá lní vodě způ sobuje zejména přechodnou tvrdost vody a která trvalou (vždy uveď te jednu nejvýznamnějš í)? Pozná mka: Pokud minerá lní vodu Korunní ve své m okolí neseženete, můžete pracovat s jinou dostupnou minerá lní vodou, např . Mattoni. Věř te, že i tu můžete pít denně.
Ú loha 2 Voň avá chemie
13 bodů
Televizní reklamy zahlcují zejména dá my neustá vající nabídkou kosmetiky, mezi kterou mají stá le své místo tradič ní výrobky, jakými jsou například i mýdla. Nejedná se vš ak o problematiku blízkou jen žená m, i muži jsou č asto nuceni kupovat rů zné dá rky, a tak musí být v dané problematice zběhlí. Takže v této úloze se zaměříme na mýdla. Prvním vaš im úkolem bude vypsat chemické složení (uvedeno je vždy na obalu) alespoň 3 mýdel rů zných znač ek a výrobců , které se běžně prodá vají v obchodech. U vypsaných chemických lá tek zjistěte jejich chemické vzorce a označ te ty, které jsou mýdlů m společ né. Výroba mýdel má v životě č lověka dlouhou tradici, proto vaš im dalš ím úkolem bude zjistit, v č em taková výroba mýdla spoč ívá . Vypiš te, jaké suroviny slouží k výrobě mýdla (zá kladní proces
11
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
společ ný každé výrobě mýdla zachyťte chemickou rovnicí). Pokuste se navrhnout způ sob, kterým byste si mohli vyrobit „levné mýdlo“doma. Reklamy se snaží také č asto na obyč ejného č lověka zapů sobit hodnotami pH, kterých mohou rů zná mýdla dosahovat. Z mýdel, u nichž jste zkoumali jejich chemické složení, si vytvořte jejich roztok (přibližně ká vovou lžič ku mýdla rozpusťte asi ve 100 ml vody) a pomocí univerzá lních indiká torových papírků změřte hodnotu pH. Pokuste se vysvětlit odliš nosti v naměřených hodnotá ch. Poslední věci, které si u mýdel vš imneme, je vliv tzv. tvrdé vody na jejich mycí úč inky. Ná m jako tvrdá voda poslouží minerá lka (samozřejmě neochucená ) – má totiž podobné vlastnosti. Nyní si udělejte dva roztoky mýdla – jeden ve vodě z vodovodu, druhý v minerá lní vodě a zkuste si v nich umýt ruce. Na zá kladě svých pozorová ní odpovězte na ná sledující otá zky: 1. V č em se liš ítvrdá voda od vody z vodovodu? 2. Jak se chová mýdlo v tvrdé vodě? 3. Jsou v níjeho mycí schopnosti lepš í č i horš í? 4. Vysvětlete, proč se v tvrdé vodě mění mycí schopnosti mýdla.
Ú loha 1 „Přezdí vky“ chemických sloučenin
12 bodů
Stejně tak jako lidé, mají i chemické slouč eniny svá jména. Jenže s pouhými jmény se v životě obvykle nevystač í a každý z vá s má jistě i nějakou tu přezdívku, kterou vá s oslovují rodič e, sourozenci nebo kamará di. Podobně jsou na tom i chemické lá tky. Jejich „přezdívká m“ se říká triviá lní ná zvy a větš inou mají historický pů vod. Dů vod používá ní triviá lních ná zvů je také ryze praktický.
Uznejte
sami,
že
slovo
„magneson“
se
pamatuje
urč itě
lépe
než
p-nitrobenzenazoresorcin. A na triviá lní ná zvy chemických lá tek bude zaměřena i tato úloha. Má te před sebou doplňovač ku a vaš ím cílem je zjistit tajenku. Ta obsahuje ná zev jedné velmi významné chemické slouč eniny, se kterou se běžně setká vá te. Až vyluš títe ná zev této slouč eniny, zjistěte o ní zá kladní informace – její vzorec, vlastnosti, výrobu a zejména její praktické využití (s konkrétními produkty). (Mů žete samozřejmě použít rů zné zdroje informací, např. internet, Slovníč ek triviá lních ná zvů od K. Č eš ky apod. Fantazii meze rozhodně neklademe.)
12
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
1.
Chemická bojová lá tka na bá zi rů zných hořlavých směsí, kterou využívali vojá ci USA ve vietnamské vá lce. Způ sobuje silné popá lení zasaženého organismu. Podstatou pů sobení této lá tky je vysoká teplota hoření a ulpívá ní na zasaženém místě.
2.
Velmi nebezpeč ný a jedovatý plyn, který se chemicky nazývá dichlorid kyseliny uhlič ité. Na podzim ho mů žeš cítit tam, kde tlí spadané listí.
3.
Mineralogický ná zev významné slouč eniny hliníku s chemickým ná zvem hexafluorohlinitan trisodný – tato lá tka se používá zejména při výrobě hliníku.
4.
Vá leč ný bojovný plyn, který byl hojně používá n vedle chloru za 1. světové vá lky. Nese svů j ná zev podle bitvy u Ypres.
5.
Alchymistický ná zev pro kyselinu sírovou, který se ješ tě dnes používá jako slangové označ ení v prů myslu.
6.
Dalš í z bojových plynů , spolu se somanem a tabunem patří mezi ty modernějš í. V 90. letech 20. stoletího použila japonská sekta k útoku v tokijském metru.
7.
Velmi dů ležitá plastická hmota, pro jejíž výrobu slouží jako jedna z výchozích surovin cyklohexanon. Lá tka se prodá vá pod komerč ním ná zvem Silon a využívá se např. na výrobu punč och, vlasců atd.
8.
Mineralogický ná zev disulfidu železnatého, tedy lá tky, která mů že sloužit jako surovina pro výrobu kyseliny sírové.
9.
Alchymistický ná zev dodekahydrá tu síranu draselno-hlinitého, který dal latinský ná zev hliníku. V překladu znamená hořký ká men.
10. Mineralogický ná zev pro pentahydrá t síranu mědnatého. Tato lá tka je charakteristická svou barvou a jako jedna z má la chemiká lií, přestože je jedovatá , se dá v č isté podobě zakoupit v obchodech. 11. Triviá lní ná zev významné organické slouč eniny se systematickým ná zvem trichlormethan, která se používala k narkózá m. 12. Triviá lníná zev uhlič itanu draselného – lá tky používané při výrobě skla a papíru. 13. Triviá lní ná zev trojsytného alkoholu, který je charakteristický výrazně sladkou chutí a vysokou viskozitou. Jeho systematický ná zev je propan-1,2,3-triol a mimo jiné se používá na výrobu kosmetických přípravků . 14. Triviá lní ná zev hydratovaného oxidu křemič itého, který vzniká postupnou ztrá tou vody z kyseliny tetrahydrogenkřemič ité. Tato prá š kovitá má výborné absorpč ní schopnosti a používá se proto k vysouš ení. 15. Mineralogický ná zev α -modifikace oxidu hlinitého. Odrů dy tohoto velmi tvrdého minerá lu se nazývajírubín a safír a používají se ve š perkařství.
13
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ú loha 4 Automobily a pohonné hmoty
15 bodů
Asi nikdo nepochybuje o tom, že se automobily staly běžnou souč á stí naš eho života. Rozš iřují se v souč asné době č ím dá l tím více a s nimi samozřejmě neodmyslitelně též č erpací stanice. Zde se musí každý řidič č as od č asu zastavit a doplnit pohonné hmoty. Nejč astěji se jedná o benzin č i naftu. Zjistěte, z č eho se tyto dva nejč astějš í typy pohonných hmot vyrá bějí a tento proces popiš te. V případě nafty není situace tak složitá , ale benzinů dnes existuje celá řada druhů . Navš tivte několik č erpadel ve vaš em okolí (minimá lně vš ak 3) a zjistěte, jaké typy benzinů č erpací stanice nabízejí. Zkuste také vytvořit tabulku cen a zjistěte, jaké typy benzinů jsou nejdražš í a které patří mezi ty levnějš í. Cena by měla souviset také s č íslem, které se o typu benzinu uvá dí (např. 95) – zjistěte, jak se toto č íslo nazývá a co vyjadřuje. Je výhodnějš í používat benziny s vyš š ím nebo nižš ím č íslem? V případě nafty (č i dieselu) se také její kvalita vyjadřuje č íslem – i zde zjistěte jeho ná zev. Dříve se velmi č asto v Č eské republice prodá valy dva typy benzinů – Super 96 a Special 91 – oba byly ve své pů vodní podobě zaká zá ny, neboť poš kozují výrazně životní prostředí. Zjistěte, jaký těžký prvek tyto benziny obsahovaly a jaké nebezpeč í mohly znamenat pro živý organismus. Dá le zjistěte zá kladní lá tky, které vznikají při spalová ní benzinů č i nafty a uveď te, jak mohou 14
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
poš kozovat životní prostředí. Pro omezení těchto š kodlivých vlivů se dnes užívají rů zné způ soby. Jedním z nich je používá ní tzv. ekologických paliv – napiš te ná zvy alespoň dvou těchto paliv. Druhou možností je montá ž katalyzá torů – napiš te, které lá tky se používají jako katalyzá tory a na jakém principu katalyzá tory v automobilech fungují.
Ú loha 5 Tajemná „É čka“
15 bodů
Č tete si obč as etikety potraviná řských výrobků ? Pokud ano, jistě jste se už setkali s podobným textem, jaký je uveden na etiketě limoná dy, která o sobě sebevědomě tvrdí, že je „divoká malina“. Na etiketě je napsá no, že výrobek obsahuje pitnou vodu, cukr, aroma, E 330, E 133, E 122, E 202, E 211. Možná vá s při č etbě etikety leckdy napadne, jakou že „chemii“ to vů bec jíme a pijeme? Pitná voda i cukr jsou lá tky, které jsou vá m jistě zná mé, ale co jsou ta tajemná „Éč ka“, která nahá ní hrů zu každému milovníkovi stoprocentně přírodních a ekologických produktů ? Tato tajemná „Éč ka“ se souhrnně nazývají jako př ídatné lá tky (= aditiva). Do potravin č i ná pojů se přidá vají naprosto běžně. Prodlužují trvanlivost potravin, zvýrazňují nebo obnovují barvu potravin, regulují kyselost, zahuš ťují (např. džemy a jogurty) č i dodá vají potraviná m sladkou chuť bez použití řepného cukru (např. u light ná pojů ). Přítomnost aditiv („Éč ek“), které byly v potravině použity, musí být uvedena na obale, a to v sestupném pořadí podle toho, v jakém množství jsou v potravině obsaženy. Přítomnost aditiv se buď označ uje uvedením ná zvu lá tky nebo č íselného kódu E (č íslo). Č íselný kód E je kód, pod kterým je přídatná lá tka označ ová na meziná rodně. Tedy úplně stejně na celém světě. Je jich velké množství – podívejte se, do jakých rů zných kategorií mů žeme aditiva zařadit: antioxidanty, barviva, konzervanty, kyseliny, regulá tory kyselosti, tavicí soli, kypřicí lá tky, ná hradní sladidla, lá tky zvýrazňující chuť nebo aroma, zahuš ťovadla, želírující lá tky, modifikovaný š krob, stabilizá tory, emulgá tory, protispékavé lá tky, odpěňovač e, leš ticí lá tky, lá tky zlepš ující mouku atd. Výč et kategorií není zdaleka úplný. I v tak běžné potravině, jako je chleba, mů žete podle vědců nalézt až 20 přídatných lá tek. Existují vš ak rovněž potraviny, které žá dná aditiva obsahovat nesmí. Je to med, neemulgované tuky a oleje, má slo, mléko, neochucená smetana, neochucené kysané mléč né výrobky, minerá lní vody, ká va, nearomatizovaný č aj, cukr, těstoviny a neochucené podmá slí. Budete se možná divit, ale celou řadu aditiv zná te a umíte napsat jejich chemický vzorec. Bude proto pro vá s jistě snadné doplnit chybějící údaje v ná sledující tabulce. Při vypracová ní této úlohy používejte internet, kde se problematice aditiv věnuje celá řada webových strá nek. (Do internetového vyhledá vač e, např. Google, zadejte heslo „éč ka“nebo „aditiva“). Doporuč ujeme vá m např. strá nku: http://www.stripky.cz/nemoci/vyziva/aditiva.html. 15
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
Aditivum E
Název
Chemický vzorec
E 170
COOH
benzoan sodný Na2SO3 E 236 octan sodný E 422 (NH4)2CO3 kyselina stearová E 941 Teď už pro vá s jistě nebude problém urč it, jaká aditiva obsahovala limoná da s divokou malinou (stač íuvést ná zvy aditiv): E 330: E 133: E 122: E 202: E 211 Snad pro vá s tedy nebude překvapením, že naš e limoná da nemá s malinou, natož pak s divokou, vů bec nic společ ného… A na zá věr této úlohy ná m dovolte ocitovat, co napsal o „Éč ká ch“ č asopis Týden v č . 23 z roku 2003: „Kdyby platilo rč ení o tom, že se zesnulý v hrobě obrací, pak by se Magdalena Dobromila Rettigová musela při pohledu do prů myslových kuchyní v místě posledního odpoč inku toč it jako kafemlejnek. Těžko by totiž v receptu na domá cí š unku hospodyňká m vzká zala: "Vezmi maso z vepře, vodu, vraž do toho konzervant E 250, stabilizá tor E 450 a E 451, zahuš ťovadlo E 407, krevní bílkoviny!" Tehdy kuchařky nic takového nepotřebovaly. K přípravě š unky jim stač ilo maso, sů l a koření. Velkokapacitní kuchaři moderní doby se bez chemie zřejmě neobejdou.“
16
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
PRAKTICKÁ Č Á ST (30 bodů) Č asová ná roč nost: 60 minut
Při prová dění chemických pokusů a při prá ci s chemickými lá tkami využívá me větš inu svých smyslů . Urč itou výjimkou je snad pouze chuť. Chemické lá tky nikdy neochutná vá me, protože řada z nich jsou lá tky jedovaté a mohou poš kodit lidské zdraví nebo dokonce ohrozit život. Přesto se v některých případech bez chuti neobejdeme ani v chemii. Vš imli jste si například, že když maminka vaří oběd, tak jídlo během přípravy ochutná vá ? A „vaření je jen vyš š í forma chemie“, jak kdysi řekl Pierre Curie, manžel Marie Curie-Sklodowské, objevitelky radia a polonia a nositelky dvou Nobelových cen, za fyziku a za chemii. Bez chuti se neobejdou ani sommeliéři, což jsou lidé, kteří chutí urč ují vlastnosti a druhy vín. Ani v tomto případě ješ tě nedoká zal lidskou chuť nahradit žá dný přístroj. A s chutí budete pracovat i v praktické č á sti chemické olympiá dy.
Ú loha 1 Určujeme sladivost rů zných sladidel
15 bodů
V této úloze porovná me sladivost tří rů zných sacharidů a jednoho umělého sladidla. Vaš ím úkolem bude seřadit jednotlivé vzorky podle jejich sladivosti od nejsladš ího po nejméně sladký. Chemiká lie: roztok glukózy (w = 0,02), roztok fruktosy (w = 0,02), roztok sacharosy (w = 0,02), roztok umělého sladidla obsahující sacharin (0,02), převařená voda Pomůcky: 5 plastových kelímků nebo malých ká dinek, kapá tko Postup: 1. Ve č tyřech označ ených kelímcích má te vždy 50 ml roztoku glukózy, fruktózy, sacharózy a umělého sladidla obsahujícího sacharin. Ve zbývajícím pá tém kelímku je asi 100 ml obyč ejné převařené vody. 2. Pomocí kapá tka nakapejte na š pič ku svého jazyka vždy několik kapek roztoků z jednotlivých kelímků . Po každé „ochutná vce“je vhodné si vyplá chnout ústa několika loky převařené vody a rovněž vyplá chnout kapá tko, aby se chuť jednoho vzorku nemísila s chutí dalš ího vzorku. 3. Porovná vejte postupně sladkost jednotlivých roztoků a urč ete pořadí roztoků podle jejich sladkosti, resp. sladivosti. Pořadí vyplňte do připravené tabulky. Nejsladš í roztok označ te č íslem „1“, nejméně sladký č íslem „4“.
17
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
Vzorek
Sladivost
roztok glukózy roztok fruktózy roztok sacharózy roztok umělého sladidla 4. Roztoky z kelímků nevylévejte, budete je potřebovat pro dalš í úlohu.
Ú loha 2 Zkoumáme med
15 bodů
V předchozí úloze jsme poznali některá z běžně používaných sladidel, se kterými se mů žete setkat v celé řadě potravin a ná pojů . Dříve byl vš ak nejpoužívanějš ím sladidlem med, který se dodnes velmi č asto používá a přidá vá se např. do perníku. Cílem této úlohy bude zjistit, která sladidla vlastně med obsahuje. Chemiká lie: roztoky sladidel z předchozí úlohy, 5% roztok modré skalice v zá sobní lá hvi, 10% roztok hydroxidu sodného v zá sobní lá hvi, med, voda Pomůcky: sada 5 označ ených zkumavek (č ísly 1 – 5), stojan na zkumavky, 1× ká dinka cca 150 ml, 1× ká dinka cca 100 ml, 1× ká dinka cca 500 ml, skleněná tyč inka, odměrný vá lec 20 ml nebo odměrná zkumavka, trojnožka, síťka , kahan Postup: 1. Do 150 ml ká dinky nalijte ze zá sobní lá hve přibližně 20 ml roztoku modré skalice. 2. Za stá lého míchá ní skleněnou tyč inkou přilévejte k roztoku modré skalice v ká dince roztok hydroxidu sodného ze zásobní lá hve. Nejprve vzniká světle modrá sraženina. Roztok hydroxidu sodného přilévejte tak dlouho, dokud se sraženina nerozpustí a nevznikne tmavě modrý roztok. Skleněnou tyč inku oplá chněte vodou. 3. Do 100 ml ká dinky vpravte trochu medu (asi 1 lžič ku) a přilijte 50 ml vody. Med ve vodě rozmíchejte pomocí skleněné tyč inky. 4. Do každé zkumavky odměřte odměrným vá lcem nebo odměrnou zkumavkou 5 ml ná sledujících roztoků :
18
Š kolníkolo ChO kat. D 2004/2005
Zkumavka:
Roztoky:
zkumavka č . 1
roztok glukózy
zkumavka č . 2
roztok fruktózy
zkumavka č . 3
roztok sacharózy
zkumavka č . 4
roztok umělého sladidla
zkumavka č . 5
roztok medu
5. Dá le do každé zkumavky odměřte 5 ml tmavě modrého roztoku vzniklého smíchá ním roztoku modré skalice s roztokem hydroxidu sodného (bod č . 2 postupu). 6. Vš ech 5 zkumavek postavte do větš í ká dinky a nalijte do ká dinky vodu zhruba do výš e hladiny roztoků ve zkumavká ch. 7. Ká dinku s vodou a zkumavkami postavte na síťku a trojnožku a kahanem zahřívejte. 8. Pozorujte změny, ke kterým dochá zí v prů běhu zahřívá ní v jednotlivých zkumavká ch. Změny popiš te do ná sledující tabulky:
Zkumavka:
Pozorovaná změ na:
zkumavka č . 1 zkumavka č . 2 zkumavka č . 3 zkumavka č . 4 zkumavka č . 5
Ú koly: 1. Které ze sladidel mohou být podle výsledků pokusů obsaženy v medu? 2. Jak se nazývá proces, kterým vznikají sacharidy (zejména glukóza) v přírodě v rostliná ch? 3. Napiš te chemickou rovnici reakce vzniku glukózy v rostliná ch. 4. Molekuly sacharidů mohou vytvá řet i řetězce a tvořit tak polysacharidy. Vyjmenujte alespoň tři polysacharidy. 5. Jak se nazývá hormon, který v lidském organismu zvyš uje hladinu glukózy v krvi? Kde se tento hormon tvoří? 6. Jak se nazývá choroba projevující se příliš vysokou hladinou glukózy v krvi?
19
