Pokusy v učebnách
Praktické pokusy v učebnách
Fyzika Chemie Biologie
Vážení pomáhá pochopit zákony přírody
Předmluva
Předmluva 3 Historie 8 Fyzika Výpočet hustoty pevných těles z měření objemu a hmotnosti Hustota pevných těles (vztlaková metoda) Závislost hustoty vody na teplotě Hustota vzduchu Hustota plynů Vztlak plynů Hustota kapalin Síla a protisíla Vychylovací síla Síla odporu ve vzdušném proudění Síly působící na profil křídla Závislost síly magnetického pole cívky na intenzitě proudu Měkké železo v magnetickém poli
6 7 9 11 12 13 15 16 17 20 22 25 26
Chemie Kolik hydrogenuhličitanu sodného obsahuje šumivá tableta? Stanovení obsahu tuku v sóji a ořechových plodech Stanovení obsahu křídy ve vzorcích kamenů a půdy Stanovení obsahu vody při krystalizaci solí Termolýza solí Syntéza síranu měďnatého Stanovení molární hmotnosti zkapalněného plynu Rychlost odpařování Homogenní katalýza: rozklad H2O2
28 29 30 31 33 35 37 39 41
Biologie Transpirace rostlin Absorpce vodní páry lišejníkem Absorpce a ztráta vody v mechorostech Obsah vody a popílku v různých orgánech rostlin O lihovém kvašení
45 47 48 49 51
1
2
Předmluva
Deskriptivní pokusy v učebnách a nezávislé experimenty v praktických kurzech: to je pro přírodní vědy podstata teoretického studia přírodních zákonů. Koncepci prokázanou na pokusu není jen snazší převést na abstraktní vzorce, ale je pro studenty i snáze zapamatovatelná. S pomocí elektronické váhy můžete působivě předvádět význam fyzikálních, chemických a biologických zákonitostí, vzorců a jevů. Při konstrukci našich vah jsme se zaměřili především na snadné nastavení pokusů s využitím jednoduchých zdrojů. Kromě toho jsme každý pokus několikrát sami vyzkoušeli. Jednoduché ovládání elektronické váhy vyžaduje v průběhu pokusu pouze minimum pozornosti, takže se můžete plně soustředit na výklad. Zbývá nám jen popřát mnoho úspěchů a radosti z práce. METTLER TOLEDO, s. r. o. Třebohostická 2283/2 100 00 Praha 10
3
Historie
Metrologie aneb umění měřit
Přesné měřicí přístroje představují nejen základ vědeckého výzkumu, ale hrají nezastupitelnou roli i v našich každodenních životech. Setkáváme se s nimi takřka na každém kroku. Lidé, kteří přesně měří délku, čas a hmotnost, jsou důvěryhodní. Lidé, kterým je dovoleno určovat míru a hmotnost, jsou mocní. Zatímco časové a délkové míry bylo možno odvozovat biologicky nebo fyzicky, zavádění jednotek hmotnosti bývalo nesystematické. Státy, knížectví i města měla často své vlastní jednotky, které si uchovala až do moderních dějin. Teprve v roce 1875 se konala konala Mezinárodní metrická konvence, kterou již v současnosti podepsalo více než 50 zemí a která umožnila standardizaci soustavy vah a měr. Naše základní jednotka 1 kilogramu odpovídá hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu. Prototyp kilogramu je uložen v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve městě Sèvres v blízkosti Paříže, kde spočívá v extrémně přísně kontrolovaných klimatických podmínkách. Jedná se o válec s výškou 39 mm a průměrem 39 mm, který je vyroben ze slitiny obsahující 90 % platiny a 10 % iridia. Tato slitina umožňuje zajištění stabilní hmotnosti. Národní etalony se v pravidelném intervalu 25 let porovnávají s prototypem kilogramu. Porovnávání není častější, aby nedocházelo k zbytečnému opotřebení prototypu. Váhy ve své historii ušly velmi dlouhou cestu. Zbytky nejstarší známé váhy byly objeveny v prehistorickém egyptském hrobě: nález je datován přibližně do doby 5000 let před naším letopočtem. Jednotlivá kamenná závaží jsou známa dokonce i z dob ještě dřívějších. Na základě vědeckých poznatků lze předpokládat, že člověk používá vážení již více než 7000 let.
Kulturní historie
Nejznámější typ váhy je rovnoramenná váha. Vážený vzorek se na ní jednoduše porovnává pomocí běžných závaží 1:1. Na historických kresbách však lze najít i jednoduché váhy s jednou pákou a nerovnoramenné váhy s různým převodním poměrem. Dalšími důležitými typy vah jsou silniční váhy, dobře známé poštovní váhy nebo pružinové váhy, které na stupnici zobrazují tíhovou sílu, která závisí na gravitaci. Váha pro lidstvo představuje nejen nejběžnější a různorodý měřicí přístroj, ale od nepaměti i symbol rovnosti a spravedlivého rozhodování. Váha tedy zaujímá v rukou bohyně Justicie stejnou pozici jako meč coby symboly nezávislého a spravedlivého rozhodování.
4
Dalším zajímavým symbolickým využitím váhy je posmrtné vážení duší ve starém Egyptě a Řecku. Staroegyptské posmrtné schránky a svitky obsahují mnoho vyobrazení vážení duší, které bylo symbolem posmrtného soudu. Na základě výsledku byla duše, kterou na váze představovala malá loďka, souzeného předána buď bohu zatracení, který duši zničil, nebo bohu světla k věčnému životu. Na druhé misce vah se nachází pírko, které symbolizuje pravdu (hieroglyf pera znamená „pravda“).
Obdobné vyobrazení je vlastní i křesťanství, které znázorňuje Svatého Michaela coby spravedlivého obhájce v posledním soudu.
Lidová rčení
Že něco lehkého, či dokonce nehmotného může mít velkou váhu, je patrné například ze slovního spojení „těžké rozhodnutí“. Nesprávné slovo však může mít závažné důsledky, ale na to, abychom neztratili smysl pro rovnováhu, dohlíží dobří přátelé, kterým jsou misky vah nakloněny. Takový přítel nám může dát i dobrou radu, například dvakrát měř a jednou řež. Lidé, kteří váží každé slovo, jsou často považování za moudré, avšak mnozí z nich jednají často pedanticky a není snadné s nimi vycházet.
5
Fyzika
Hustota pevných látek na základě měření objemu a hmotnosti Cíle výuky Zadání
Materiál
Postup
Vyhodnocení
Tento pokus ilustruje koncept hmotnosti a hustoty a současně slouží i coby úvod do technik vážení. Výpočet objemu z rozměrů těles pravidelných tvarů. Hmotnost je stanovena vážením. Hustota se vypočítává z objemu a hmotnosti. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Kvádrová, kulová, kónická nebo válcová tělesa (neporézní) Délková měřidla, posuvná měřítka, třmenové mikrometry Každý student obdrží vzorek, u kterého stanoví rozměry a vypočítá jeho objem. Poté vzorek zváží (pod dohledem učitele) a následně vyhodnotí výsledky. Hustota je kvocientem hmotnosti a objemu m V
ρ = jednotky: g/cm3, kg/m3
U školních pokusů lze jednotlivé vzorky od všech studentů vyhodnocovat postupně (nebo ve skupinách po 2 studentech). Závěry
Poznámka
6
Relativní nejistota výsledku by měla být odhadnuta na základě výpočtu nejistoty: – Zanedbatelné nejistoty vážení – Přesnost geometrického tvaru? – Relativní nejistota měření délky? – Relativní nejistota vážení? – Váha zobrazuje přesnou hmotnost vzorku pouze v případě, jestliže hustota vzorku činí 8 000 kg/m3. Při stanovování těles s menší hustotou (např. polystyrenová pěna) je třeba použít vzorec ke korekci vztlaku. V opačném případě vzniká relativní chyba. – U tenkých drátů nebo plátů známé hustoty lze vážení použít k výpočtu jejich tloušťky (měděný drát, hliníková fólie). – Ze známé hustoty válcových nebo kulových těles lze vypočítat hodnotu π.
Hustota pevných látek (vztlaková metoda) Cíle výuky Zadání
Materiál
Uspořádání na počátku pokusu
Tento pokus slouží coby názorná ukázka vztahu mezi hmotností, vztlakem a hustotou těles. Stanovení objemu pevných těles nepravidelných tvarů ze vztlaku a hmotnosti stanovené vážením. Tyto dvě veličiny se používají k výpočtu střední hustoty tělesa. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), alternativně sada METTLER TOLEDO pro stanovení hustoty Kádinka s vodou Stojan s kroužkem a ramenem Tenký motouz Košík s velkými oky z tenkého drátu Pinzeta Těleso libovolného tvaru (např. šroub, klíč, mince) Prázdný košík zavěšený na motouzu je ponořen do vody, aniž by se dotýkal stěny kádinky.
Motouz
Drátěný košík
Stojan
Postup
Vyhodnocení
Váha je vytárována. Těleso se umístí na vážicí misku vedle kádinky a je stanovena jeho hmotnost m. Poté se těleso pomocí pinzety umístí do košíku. Nesmí dojít ke ztrátám vody vystříknutím, ani ulpěním na pinzetě. Z blízkosti košíku a tělesa je třeba odstranit vzduchové bubliny. Na těleso působí vztlaková síla FL směrem vzhůru a samotné těleso působí na vodu silou F stejné velikosti směrem dolů. Váha zobrazuje hodnotu a FL = . g Dle Archimédova zákona
FA = Vtělesa · ρkapaliny · g = . g ρkapaliny =
Vtělesa
ρtělesa = ρkapaliny . Příklad:
=
. ρtělesa
m tělesa m tělesa
Matice kola osobního vozidla Teplota vody 20 °C Hmotnost matice m= Vztlak =
ρ = 1,00 g/cm3 .
52,74 g
52,74 g 6,74 g
= 7,83 g/cm3
6,74 g 7
Fyzika
Závěry
Při teplotě 20 °C je hustota vody o 0,2 % menší než 1 g/cm3. I bez zohlednění závislosti hustoty na teplotě lze objem a střední hustotu i malých mincí stanovit s nejistotou nižší než 1 %. U zlatých a stříbrných mincí lze standard vypočítat, je-li známa (střední) hustota materiálu slitiny. Platí:
mince zlato, stříbro zbytky
Hmotnost
Objem
(Střední hustota)
m mx mR
V Vx
ρ ρx ρR
m = mx + mR V · ρ = Vx · ρx + (V – Vx) · ρR Vx V
8
=
ρ – ρR ρx – ρR
nebo mx / m = …
Závislost hustoty vody na teplotě Hustota vody se mění s teplotou. Nejvyšší hustoty dosahuje při teplotě 4 °C
Cíle výuky Zadání
(anomálie vody). Hustota vody se v teplotním rozsahu 0–50 °C stanovuje pomocí specifického pyknometru a váhy. Výsledky pokusu by měly být vyjádřeny graficky.
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Specifický pyknometr s objemem 50 ml nebo 100 ml, pokud možno z křemenného skla, a teploměrem vybaveným kuželovou spojkou Kádinka s objemem 1000 ml Pokud možno teploměr se stupnicí 0–50 °C a dílkováním po 1/10 nebo 1/5 stupně Topná deska Polystyrenová destička coby tepelná izolace Ručník Kostky ledu
Postup
Na vážicí misku se umístí polystyrenová destička coby tepelná izolace. Přesvědčte se, zda destička nezakrývá váhový můstek, kde by mohla být příčinou elektrostatického rušení. Váha se vytáruje prázdným specifickým pyknometrem. Poté se specifický pyknometr naplní ponořením do kádinky obsahující ledovou vodu a zarážka (nebo teploměr s kuželovou spojkou) se ponoří pod vodu. Změří se teplota vody ϑ. Následně se pyknometr vyjme z vody, osuší a umístí na váhu. Zaznamená se hmotnost vody m. Zbylý led se poté vyjme z vody, která se šetrně zahřeje. V rozmezí 0–10 °C se měření ϑ a m provádí nejdříve přibližně po každých dvou stupních a poté v intervalech přibližně 10 stupňů. Obsah specifického pyknometru se po dokončení každého měření přelije zpět do kádinky a voda se důkladně promíchá.
Vyhodnocení
V případě specifického pyknometru z jenského skla (součinitel délkové roztažnosti α = 3,2 · 10–6/K) kalibrovaného na objem 50 cm3 při 20 °C by měly být výsledkem pokusu tyto hodnoty:
Bod s nejvyšší hustotou
Teplota ϑ ve °C
Pokles hustoty o1%
0 2 4 6 8 10 20 30 40 50
Hmotnost mvg
Hustota ρ v g/cm3
49,991 49,996 49,997 49,996 49,992 49,984 49,910 49,783 49,612 49,405
0,99984 0,99994 0,99997 0,99994 0,99985 0,99970 0,99821 0,99565 0,99222 0,98805
9
Fyzika
Závěry
Poznámka
10
Pomocí specifického pyknometru a váhy lze stanovit hustotu široké škály kapalin, například hexanu, etanolu, chloroformu atd. – Dle tabulky se v teplotním intervalu 0–4 °C mění hustota vody o 0,00013 g/cm3, což odpovídá 13 ‰. Ve stejném intervalu se objem jenského skla mění o 0,04 ‰, ale objem křemíkového skla dokonce sedmkrát méně. Není-li specifický pyknometr vyroben z křemíkového skla, doporučuje se započítat korekci objemu. – Je-li specifický pyknometr plněn vodou při teplotě přibližně 2 °C, lze při zahřívání pozorovat pokles hladiny vody v kapiláře zátky. Při obejmutí specifického pyknometru teplou dlaní dochází ke smrštění do několika sekund. – Hustotu vody při 20 °C je třeba měřit s obzvláštní přesností, jelikož se jedná o kalibrační teplotu byret, pipet a odměrných válců. Hustota při této teplotě je přibližně o 2 ‰ nižší než při teplotě 4 °C.
Hustota vzduchu
Cíle výuky Zadání
Materiál
Postup
Vyhodnocení
Hmotnost a hustotu lze měřit dokonce i u vzduchu! Z baňky se vysaje vzduch a jeho hustota se určí z jeho hmotnosti a objemu. Hustota by se měla převádět na standardní teplotu a atmosférický tlak. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Vývěva (vodní čerpadlo) Skleněná baňka s 2 kohouty (objem cca 1 litr) Kbelík s vodou Odměrný válec (objem 1 litr) Teploměr (k měření teploty vody) Teploměr (k měření teploty vzduchu v místnosti) Barometr (nejustovaný na tlak vzduchu u hladiny moře) K usnadnění výpočtů by teplota vody měla být shodná s teplotou vzduchu v místnosti. Suchá baňka naplněná vzduchem se vytáruje na váze. Poté se vzduch z baňky odčerpá a baňka znovu zváží. Zaznamená se hmotnost vzduchu m. Baňka se poté přidrží v kbelíku s vodou, pomalu se otevře kohout a voda se nechá vnikat do baňky, dokud se tlak v baňce nevyrovná s vnějším tlakem. Hladina vody v baňce se v takovém případě nachází ve stejné výšce jako hladina vody v kbelíku. Objem vody V, která vnikla do baňky, se rovná objemu odsátého vzduchu a lze jej stanovit pomocí odměrného válce nebo zvážením. Hustota se stanovuje coby kvocient hmotnosti a objemu ρ=
m
v g/dm3 nebo v kg/m3
V Hmotnost odsátého vzduchu Objem odsátého vzduchu V Teplota okolního vzduchu tudíž Tlak vzduchu Pro hustotu při teplotě okolního vzduchu ρ=
m vg v dm3 θ ve ºC T vK p v milibarech
m
V a pro standardní hustotu m
V
Poznámka
V.
1 013 mbar 273,1 K
.
T
ρo = (hodnota uváděná v literatuře 1,293 kg/m3)
– Je-li k měření objemu použit odměrný válec, nejnižší možná nepřesnost měření činí 1 %. – Korekce atmosférické vlhkosti a obsahu CO2 je obtížná; jejich vliv činí přibližně 1 %.
11
Fyzika
Hustota plynů
Cíle výuky Zadání
Materiál
Tento pokus vysvětluje měření hustoty plynných látek. Hustota plynných látek se stanovuje z jejich objemu a hmotnosti a převádí se na standardní teplotu a tlak. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Kuželovitá baňka (objem cca 1 litr) Odměrný válec (objem cca 1 litr) Nádoba s vodou CO2, He, H2 nebo O2 z válce Teploměr (k měření teploty vzduchu v místnosti) Barometr (nejustovaný na tlak vzduchu u hladiny moře)
Postup
Kónická baňka se táruje naplněná vzduchem. Do baňky se po několik sekund pouští plyn prostřednictvím pryžové hadičky opatřené skleněnou trubičkou, která se dotýká dna baňky. Jakmile se hodnota na displeji váhy ustálí, přívod vzduchu se zastaví a odečte se hmotnost Δm zobrazená na displeji váhy. Kónická baňka se poté naplní vodou a pomocí odměrného válce se stanoví objem V. Objem lze přesněji a pohodlněji stanovit s pomocí váhy, pracujeme-li s hustotou vody 1,00 g/cm3.
Vyhodnocení
Hustota plynu je kvocientem jeho hmotnosti a objemu. Hmotnost plynu nebyla změřena přímo, ale lze ji vypočítat: m plyn = m (baňka s plynem) – m (baňka se vzduchem) + m vzduch = Δm + m vzduch Rozdíl hmotnosti plynu a vzduchu Hmotnost vzduchu (neměřená) Objem kónické baňky Teplota okolního vzduchu
Δm m vzduch V ϑ T p
tudíž Tlak vzduchu
Za pokusných podmínek činí hustota plynu a za standardních podmínek při ρvzduch = 1,293 g/dm3
Poznámka
12
ρo plyn =
vg vg v dm3 ve ºC vK v milibarech
ρplyn = Δm V
·
1 013 mbar p
mplyn V
= ·
Δm + mvzduch V T 273,1 K
– Kónická baňka musí být zcela suchá. – Teplota válců s plynem by měla být shodná s okolní teplotou. – Plyny lehčí než vzduch (např. vodík) lze plnit zespodu do baňky otočené dnem vzhůru.
+
ρo vzduch
Vztlak plynů
Cíle výuky
Zadání
Materiál
Je-li těleso váženo ve vzduchu, velikost vztlakové síly se rovná hmotnosti vytlačeného vzduchu. Stejné pravidlo se vztahuje i na jiné plynné a kapalné látky. Při měření hmotnosti těles s nízkou hustotou je proto třeba do výsledku měření započítat i korekci vztlakové síly. – Stanovení rozdílu mezi vztlakem vzduchu a vodíku při použití baňky s objemem 1 litr naplněné vzduchem. – Stanovení rozdílu mezi vztlakem vzduchu a vodíku při použití baňky s objemem 1 litr naplněné vodíkem. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) 1 baňka s kulatým dnem, objem 1 l, zátka (do poloviny provrtaná) 1 malý kbelík (51) Stojan Vodík nebo oxid uhličitý z válce Kovová trubička ∅ 6 mm s délkou 20 cm, na základně
Nebezpečí výbuchu
Postup
Trubička se vloží do zátky s vývrtem příslušného průměru a umístí se na váhu. Poté se baňka s kulatým dnem připojí k zátce a odečte se hmotnost. Poté se kbelík obrátí nad baňkou a do kbelíku se zdola pouští vodík, dokud se hodnota na váze neustálí. Baňka „ztěžkla“! Baňka se nyní naplní vodíkem a opět umístí na váhu. Váha zobrazí menší hmotnost, protože hmotnost vodíku v baňce je nižší než hmotnost vzduchu. Je-li baňka obklopena vodíkovou atmosférou, váha zobrazí stejnou hodnotu jako v případě baňky naplněné vzduchem a obklopené vzduchovou atmosférou.
13
Fyzika
Vyhodnocení
Střední molární hmotnost vzduchu (28,8 g/mol) je přibližně čtrnáctkrát vyšší než molární hmotnost vodíku. Na litrovou baňku tak působí poměrně různé síly: hmotnost cca 1,15 g vzduchu nebo cca 0,08 g vodíku. Zkoumané síly lze schématicky znázornit takto:
Vzduch
Vzduch Vzduch
Vzduch
VZTLAK Vzduch
Vzduch Vodík
Vodík
Vodík Vzduch
Vodík
Vzduch
TÍHA Počáteční podmínky
Rozvedení
Težší
Lehčí
Stejně jako na počátku
V těchto experimentech lze vodík nahradit oxidem uhličitým CO2. Jelikož měrná hmotnost CO2 je vyšší než měrná hmotnost vzduchu, je třeba uspořádání jednotlivých pomůcek obrátit. – Kbelík se nachází zcela dole. – Baňa s kulatým dnem je zavěšená na váze a ponořená do kbelíku. – Váha je umístěna na stojanu nebo na stoličce s otvorem pro ruku. Baňka s kulatým dnem je zavěšená na háku umístěném pod váhou. Nejprve je třeba zapnout váhu. Litrová baňka obsahuje přibližně 1,75 g oxidu uhličitého. Proto jsou „hmotnostní rozdíly“ u CO2 přibližně poloviční než v případě H2; tuto skutečnost potvrzuje porovnání molárních hmotností. 44–28,8 28,8–2
= 0,57
14
14
Hustota kapalin
Cíle výuky Zadání Materiál
Stanovit hustotu kapalin na základě měření objemu a hmotnosti. Zadání: Zkoumání hustoty různých kapalin, například vody, alkoholu, chloroformu, hexanu a benzínu. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Odměrné válce, volumetrické baňky, pipety, specifické pyknometry, kádinky Různé kapaliny, viz výše
Odměrný válec
Postup
Vyhodnocení
Volumetrická baňka
Pipeta
Specifický pyknometr
Skleněné pomůcky, například specifický pyknometr, kádinka nebo odměrný válec, se vytárují a poté naplní zkoumanou kapalinou. Hmotnost se poznamená. Hustota se stanovuje coby kvocient hmotnosti a objemu. ρt =
m
V ρ
t
=
hustota při teplotě t
m = hmotnost V = objem t,ϑ = teplota kapaliny Závěry
Poznámka
Jelikož hustota kapalin závisí na jejich teplotě, je třeba jejich teplotu nejdříve stanovit. Pro účely vysoce přesných měření je třeba započítat i korekci vztlaku. Kapaliny používané ve školních pokusech nesmí být dráždivé či toxické. Je zakázáno pracovat s chloridem uhličitým, benzenem a koncentrovanými kyselinami a zásadami.
15
15
Fyzika
Síla a opačná síla
Téma
„Síly vždy působí ve dvojicích – působí-li těleso silou na jiné těleso, druhé těleso působí na první těleso a) silou stejné velikosti, b) silou, která působí přesně opačným směrem: „opačná síla“, c) silou, která působí stejným směrem.“ 1 (Newtonův zákon akce a reakce) 2
Uspořádání na počátku pokusu
1 2 2 4 5 6
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Podložka, stojan apod. Zavěšené těleso Kádinka s kapalinou, např. vodou Nastavitelný laboratorní zvedák Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g)
3 4
5
6
Postup
Kritické poznámky
a) b) c) d)
Obě váhy se používají bez zatížení (!) v souladu s pokyny. Těleso je zavěšeno na horní váze a laboratorní zvedák s kádinkou jsou umístěny na dolní váze. Kádinku lze nyní zvedat tak, aby zavěšené těleso bylo postupně ponořováno do kapaliny. Jak zobrazuje horní váha, těleso je nadlehčováno kapalinou a jeho tíhová síla se očividně zmenšuje. Jak zobrazuje dolní váha, kapalina (a kádinka a laboratorní zvedák) jsou ponořeným tělesem tlačeny dolů a jejich tíhová síla se očividně zvětšuje. Velikost obou změn je zcela totožná.
a) Negativní: Použití dvou elektronických vah není právě běžné. Ve škole střední nebo větší velikosti by mělo být snadné najít druhou váhu. b) Pozitivní: 1) Uspořádání experimentu je zcela srozumitelné, bez potřeby dalších vysvětlení. 2) Ovládání sestavy je jednoduché a neskýtá žádná nepříjemná překvapení. 3) Ukázku lze předvést bez zbytečných časových ztrát. 4) Experiment snadno udrží pozornost žáků díky spouštění a zvedání části sestavy, tárování i opakovanému zobrazování nových hodnot, jejichž platnost dle Newtonova zákona lze zkontrolovat rychlým výpočtem zpaměti, někdy i bez výpočtu. 5) Další pokusy „akce“ a „reakce“ jsou méně zábavné a vyžadují podrobnější vysvětlení.
16
16
Vychylovací síla
Cíle výuky
Změna směru průtoku vyžaduje běžnou sílu (kolmou ke směru rychlosti).
Zadání
Zkoumání síly, která mění směr toku vody
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Plastové potrubí, vnější průměr např. 12 mm, vnitřní průměr 8 mm, délka dle potřeby Konektor pro potrubí na vodovodní kohout První vodicí trubka, délka přibližně 20 cm, vnitřní průměr mírně větší než vnější průměr potrubí Neklouzavý stojan a svorky, které potrubí udrží ve vodorovné poloze Plastová nádoba, objem 5 litrů Váha METTLER TOLEDO, vážicí rozsah 0...6 kg, nebo odměrný válec, objem 1 000 ml Stopky Druhá vodicí trubka ze dřeva (k zajištění potrubí na váze), např.
Místo pro závaží
1 2 3 4
Plastové potrubí První vodicí trubka připevněná ke stojanu Druhá vodicí trubka vyrobená ze dřeva Závaží k pevnému uchycení dřevěné trubky k váze 5 Plastová nádoba 6 Umyvadlo s vodovodní baterií
Uspořádání na počátku pokusu
Laboratorní stůl
17
17
Fyzika
První vodicí trubka se připevní ke stojanu ve stejné výšce jako druhá trubka na váze. Trubka musí být uchycena tak, aby se na váze nemohla posunovat. Dle potřeby může být nezbytné použít přídavné závaží. Ačkoli delší potrubí se snáze vychýlí, při dvojnásobné délce potrubí se sníží maximální průtok přibližně o polovinu a maximální síla se sníží přibližně na čtvrtinu! Teoretické aspekty
U tohoto pokusu je důležité, aby vážicí miska kompenzační váhy METTLER TOLEDO zůstávala neustále ve stejné výšce nad pracovním stolem, a to i při proměnlivém zatížení. Předejdete tak kroucení plastové hadice a zkreslení měření v důsledku deformačních sil. Voda je přiváděna potrubím a vyvíjí opačnou sílu směrem vzhůru na pravé straně potrubí. Pomocí váhy se změří svisle působící složka síly. Síla závisí na středním průtoku v– vody, který lze vypočítat z průtokového objemu ΔV za dobu Δt a vnitřního průřezu potrubí A: v– =
Postup
Vyhodnocení
ΔV / Δt A
a) Nechejte vodu protékat velmi pomalu, tj. rychlostí, která zabrání vnikání vzduchových bublin do potrubí volným koncem. Vytárujte váhu. b) Pootevřete vodovodní kohout a změřte sílu F. c) Podržte prázdnou nádobku v proudu vody po vhodný časový úsek Δt. Současně je třeba pozorně sledovat displej váhy, protože vstupní tlak vody může krátkodobě kolísat. d) Objem vody v nádrži se stanoví buď pomocí odměrného válce nebo zvážením na druhé váze, což je rychlejší a přesnější. e) Opakujte úkony b) až d) u ostatních průtoků. Tabulka obsahující F, Δt, ΔV, v– Za nerigorózního, ale zjednodušujícího předpokladu, že každá částice vody má stejnou driftovou rychlost. v = v– = ΔV / Δt (1) A
Objem, který protéká průřezem A za čas δt , je dán: δV = A · v · δt. Příslušná hmotnost δm = ρ · δV má hybnou sílu δp = v · δm = ρ · A · v2 · δt. ›
Nejprve směřuje vodorovně, posléze dolů. Proto síla potrubí (–F ) vytváří během doby změnu hybné síly δt: F · δt = δp = ρ · A · v2 · δt F = ρ · A · v2 = ρ · F=
a odečet hodnoty na váze
=
(ΔV/Δt)2 A
(Δm/Δt)2 (2)
ρ·A F g
(Δm/Δt)2
= ρ·A·g
(3)
18
18
Příklad měření Voda v nádrži
Hodnota na váze
Změřený vztah mezi Δm/Δt a I (F) lze nejlépe vyjádřit na grafu s dvojitou logaritmickou stupnicí.
Vznikne křivka se sklonem 2. Body experimentu leží na přímo na křivce, čímž se potvrzuje kvadratický vztah mezi Δm/Δt a . Hodnoty ve výše uvedené tabulce samozřejmě nejsou vymyšlené, jedná se o skutečné hodnoty naměřené při použití plastové trubky s vnitřním průřezem 8 mm. Jak je lze použít v rovnici (3)? Například v pátém měření získáme Δm/Δt ρvoda Apotrubí g
= = = =
99,8 g/s 1,00 g/cm3 π · (0,40 cm)2 981 cm/s2
}
vloženo do (3) = 20,2 g namísto vypočítaná = 20,0 g ±0,2 g naměřená
Shoda se zdá být vysoká, nicméně ne všechny částice vody se pohybují stejnou rychlostí. Závěry
Experiment trvá 20 minut. Nabízí příležitost praktické ukázky těchto jevů: „akce a reakce“ a „změna hybnosti se rovná síle impulzu“.
19
19
Fyzika
Síla odporu ve vzdušném proudění
Cíle výuky
Zadání Materiál
Na těleso v proudícím médiu působí odpor F, jehož síla závisí na velikosti (A) a tvaru (cr) tělesa a současně i na hustotě ρ a relativní rychlosti v proudícího média. Zkoumání síly odporu různých těles ve vzdušném proudu větrného generátoru. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Větrný generátor Dle možností Prandtlova trubice s tlakoměrem k měření rychlosti vzduchu Tělesa s různým odporem (upevněná na tyči) – pokud možno shodný průtočný profil (největší průřez) jako těleso; např. kruhový disk, koule, plná polokoule, dutá polokoule, aerodynamická tělesa, modely letadel – shodný tvar, např. malé, středně velké a velké kruhové disky nebo pravoúhlé desky – samotná tyč, bez tělesa Upevnění měřených těles, např.
1) 2) 3) 4) 5)
Zatížená základna s doplňujícím příčným otvorem o průměru 8,2 mm ∅ Hliníková tyč o průměru 8 mm ∅, délka 400 mm Otvor k uchycení tyče s upevněným měřeným tělesem Šroub M3 proti kroucení Protizávaží dle potřeby
K ochraně váhy proti proudění vzduchu můžete použít například box o rozměrech 60 cm x 60 cm x 40 cm s těmito vlastnostmi: – volný přístup pro uživatele/studenty, – upevnění k pracovnímu stolu dvěma příchytkami, – výřez ve dnu, který umožní váze stát přímo na pracovním stole, – malý postranní otvor na hliníkovou tyč (2). Uspořádání na počátku pokusu
Při použití výkonného větrného generátoru je ochranný box naprostou nutností, protože vzdušný proud se odráží od stropu a vzdušné víry mohou váhu zasáhnout shora (vyzkoušejte sami zapálenou svíčkou!).
1. Větrný generátor 2. Box 3. Upevněné měřené těleso
20
20
Postup
Vyhodnocení
a) Prvotní zkouška: Ke stanovení oblasti vzdušného proudění s konstantní rychlostí se použije pitotstatická trubka. b) Poznámka pro všechny další pokusy: v následujícím postupu nás zajímá měření odporu F(těleso), který klade samotné měřené těleso. Proud vzduchu působí tlakem i na tyč, ke které je těleso uchyceno, a váha zobrazuje sílu F(měření). Proto je posléze třeba provést i měření bez tělesa, tj. měření samotné tyče, a stanovit sílu F(tyč). Síla F(těleso) se následně vypočítá dle vzorce F(měření) – F(tyč). c) Síla odporu F se u tělesa měří za různých rychlostí vzdušného proudu v. Tabulka obsahující hodnoty v, F(měření) a F(těleso). Dle potřeby lze pokus opakovat s tělesy různých tvarů a velikostí. d) Hodnota F(těleso) se u těles různých velikostí (A) a stejného tvaru stanovuje za stálé rychlosti proudění vzduchu. Tabulka obsahující hodnoty A, F(těleso) a F(těleso)/A. Lze opakovat i s tělesy různých tvarů. e) Hodnota F(těleso) se stanovuje u těles různého tvaru a se shodnou odporovou plochou A (maximální průřez) za stálé rychlosti proudění vzduchu. Tabulka obsahující nákres tvaru a hodnoty F(těleso). Lze opakovat i za různých rychlostí proudění vzduchu. f) Doba jednoho měření činí jednu nebo dvě minuty a její délka do značné míry závisí na zručnosti a zkušenostech obsluhy. U turbulentního průtoku teorie předpovídá ρ 2
pro dynamický tlak
pdyn
a pro sílu odporu
F = cr · pdyn · A
=
· v2
ρ = hustota proudícího média cr = parametr odporu (tvarový faktor) A = největší průřez (plocha tělesa na rovině kolmé ke směru průtoku média)
proto lze očekávat, že: při c) úměrnosti mezi v2 a sílou odporu [F(měření), F(tyč), F(těleso)];
Závěry
při
d) stabilním kvocientu F(těleso)/A;
při
e) cw● ◗ > cw
l
>cw
•
> cw
Díky rychlosti provedení je pokus velmi vhodný k předvedení v hodině. Jsou-li potrubí a tlakoměr připevněny (!) ke stolu, lze pokus bez obav svěřit i nezkušeným studentům.
21
21
Fyzika
Síly působící na profil křídla
Cíle výuky
Na asymetrické těleso vystavené proudění vzduchu působí síla složky, která je kolmá k síle odporu (aerodynamický odpor) FR ve směru proudění. V případě leteckého křídla se tato síla projevuje v podobě síly vztlakové (aerodynamický vztlak) FA.
Zadání
Zkoumání požadované vztlakové síly FL, nežádoucího aerodynamického odporu FR a jejich kvocientu FL/ FR při úhlu náběhu α za použití ploché desky a leteckého křídla.
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Větrný generátor Dle možností Prandtlova trubice s tlakoměrem k měření rychlosti vzduchu Model leteckého křídla s velmi tenkými, paralelními lamelami a otočným uchycením Malá deska (dřevěná, plastová nebo kovová) s lamelami a otočným uchycením Neklouzavá základna se svislým vývrtem Držák k vodorovnému uchycení modelu, např. dřevěná kostka
1) 2) 3) 4) 5) 6)
Tyč, ke které je uchycen otočný model Dřevěná kostka, 180 mm x 100 mm x 30 mm Vývrt k zasunutí tyče 1) Dle potřeby šroub; zajišťuje tyč 1) proti kroucení Tyč, ∅ 10 mm; tyč se musí pohodlně zasouvat do kostky Protizávaží cca 1 kg, např. zvážený podstavec
K ochraně váhy proti proudění vzduchu můžete použít například box o rozměrech 60 cm x 60 cm x 40 cm s těmito vlastnostmi: – volný přístup pro experimentátory, – upevnění k pracovnímu stolu dvěma příchytkami, – výřez ve dnu, který umožní váze stát přímo na pracovním stole, – malý postranní otvor na hliníkovou tyč 1).
22
22
Uspořádání na počátku pokusu
Měření vztlaku a aerodynamického odporu vyžadují použití různých uspořádání.
Vztlak
Aerodynamický odpor
Při použití výkonného větrného generátoru je ochranný box naprostou nutností, protože vzdušný proud se odráží od stropu a vzdušné víry mohou váhu zasáhnout shora (vyzkoušejte sami zapálenou svíčkou).
Postup
a) Rozložení rychlostního profilu ve vzdušném proudu před větrným generátorem se zkoumá pomocí Prandtlovy trubice. b) Vztlak FL: lze teoreticky vypočítat takto: C
= parametr vztlaku, závisí na tvaru A = největší průřez (plocha tělesa na rovině kolmé ke směru průtoku média) ρ = hustota vzduchu v = rychlost větru (relativní vlhkost vzduchu vůči tělesu) A
FA = cA · A ·
ρ · v2 2
Zjistěte závislost vztlaku na rychlosti větru. Tabulka obsahující v, FL a graf. Dle potřeby opakujte s použitím jiného profilu nebo pod jiným úhlem náběhu. c) Pro potřeby následujících měření je třeba udržovat stálou rychlost proudění vzduchu; tuto rychlost budeme u profilu označovat v*. Závislost vztlakové síly na úhlu náběhu α se měří nejprve u malé desky..
23
23
Fyzika
Profil
Deska
d) Aerodynamický odpor FR: I odpor je přímo úměrný dynamickému tlaku (pdyn =
ρ 2 · v ), tudíž FR ~ v2. 2
Dle časových možností doporučujeme provést kontrolu. e) Jelikož vzdušný proud naráží nejen na pokusné těleso, ale i na jeho uchycení, je třeba v přípravném experimentu změřit hodnotu FW(uchycení) bez použití tělesa, tj. pouze samotné uchycení. U následných měření FR(celkem) je třeba provést korekci: FR (model) = FR (celkem) – FR (uchycení) f) V následných měřeních je rychlost vzduchu v místě zkoušeného tělesa opět upravena na v = v*, jak je uvedeno výše. Závislost FR(celkem) na úhlu náběhu α se změří u desky a u křídla. Tabulka obsahující α, FR (celkem) a FR (model), grafy.
Deska
Vyžadovaná doba
Vyhodnocení
Závěry
Profil
Provedení samotných měření trvá zkušené osobě přibližně 45 minut. Je-li součástí experimentu i závěrečné vyhodnocení, bude výuková skupina potřebovat tři až čtyři hodiny. K zobrazení hodnot FL a FR křídla se zpravidla používají polární křivky podle Lilienthala. K další interpretaci výsledků doporučujeme použít odbornou literaturu, například dokumentaci z kurzů pro piloty kluzáků. Obsluha aparatury je snadná, ale práce související s experimentem vyžaduje vysokou míru pečlivosti, stejně jako i závěrečné vyhodnocení. Navzdory náročným požadavkům je tento experiment velmi oblíbený.
24
24
Závislost síly magnetického pole cívky na intenzitě proudu Cíle výuky Zadání
Materiál
Síla magnetického pole cívky je přímo úměrná intenzitě elektrického proudu. Měření závislosti síly, která působí na malý tyčový magnet v magnetickém poli cívky, na intenzitě elektrického proudu přiváděného do cívky. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Vzduchová cívka (např. délka 7 cm, průměr 4 cm, počet závitů vinutí 250) Zdroj stejnosměrného proudu dodávající přibližně 5–10 A Potenciometr (např. 6 Ω), jestliže napětí ve zdroji stejnosměrného proudu nelze regulovat Vypínač Ampérmetr Elektrický kabel Stojan Malý permanentní magnet, např. válcová tyč Nemagnetická tyč (hliníková ty, dřevo), délka cca 15 cm, upevněná do nemagnetického podstavce
Uspořádání na počátku pokusu
M R B
Magnet Tyč Základna
Q Sw R A
Zdroj proudu Vypínač Potenciometr Ampérmetr
K horní části tyče je připevněn magnet s trochou vazelíny. Cívka je umístěná tak, aby se magnet nacházel přímo pod jedním z konců cívky.
Postup
Nejprve se provede prvotní zkouška, která zjistí, zda magnetické pole cívky přímo ovlivňuje váhu. Pokud ano, hodnota na displeji váhy by se po zapnutí proudu měnila. Zjistíme, že váhy METTLER TOLEDO jsou vůči magnetickému poli zcela netečné! Dále je třeba pamatovat, že magnet se nesmí vůči cívce během řady měření pohybovat, protože magnetické pole cívky je nehomogenní. V tomto ohledu nevznikají potíže s váhami, které fungují na kompenzačním principu, protože u těchto vah zůstává vážicí miska, bez ohledu na zatížení, vždy ve stejné výšce nad pracovním stolem. Po vytárování váhy se intenzita elektrického proudu postupně, v krocích, zvyšuje. Související hodnoty I a F (síla) se poznamenají do tabulky a následně znázorní v grafu. Je zřejmé, že síla je přímo úměrná intenzitě proudu. Proto je intenzitě proudu přímo úměrná i síla magnetického pole.
25
25
Fyzika
Měkké železo v magnetickém poli
Cíle výuky
Měkké železo se zmagnetizuje externím magnetickým polem a v nehomogenním poli na ně působí přitažlivá síla.
Zadání
Měření závislosti síly, která působí na měkké železo v magnetickém poli cívky, na intenzitě elektrického proudu přiváděného do cívky.
Materiál
Stejný materiál jako v předchozím pokusu na straně 25, avšak tentokrát je namísto magnetu použito měkké železo, např. železný šroub, přibližně stejné velikosti.
Uspořádání na počátku pokusu Postup a vyhodnocení
Stejné jako v předchozím pokusu na straně 25. Postup měření je zcela shodný jako při pokusu, jakož popis je uveden na straně 25. Vztah mezi veličinami I a m (namísto F) však není v žádném případě lineární. Příklad měření s inbusovým klíčem M8, délka 25 mm:
Proud l
Displej váhy
Sklon přímky činí právě 2. Jelikož body experimentu leží přesně na přímce, je předpoklad potvrzen F ~ l2 Závěry
26
V experimentu na straně 25 působí na stálý magnet v externím magnetickém poli síla, která je přímo úměrná intenzitě elektrického proudu. V tomto experimentu je však železo nejprve zmagnetizováno magnetickým polem cívky. Poté na ně působí síla F, která na jedné straně závisí na síle magnetického pole cívky H a na druhé straně magnetizaci železa J. Vztahy F~H⋅J, H ~ l a F ~ l2 dovolují logický závěr J ~I, tj. ve sledovaném rozsahu síly pole je magnetizace železa přímo úměrná síle elektrického proudu.
Síly při použití 3 A a 6 A vykazují kvadratický vztah: = k · l2 Tento vztah lze nejsnáze zkontrolovat na grafu s dvojitou logaritmickou stupnicí:
27
Chemie
Kolik hydrogenuhličitanu sodného obsahuje šumivá tableta? Teorie
Šumivé tablety (vitamínové tablety, šumivé nápoje apod.) obsahují kromě aktivní látky i cukr, ochucovadla, potravinářská barviva, jakož i kyselinu vinnou a hydrogenuhličitan sodný. Při vhození tablety do vody reaguje hydrogenuhličitan sodný s kyselinou vinnou. Výsledkem reakce je velmi snadno rozpustný vinan sodný, oxid uhličitý a voda. Oxid uhličitý se uvolňuje v plynném skupenství a tableta se rozpouští.
2 NaHCO3 + HOOC
hydrogenuhličitan sodný
H
H
C
C
COOH → NaOOC
CH CH kyselina vinná
H
H
C
C
COO Na + 2 CO2 + 2 H2O
O HO H vinan sodný
oxid uhličitý
Obsah hydrogenuhličitanu sodného lze odvodit z množství uvolněného oxidu uhličitého. Materiál
Postup při pokusu
Výsledky a vyhodnocení
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), kuželovitá baňka s širokým hrdlem 300 ml, skleněná tyčinka, šumivé tablety, kapesní kalkulátor, jednorázové pohárky na pití, utěrky na nádobí, kbelík na odpad. 1. Do kuželovité baňky napusťte přibližně 2 dl vodovodní vody, vnější stěny baňky dobře osušte, umístěte baňku na váhu a vytárujte. 2. Na vážicí misku položte vedle kuželovité baňky šumivou tabletu, určete její hmotnost a výsledek si poznamenejte. 3. Váhu s tabletou opět vytárujte. 4. Opatrně (bez vystříknutí vody) vhoďte tabletu do vody, vyčkejte na dokončení reakce, dobře zamíchejte skleněnou tyčinkou a stanovte hmotnost uvolněného oxidu uhličitého. Výsledek si poznamenejte. 5. Nápoj můžete přelít do pohárku a vypít. V opačném případě roztok vylijte. 6. Kuželovitou baňku důkladně vypláchněte a vnější stěny baňky pečlivě osušte. Nyní je baňka připravena k dalšímu pokusu.
Hmotnost tablety: a = …g; hmotnost CO2:b = …g 1 g uvolněného oxidu uhličitého odpovídá obsahu NaHCO3 1,91 g b g uvolněného oxidu uhličitého odpovídá obsahu NaHCO3 1,91· b g Procentuální obsah NaHCO3 v tabletě činí:
Číselný příklad
27
%
Zjištění v rámci experimentu: Hmotnost tablety: a = 4,38 g; hmotnost CO2:b = 0,23 g Procentuální obsah NaHCO3 v tabletě činí:
28
1,19 · b · 100 a
1,91 · 0,23 · 100 4,38
% = 10,03 % ~ 10 %
Stanovení obsahu tuku v sóji a ořechových plodech Teorie
Mnoho rostlinných potravin, například sójové boby, arašídy, lískové ořechy, slunečnicová semena apod. obsahují rostlinné tuky, které lze poměrně snadno extrahovat pomocí lipofilního rozpouštědla. Tyto potraviny se také ve velkém rozsahu používají k výrobě pokrmových olejů a tuků. Ke stanovení obsahu tuku se ořechy, semena nebo boby najemno rozemelou a poté se provede jejich extrakce pomocí petroléteru, hexanu apod. Poté se přidá bezvodý síran hořečnatý, který naváže veškerou vodu. Roztok se poté přefiltruje a následným odpařením rozpouštědla získáme čistý tuk, který se zváží.
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), kuželovitá baňka 100 ml s kohoutkem nebo vodný odměrný válec, petroléter nebo hexan, bezvodý síran hořečnatý, nálevka, filtrační papír nebo vata, kádinka 100 ml, pipeta 10 ml. Sójová, lískooříšková nebo arašídová moučka.
Postup při pokusu
1. Odvažte přibližně 3 g sójové, lískooříškové nebo arašídové moučky. 2. Nasypte moučku do kuželovité baňky nebo do odměrného válce, poté přidejte 40 ml petroléteru nebo hexanu, 5 g bezvodého síranu hořečnatého a důkladně protřepte. Počkejte přibližně 5 minut a po tuto dobu protřepání občas opakujte. Před protřepáním a po jeho dokončení krátce otevřete kohout baňky k vyrovnání tlaku. 3. Část získané suspenze přefiltrujte přes filtrační papírek nebo vatu do suché, uzavíratelné nádobky (např. kuželovité baňky s kohoutem nebo kádinky s víkem z průhledného skla). Zavření nádobky předchází odpařování rozpouštědla. 4. Nyní pomocí pipety nadávkujte přesně 10 ml přefiltrovaného roztoku do malé, zvážené kádinky a nechejte vzorek odpařovat ve skříňové digestoři na vodní lázni, dokud zápach rozpouštědla zcela nezmizí. 5. Poté nechejte vzorek zchladnout a opět jej zvažte.
Výsledky a vyhodnocení
Obsah tuku lze odvodit od hmotnosti potraviny (a = … g) a hmotnosti zbytkové hmoty (b = … g), která je tvořena čistým tukem: Obsah tuku =
Číselný příklad
100 · 4 · b a
%
Ze 3,00 g zvážené (= a) lískooříškové moučky zbylo po odpaření 10 ml přefiltrovaného výtažku 0,52 g (= b) tuku. To odpovídá obsahu tuku cca 70 %.
28
29
Chemie
Stanovení obsahu křídy ve vzorcích kamenů a půdy Teorie
Obsah křídy ve vzorcích kamenů a půdy lze stanovit reakcí uhličitanu vápenatého s kyselinou chlorovodíkovou. Vápník reakcí tvoří chlorid vápenatý, vodu a oxid uhličitý. Množství oxidu uhličitého uvolněného při reakci se váží: CaCO3 + 2 HCI › CaCI2 + H2O + CO2 Jedná se o jednoduchou a velmi přesnou metodu stanovení.
Materiál
Postup při pokusu
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), kuželovitá baňka 100 ml, koncentrovaná HCl, destilovaná voda, pryžová zátka s otvorem, vápenec (cca 1 g). 1. 2. 3. 4. 5.
V kuželovité baňce smíchejte přibližně 8 ml koncentrované HCl a přibližně 10 ml destilované vody. Baňka obsahující kyselinu chlorovodíkovou postavte na váhu a vytárujte. Na vážicí misku vedle baňky položte vápenec, poznamenejte si jeho hmotnost a váhu opět vytárujte. Poté přidejte vápenec do roztoku. Následuje prudká reakce, při které se uvolní oxid uhličitý. Po dokončení reakce se pomocí pipety prostřednictvím pryžové zátky vpraví do baňky nad hladinu roztoku malé množství vzduchu vzduchu, který vypudí přítomný CO2. 6. Poté se baňka opět zváží a stanoví se množství uniklého CO2.
Kuželovitá baňka s kyselinou chlorovodíkovou a vápencem
Výsledky a vyhodnocení
Z 1,58 g vápence se uvolní 0,386 g CO2. Na základě rovnice reakce a příslušného stechiometrického složení lze očekávat: CaCO3 + 2 HCI › CaCl2 + H2O + 100 g/mol 1,58 g z 1,58 g čistého CaCO3, =
1,58 g · 44 g/mol 100 g/mol
CO2 44 g/mol xg
= x = 0,695 g CO2
Jelikož však z hmotnosti 0,695 g se uvolnilo pouze 0,386 g CO2, tj. 55,54 %, obsah uhličitanu vápenatého ve zkoumaném vzorku vápence činí 55,54 %. Poznámka 29
30
Přesnost této metody lze zkontrolovat pomocí čistého CaCO3.
Stanovení obsahu vody při krystalizaci solí Teorie
Krystalická forma mnoha solí obsahuje vázanou vodu, kterou lze uvolnit zahříváním. Molekuly vody se odštěpí od hydratované soli a odpaří se. Zůstane tedy jen bezvodá sůl: teplo sůl s chemicky vázanou vodou bezvodá sůl + voda Po přesném zvážení úbytku vody lze vypočítat množství molekul tzv. „krystalové vody“. Poznámka: Nadměrné nebo příliš dlouhé zahřívání může způsobit boční reakci. Jestliže například stanovujete obsah krystalové vody v síranu měďnatém(II), z bezvodé soli se může tvořit oxid měďnatý(II) a uvolňovat oxid sírový. Průvodním jevem je tmavnutí bílého produktu: CuSO4 (bezvodý)
teplo
CuO + SO3
Tato boční reakce způsobuje nižší hmotnost produktu reakce, jejíž příčinou je zjevně nadměrný úbytek hmotnosti, který způsobuje použití vyšší hodnoty ve výpočtu množství krystalové vody. Materiál
Postup při pokusu
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), porcelánový kelímek s víčkem, trojnožka, kahan, žíhací triangl (velikost dle kelímku), kelímkové kleště, skleněná tyčinka, krystalická sůl – například síran měďnatý, kamenec, sádra apod. 1. Zvažte prázdný kelímek s víčkem. 2. Do kelímku vsypte krystalickou sůl (cca 1 g) a zvažte. 3. Poté kelímek zahřívejte malým, nesvítivým plamenem. Přidržte otevřený kelímek kleštěmi a zamíchejte jeho obsah skleněnou tyčinkou. 4. Jakmile je sůl zbavena vody, což lze rozpoznat změnou barvy, např. u síranu měďnatého nebo dokončením reakce (žádné odpařování vody, žádná tvorba „kráterů“), kelímek se zakryje a ochladí při laboratorní teplotě. 5. Zchladlý kelímek se opět zváží. 6. Postup se opakuje s vážením 2, 3 a 4 g.
Uspořádání na počátku pokusu
Výsledky a vyhodnocení
1. Úbytek vody se u každého pokusu vypočítává v g z výsledku přesného vážení a hmotnosti zbylé látky. 2. Úbytek vody se zaznamená do grafu a porovná s výsledky příslušného vážení. Body experimentu by měly ležet, s možností mírného rozptylu, na přímce procházející počátkem souřadnic. Graf slouží coby kontrola přesnosti měření.
30
31
Chemie
g Úbytek vody
g Hmotnost
3. Na základě rovnice reakce a příslušného stechiometrického složení lze očekávat: sůl s chemicky vázanou vodou a = ...g (vážení)
=
bezvodá sůl b = ...g (zbytek)
+
voda c = ...g (úbytek vody)
počet molekul chemicky vázané krystalové vody „x“ je stanoven takto: x=
c · MMsůl = (a–c) · 18
(a–b) · MMsůl b · 18
kde MMsůl představuje molární hmotnost bezvodé soli. 4. Hodnota x se vypočítává v každém experimentu odděleně a porovnává se s hodnotami uvedenými v literatuře.
Číselný příklad
V experimentu s krystalickým síranem měďnatým(II) byly zjištěny tyto hodnoty: Hmotnost soli: a = 2,48 g; zbytek: b = 1,57 g Úbytek hmotnosti: c = (a–b)g = 0,91 g x=
0,91 · 159,5 = 5,14 1,57 · 18
Síran měďnatý tedy krystalizuje s 5 molekulami krystalové vody. Vzorec: CuSO4 · 5 H2O.
31
32
Termolýza solí
Teorie
Termolýzou se rozumí tepelné štěpení látek („tepelný rozklad“). Termolýza může v některých případech probíhat velmi prudce a nekontrolovaně nebo paralelně s reakcemi probíhajícími při relativně vysokých teplotách. Tato skutečnost komplikuje, či dokonce vylučuje stechiometrické vyhodnocení výsledků vážení. Ke stechiometrickému zkoumání jsou proto vhodné zejména látky, které se rozkládají za mírného ohřevu. Na dvou modelových látkách, hydrogenuhličitanu sodném a uhličitanu hořečnatém, byly vyzkoušeny následující pokusné postupy. „Historický“ postup, který spočívá v termolýze oxidu rtuťnatého(II) nebyl proveden z důvodu technické bezpečnosti a ekologie. Při termolýze hydrogenuhličitanu sodného se tvoří uhličitan sodný („soda“) a současně dochází ke štěpení na vodní páru a oxid uhličitý. ΔT
2 NaHCO3
Na2CO3 + H2O + CO2
Tento proces hraje důležitou roli při průmyslové výrobě sody („kalcinovaná soda“). Při termolýze uhličitanu hořečnatého dochází k uvolňování oxidu uhličitého: MgCO3
ΔT
MgO + CO2
Tato reakce probíhá souběžně s výrobou páleného vápna z uhličitanu vápenatého: CaCO3
ΔT
CaO + CO2
Termolýza uhličitanu hořečnatého proto představuje modelovou reakci průmyslově významné kalcinace vápence při výrobě cementu. Rozklad MgCO3 na oxid však nastává při nižší teplotě, takže tato reakce je vhodnější ke zkoumání v laboratorních podmínkách. Materiál
Postup při pokusu
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), trojnožka, kahan, žíhací triangl, porcelánový kelímek (pokud možno více), kelímkové kleště, uhličitan hořečnatý, hydrogenuhličitan sodný (bezvodý). 1. Prázdný kelímek se zváží, přidá se cca 0,5 g uhličitanu hořečnatého nebo hydrogenuhličitanu sodného a poté se kelímek znovu zváží. 2. Poté se kelímek opatrně zahřívá nesvítivým plamenem. Z reakční směsi se uvolňuje vodní pára a oxid uhličitý; tento jev je provázen tvorbou „kráterů“. Vzorek je třeba zpočátku zahřívat velmi opatrně, aby únik plynů nezpůsoboval úbytek materiálu z kelímku v důsledku rozstříkání. 3. Jakmile se reakce začne blížit ke konci, což lze rozpoznat dle úniku menšího množství plynu, použije se velmi výkonný ohřev červeným žárem. Jakmile únik plynu zcela ustane, vypneme ohřev. 4. Kelímek necháme vychladnout na laboratorní teplotu a zvážíme včetně produktu reakce. 5. Postup se opakuje s vážením 1, 1,5 ,2 a 2,5 g.
32
33
Chemie
Uspořádání na počátku pokusu
Výsledky a vyhodnocení
1. Závislost hmotnosti zbytku na výsledcích vážení je zobrazena v grafu. Body experimentu leží na přímce procházející počátkem souřadnic.
g Zbytek
g Hmotnost 2. Na základě rovnice reakce a příslušné stechiometrie vypočítáme teoretickou hodnotu pro výsledek vážení, např. 1,000 g hydrogenuhličitanu sodného: 2 NaHCO3 2 · 84 g/mol
ΔT
Na2CO3 + CO2 + H2O 106 g/mol
Z 1,00 g hydrogenuhličitanu sodného teoreticky vznikne: 106 g = 0,631 g uhličitanu sodného 168
Pro uhličitan hořečnatý platí následující: ΔT MgCO3 84,31 g/mol
MgO +CO2 40,31 g/mol
z čehož vyplývá, že v případě 1,000 g uhličitanu hořečnatého 40,31 g = 0,478 g vytvořeného oxidu hořečnatého. 84,31
3. Hodnoty získané pokusem porovnáme s hodnotami z teoretických výpočtů. 33
34
Syntéza síranu měďnatého
Teorie
Materiál
Postup při pokusu
Při sloučení kovu, například mědi, s nekovovým prvkem, například sírou, vznikne produkt podobný soli. Poměr použitého kovu k chemicky vázanému nekovovému prvků zůstává konstantní bez ohledu na použité množství mědi (zákon stálých poměrů). Účelem tohoto experimentu, který by měl být proveden opakovaně i coby cvičení studentů, je tento zákon potvrdit. Dále by měl být stanoven empirický vzorec sloučeniny. Zákon stálých poměrů se vztahuje pouze na homogenní produkty, tj. na produkty stejné, například krystalické formy. Zde se sice nejedná o tento případ (síran měďnatý není daltonská sloučenina), ale experiment je cenný z didaktických důvodů. Pro účely syntézy je použita měď coby kovový prvek a síra coby nekovový prvek a společně utvoří síran měďnatý: měď + síra = síran měďnatý Syntéza se provádí s přesně stanoveným množstvím mědi a s vyšším množstvím síry. Tím je zajištěno, že veškerá měď zreaguje se sírou. Síra reaguje s přítomnou mědí ihned po svém roztavení. Zbytek síry sublimuje nebo se spálí do SO2, který unikne v plynném skupenství. síra + kyslík= oxid siřičitý Jelikož oxid siřičitý je toxický, pokus musí probíhat ve skříňové digestoři. Reakce probíhá v porcelánovém kelímku. Po zvážení zbytku se stanoví poměr množství spotřebované mědi k množství vázané síry, procentuální zastoupení prvků ve sloučenině a empirický vzorec. Je třeba provést minimálně tři, ale doporučujeme provést mnohem vyšší počet měření. Grafické znázornění zvyšuje přesnost vyhodnocení. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), trojnožka, Bunsenův kahan, porcelánový kelímek s víčkem, kleště na kelímek, žíhací triangl, měděný plátek, prášková síra. 1. Z měděného plátku odřízněte proužky o hmotnostech přibližně 0,5 g, 1 g, 1,5 g a 2 g, proužky zvažte a hodnotu zaokrouhlete na nejbližší miligram. 2. Jeden proužek rozdělte na menší kousky s rozměry cca 1,5 cm x 1,5 cm; tyto kousky vložte do prázdného kelímku (již zváženého včetně víčka), zasypte mírně nadměrným množstvím síry a na trojnožce ve skříňové digestoři zahřívejte malým, nesvítivým plamenem. 3. Po úplném odpaření nadbytečného množství síry, které lze rozpoznat absencí plamene nebo hnědožluté páry, kelímek zavřete víčkem a 2 minuty prudce zahřívejte. 4. Poté vypněte kahan, kelímek nechte vychladnout na laboratorní teplotu (chlazení vzduchem) a poté zvažte.
34
35
Chemie
Uspořádání pokusu Kelímek bez víčka na začátku a během reakce
Výsledky a vyhodnocení
Kelímek s víčkem po dokončení reakce; pro ohřev, ochlazení a vážení
Hodnoty zjištěné při školním experimentu: Měření
a g Měď
b g Síra (vázaná)
% Měď
% Síra
a:b
1 2 3 4 5 6 7
1,162 1,450 0,745 1,715 1,631 0,585 1,408
0,282 0,370 0,203 0,436 0,441 0,166 0,343
80,47 79,67 78,58 79,73 78,72 77,90 80,41
19,53 20,33 21,45 20,27 21,28 22,10 19,59
4,12 3,92 3,67 3,93 3,70 3,52 4,10
1,242
0,320
79,51
20,49
3,88
g Vázaná síra
g Měď
Z těchto výsledků je patrné, že poměr hmotnosti mědi k hmotnosti síry je konstantní a není závislý na množství použitých surovin. Série experimentů navíc prokázala, že navzdory jistému rozptylu jednotlivých měření, bráno za celou sérii coby celek, nedochází k nejednoznačnostem. Body experimentu leží na přímce procházející počátkem souřadnic. K výpočtu empirického vzorce se použije toto složení: Cu: 79,51 %: 63,54 g/mol = 1,251 = 2 S: 20,49 %: 32,06 g/mol = 0,629 = 1
35
36
}
empirický vzorec: Cu2S
Stanovení molární hmotnosti zkapalněného plynu Teorie
Stanovení molární hmotnosti plynu se provádí evakuací obsahu nádoby se známou hmotností, např. 1litrové baňky s kulatým dnem opatřené na jedné straně uzavíracím kohoutem, naplněné příslušným plynem a měřením objemové hmotnosti tohoto plynu. Konverzí získaného objemu na standardní podmínky (STP: teplota T = 273 K; tlak = 1 013 mbar) získáme objem naměřeného množství plynu při STP. Ze všeobecného plynového zákona vyplývá, že objem 1 molu libovolného plynu činí při STP 22,4 dm3. Tato skutečnost umožňuje jednoduché odvození molární hmotnosti. Níže uvedené experimenty se nezabývají stanovením molární hmotnosti plynů všeobecně, ale spíše stanovením molární hmotnosti konkrétního typu plynu, přesněji řečeno zkapalněného plynu. K pokusu použijeme butan, který je snadno dostupný v běžné obchodní síti. Tento zkapalněný plyn se používá k doplňování plynových zapalovačů. Pokus ukazuje metodu stanovení molární hmotnosti butanu a současně je vhodný coby úvod do stechiometrie a plynových zákonů.
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), pneumatická vana s 1l odměrným válcem coby jímací nádobou, krátké a tenké přívodní vedení, stříkačka s objemem 100 nebo 200 ml, stojan, klema, tlakoměr, teploměr, nádoba se zkapalněným plynem.
Postup při pokusu
Měření s pneumatickou vanou 1. Jímací nádobu představuje odměrný válec s objemem 1 l. Otvor válce se uzavře pryžovou zátkou a válec se ponoří dnem vzhůru do vody v pneumatické vaně. 2. Poté válec pod vodou otevřeme. Do válce nesmí vniknout žádný vzduch. 3. Poté se odměrný válec připevní do klemy na stojanu, tak aby vzdálenost mezi okrajem válce a dnem pneumatické vany činila přibližně 1 cm. 4. Nyní stanovte hmotnost láhve se zkapalněným plynem. 5. Do odměrného válce se přes krátkou a tenkou trubičku přivede plyn (cca 800–900 ml). 6. Jelikož plyn se mimo prostředí láhve roztahuje, dochází k jeho ohřátí na laboratorní teplotu. Před odečtením hodnoty objemu plynu vyčkejte alespoň pět minut. 7. Mezitím opět zvažte láhev s kapalným plynem. 8. Vypočítejte objem plynu, který jste vpustili do odměrného válce.
Odměrný válec
Propojení Plynový válec
Vstupní hadička Pružná nádoba s vodou
36
37
Chemie
Měření s použitím stříkačky 1. Stříkačka s objemem 100 ml nebo 200 ml se zajistí ve stojanu způsobem, který zajistí pohodlné zavádění plynu z láhve do otvoru ve stříkačce. 2. Válec se zváží, do stříkačky se vpustí 100 nebo 200 ml plynu a ihned se odečte objem (únik ze stříkačky má výrazně nepříznivý vliv na výsledky pokusu než malá chyba vznikající při ochlazování plynu, který vychází z láhve). 3. Poté se láhev opět zváží a vypočítá se objem odpuštěného plynu.
Výsledky a vyhodnocení
V experimentu s využitím pneumatické vany bylo do válce vpuštěno 1,908 g plynu. Naměřený objem činil 830 ml při 20,5 °C a tlaku vzduchu 988 mbar. Vypočítaný objem v STP činí Vo =
Vexp. · pexp. · To po · Texp.
=
830 ml · 988 mbar · 273 K 1 013 mbar · 293,5 K
= 753 ml
V 753 ml 0,753 dm3, 1,908 g přítomného plynu. Objem 22,4 dm3 tudíž obsahuje
1,908 · 22,4 0,753
g = 56,8 g
Experimentální hodnota molární hmotnosti plynu tedy činí 56,8 g/mol. Vypočítaná hodnota butanu (C4H10) činí 58 g/mol. Jestliže uvážíme, že bychom ve výpočtech mohli zohlednit i objem přívodní hadičky, je výsledek měření překvapivě kvalitní. Ve vyhodnocení však nebyla zohledněna skutečnost, že byl měřen objem „mokrého“ plynu, tj. plynu v atmosféře vodní páry. Rovněž je třeba zohlednit, že stupnice na standardních válcích a stříkačkách nejsou dokonale přesné. Přesnější určení molární hmotnosti lze provést pouze za použití skleněné koule k vážení plynů (viz kapitolu „Hustota vzduchu“). Objem skleněné koule lze stanovit zvážením maximálního objemu vody, kterým lze kouli naplnit. Vyhodnocení výsledků experimentu provedeného s použitím stříkačky je obdobné. Toto měření je i poměrně přesné; v rámci experimentu byly zjištěny hodnoty 60,5 a 60,9 g/mol. Tlak skleněného pístu na plyn se nezohledňuje.
37
38
Rychlost odpařování
Teorie
Materiál
Postup při pokusu
Odpařování kapalných nebo těkavých pevných látek je jev, který souvisí s pohybem částic, přesněji řečeno s kinetickou energií molekul. Rychlost odpařování závisí na několika faktorech, ale především na okamžité teplotě a tlaku, jakož i na silách mezi jednotlivými molekulami. Svoji roli hrají i molární hmotnost a tvar molekul, které ovlivňují velikost molekulárních sil. Odpařování a jeho rychlost lze pohodlně sledovat a měřit na váze. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g), 1 velká Petriho miska (průměr 8–12 cm), různé kapaliny, jako například aceton, etanol, hexan apod. Petriho miska se umístí na váhu, naplní se příslušnou kapalinou do výšky cca 5 mm, váha se vytáruje a odpařené množství kapaliny se odečítá každých 15 sekund. Po 3 minutách se měření ukončí. Důležité: Ve všech měřeních musí být použita stejná Petriho miska, aby byla zajištěna shodná odpařovací plocha. Současně je třeba zajistit, aby během měření nevznikal průvan, např. otevřenými okny nebo dveřmi. Dále doporučujeme neprovádět měření na přímém slunci.
Petriho miska s kapalinou Přesná váha METTLER TOLEDO
Výsledky a vyhodnocení
1. Naměřené hodnoty znázorníme graficky na milimetrovém papíru. Porovnáváme množství odpařené kapaliny a uplynulý čas. Při měření acetonu na Petriho misce s průměrem 9 cm a při teplotě 21 °C jsme naměřili tyto hodnoty:
Doba:
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
Množství:
0
4
8
12
15
19
22
26
30
33
150 s 37 mg
38
39
Chemie
mg Odpařené množství
Čas v s
Stejným způsobem byla stanovena i rychlost odpařování etanolu, etylacetátu a butylacetátu. Byly zjištěny tyto hodnoty: Aceton: Etanol: Etylacetát: Butylacetát:
Interpretace
15,0 mg za minutu 3,7 mg za minutu 6,5 mg za minutu 1,7 mg za minutu
b.p. b.p. b.p. b.p.
56 °C 78 °C 77 °C 126 °C
Interpretace těchto hodnot je obtížná z důvodu rozsahu, jakým různé faktory, uvedené v odstavci Teorie, přispívají k měření jakožto celku. Nicméně o interpretaci se alespoň pokusíme. 1. Nejrychleji se odpařuje aceton. Mezimolekulární síly jsou zjevně poměrně slabé a tato skutečnost se odráží i v nízkém bodu varu acetonu. Tyto síly jsou v každém případě menší u acetonu než u etanolu, protože etanol dokáže tvořit mezimolekulární vodíkové vazby, které zpomalují odpařování. 2. Odpařování etanolu je pomalejší než v případě etylacetátu, ačkoli molární hmotnost etanolu je nižší a bod varu obou látek je přibližně shodný. I zde jsou pravděpodobně příčinou vodíkové vazby při hladině etanolu, které „zadržují“ odpařující se molekuly. To však není případ etylacetátu; zde působí pouze mnohem slabší van der Waalsovy síly. 3. Rychlost odpařování etylacetátu je vyšší než v případě butylacetátu. Tato skutečnost souvisí s bodem varu, molární hmotností a velikostí molekul obou látek. Za pomalejší odpařování butylacetátu jsou odpovědné pravděpodobně silnější van der Waalsovy síly.
39
40
Homogenní katalýza: Rozklad H202 Teorie
Katalyzátor je látka, která spouští nebo urychluje reakci, ze které sama vychází nezměněná. Zrychlující účinek katalyzátoru je důsledkem snížení aktivační energie příslušné reakce. Je-li katalyzátor odlišného skupenství než látky, které se účastní reakce, hovoříme o heterogenní katalýze. Je-li naopak katalyzátor stejného skupenství jako reaktanty, hovoříme o homogenní katalýze. Rozklad H2O2 vyjadřuje tato rovnice: 2 H2O2
katalyzátor
2H2O + O2
Může probíhat s heterogenní i homogenní katalýzou. Coby heterogenní katalyzátory se používají látky, jako jsou stříbro, oxid manganičitý(IV) (MnO2 neboli „pyrolusit“). Mezi příklady homogenních katalyzátorů můžeme uvést například roztok jodidu draselného nebo roztok katalázy. V následujících pokusech budeme zkoumat homogenní katalýzu reakce s využitím jodidu draselného a závislost uvolňování kyslíku na čase. Změnou množství katalyzátoru lze stanovit jeho vliv na reakci. Současně lze odvodit i způsob průběhu reakce samotné. Tedy jestliže proces probíhá jednorázově dle všeobecného schématu R (reaktanty) = P (produkty) molekuly kyslíku se začnou uvolňovat bezprostředně po přidání katalyzátoru. Jestliže však proces probíhá dvoufázově, tj. prostřednictvím intermediátu, dle schématu: R (reaktanty) = I (meziprodukt) = P (produkty) molekuly kyslíku se začnou uvolňovat teprve po uplynutí určité doby, tzv. „indukční periody“. Tento rozdíl mezi dvěma modely reakce lze vyčíst i ze sklonu křivky průběhu experimentu, kterou získáme sestrojením grafu s hmotností uvolněného kyslíku v závislosti na uplynulé době.
Možství produktu
Možství produktu
Čas
Čas Reakce bez meziproduktu
Reakce s meziproduktem
V těchto experimentech váha nepředstavuje pouhý váhový přístroj, ale přejímá funkci měřicího přístroje pro sledování procesu, který se odehrává v průběhu reakce. Hodnoty získané v rámci experimentu lze přirozeně vyhodnotit i na počítači. Je-li k dispozici i displej METTLER TOLEDO pro zpětný projektor, lze celou sérii experimentů provádět i coby ukázku a výsledky pohodlně interpretovat a vyhodnotit ve spolupráci se studenty.
40
41
Chemie
Materiál
Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g; případně displej pro zpětný projektor), 1 kádinka 250 ml, stříkačka nebo dělená pipeta 0–10 ml, skleněná tyčinka, 500 ml čerstvě připraveného 1% roztoku H2O2, sat. roztok Kl, hodiny se sekundovou ručičkou, milimetrový papír pro účely vyhodnocení.
Postup při pokusu
1. Na váhu umístěte kádinku a váhu vytárujte. 2. Přidejte 100 g 1% roztoku H2O2. 3. Pomocí pipety nebo stříkačky přidejte sat. roztok Kl (2,0 ml), krátce zamíchejte skleněnou tyčinkou a poté váhu opět vytárujte. 4. Ztrátu hmotnosti v důsledku uvolňování kyslíku odečítejte každých 15 sekund a hodnoty si průběžně poznamenávejte. Měření můžete ukončit po uplynutí 5–6 minut. 5. Proveďte další série měření se 4,0 ml a 8,0 ml sat. roztoku Kl. Dle potřeby proveďte i další měření se 3,0 ml, 6,0 ml a 9,0 ml roztoku Kl. Nedoporučujeme používat větší množství katalyzátoru, protože zvyšování celkového objemu reakčního roztoku způsobuje ředění; tento jev je třeba ve výpočtech kompenzovat. U uvedených koncentrací katalyzátoru se kompenzace ředění nevyžaduje. 6. Zjištěné hodnoty hmotnosti a časů se zakreslí do grafu. Poznámka: Jestliže nedostatek času (např. jsou-li měření předváděna studentům) vyžaduje rychlejší průběh reakce, lze celé série experimentů provádět i s 50 ml 3% H2O2 za použití 0,75 ml, 1,5 ml a 3,0 ml roztoku Kl coby katalyzátoru. Hodnoty zjištěné při experimentu jsou však v takovém případě ovlivněny určitou chybou, jelikož roztoky se v důsledku exotermního procesu mírně zahřívají. Nicméně výsledné hodnoty jsou dostatečně přesné, aby je bylo možno použít k vyhodnocení.
Výsledky a vyhodnocení
V sériích experimentů se 100 ml čerstvě připraveného 1% H2O2 a 2,0 ml, 4,0 ml nebo 8,0 ml sat. roztoku Kl coby katalyzátorem byly při teplotě T = 21 °C zjištěny tyto hodnoty:
Čas v sekundách
41
42
s
Množství vzniklého kyslíku v mg s s
Interpretace
Z výsledků experimentu a z grafu lze odvodit následující skutečnosti: 1. Zkoumaná reakce neprobíhá v jedné, nýbrž spíše ve dvou fázích, a to dle schématu: R (reaktanty) = l (intermediát) = P (produkty) 2. Rychlosti reakce získané stanovením sklonu křivek L1, L2 a L3 u inflexních bodů příslušných křivek jsou přímo úměrné množství katalyzátoru. Sklon L1: rychlost reakce v1 ≈ Sklon L2: rychlost reakce v2 ≈ Sklon L3: rychlost reakce v3 ≈
40 mg O2 za minutu 80 mg O2 za minutu 120 mg O2 za minutu
Obdobné chování lze často pozorovat i u enzymatických reakcí. Uvedenou reakci můžeme použít jakožto model pro takové reakce. 3. S nižší koncentrací katalyzátoru klesá nejen rychlost reakce, ale současně se zpožďuje i začátek uvolňování kyslíku. Indukční perioda reakce je jednoznačně delší. Vysvětlení těchto skutečností najdeme v profilu reakce:
42
43
Chemie
V první fázi reagují jodidové ionty a H2O2 a tvoří jodnanové ionty: –
–
I + H2O2 = IO + H2O, Tyto ionty poté reagují dále s druhou molekulou H2O2; výslednými produkty jsou voda, kyslík a jodidové ionty: – – IO + H2O2 = I + H2O + O2. Jodidové ionty vytvořené v druhé fázi reakce jsou opět k dispozici pro první fázi reakce. Jelikož obě jednotlivé fáze reakce probíhají rychleji než reakce bez přidání jodidu, lze konstatovat, že jodidové ionty mají katalytický vliv na tvorbu intermediátu IO- (jodnan). Tyto ionty snižují aktivační energii rozkladu H2O2 na vodu a kyslík. Poznámka
Další reakce probíhá, přinejmenším bezprostředně po přidání jódu, souběžně s dříve zmíněnou reakcí, ale brzy dosáhne rovnovážného stavu, a tudíž se zastaví. Zde se jodid oxiduje a vzniká kyslík a elementární jód: – 2 H3O+ + 2 I + [O] = 3 H2O + I2 +
Vznik elementárního jódu lze rozpoznat dle žloutnutí reakční směsi. Ionty H30 vznikají z vody: 2 H2O
= H3O+ + OH–
Jelikož ionty H30+ se spotřebují při tvorbě jodidu, jejich koncentrace se rychle snižuje, takže tvorba jódu skončí po dosažení rovnovážné koncentrace. Tato paralelní reakce nemá vliv na vyhodnocení výsledků uvedeného pokusu.
43
44
Biologie
Transpirace rostlin
Cíle
Materiál
Uspořádání na počátku pokusu
Postup
Vyhodnocení
– Detekce ztrát vody přes list rostliny – Závislost transpirace rostliny na ekotypu a podmínkách prostředí – Závislost transpirace na šířce a roztažení průduchů Přesná váha METTLER TOLEDO (minimální odečitatelnost 0,01 g) Kuželovité baňky s úzkým hrdlem, 100 nebo 200 ml Zátky s vývrtem Vata Parafínový olej (pokud možno obarvený lipofilním barvivem) Stolní lampa Vysoušeč vlasů U citlivých vah, a jsou-li vyžadovány krátké intervaly měření, doporučujeme sestavit tunel z plexiskla proti proudění vzduchu (lze zakoupit nařezané na požadované rozměry a lze je i snadno slepit pomocí vhodného lepidla) Rostlinný materiál: V letním semestru existuje široká škála možností. Minimálním požadavkem je jedna větev rostliny z teplého a suchého místa a jedna větev rostliny z vlhkého místa. V průběhu celého roku najdeme v parcích a zahradách: Tis (vhodné jsou i jiné jehličnany) Stálezelené rostliny rodu kalina (Viburnum rhytidophyllum – kalina vrásčitolistá, V. fragrans – kalina vonná) Stálezelené rostliny rodu skalník (např. Cotoneaster salicifolius – skalník vrbolistý) Střemcha vavřínolistá (neboli bobkovišeň lékařská, Prunus laurocerasus) je obzvláště vhodná pro přípravu tenkých řezů pod mikroskop Cesmína Oleandr Naplňte kuželovitou baňku vodou. Vložte do ní čerstvě uříznutou větev. Opatrně přidejte pipetou na hladinu vody (tak předejdete přímému odpaření) malé množství parafínového oleje. Volnou a vzpřímenou polohu větve zajistí zátka s otvorem nebo vata, případně obojí. Připravená větev se ve vhodných časových intervalech (v závislosti na citlivosti váhy a velikosti a typu větve) váží a hodnoty se zapisují do tabulky. Úbytek hmotnosti závisí zejména na ploše listů, času a relativní atmosférické vlhkosti. Proto doporučujeme vypočítat množství transpirované vody na cm2 plochy listů za minutu. Zůstává tedy určit plochu listů, což lze provést takto: listy se položí na nehybný list papíru a obkreslí tužkou. Poté se obrysy listů vystříhají a stanoví se jejich hmotnost. Dále stanovíme gramáž plochy papíru, např. 100 cm2.
45
Biologie
Příklad: Větev pelargónie
Čas
0 min 5 min 65 min
Hmotnost nádobky s větví a vodou
Hmotnostní rozdíl
108,187 g 108,135 g 107,585 g
– 52 mg 550 mg
Gramáž papíru: 2,927 g Hmotnost papírových obrysů listů: 1,172 g (100 cm2) Plocha listů v cm2:
gramáž papíru · 100 = 250 cm2 hmotnost papírových obrysů listů
Specifická transpirace = hmotnostní úbytek na cm2 za minutu =
úbytek hmotnosti čas v minutách · plocha listů
=
602 65 · 250
= 0,0370 mg/cm–2/min–1 Postup lze zjednodušit vztažením úbytku vody k hmotnosti rostliny (transpirované množství na gram hmotnosti čerstvě uříznuté rostliny za minutu). Tento způsob práce umožňuje rychleji porovnat jednotlivé rostliny. Rozšíření experimentu
Závěrečné poznámky
Větvě uchované v temnu se rychle zváží; jsou-li průduchy otevřené, transpirace probíhá rychleji. Stanoví se specifická transpirace jednotlivých rostlin. U této metody lze využít i řezy listů pod mikroskopem. Lze i měnit podmínky prostředí a pracovat stále se stejnými rostlinami: vlhký vzduch (skleněný zvon vyložený savým papírem nebo přikrytí výše uvedeného tunelu proti proudění vzduchu) suchý (pokojový) vzduch teplý vzduch (s využitím topné žárovky) proudící vzduch (s použitím vysoušeče vlasů) Větvě by se měly umístit do vody ihned po oddělení od rostliny; rovněž doporučujeme rostlinu ještě jednou zaříznout pod vodou. Větve se doporučuje řezat v období, kdy je rostlina dobře zásobena vodou, v opačném případě voda sice vodu nabere, ale v okamžiku, kdy jsou stomata zavřená, ji nebude transpirovat. Úbytek hmotnosti tudíž bude pouze nepatrný. Této situaci lze předejít několikahodinovou přípravou rostlin před zahájením experimentu.
46
46
Absorpce vodní páry lišejníkem
Cíle
Materiál
Postup
Tento experiment lze využít coby ukázku, jak rostliny absorbují vodu ze vzdušné vlhkosti. Dále experiment zdůvodní, proč stromy, které se nacházejí ve vlhkém (neznečištěném!) prostředí, a které bývají často vystavovány mlze, zpravidla obrůstají lišejníkem. Přesná váha METTLER TOLEDO (minimální odečitatelnost 0,01 g) Petriho miska (vysokostěnná) s 12 cm ∅ Petriho miska nebo plastové víčko s cca 6 cm ∅ Filtrační papír Na vzduchu vysušené lišejníky s lupenitou nebo keříčkovitou stélkou (např. Pseudoevernia furfuracea, cetraria nebo stereocaulon) Vlhká komůrka se připraví dle nákresu.
Filtrační papír
Poté je třeba přesně zvážit stélku lišejníku vysušeného na vzduchu. Zvážená stélka se umístí do vlhké komůrky, která se dobře utěsní. Po uplynutí 1/2 h se stélka znovu zváží (pracujte velmi rychle!) a poté se vrátí do vlhké komůrky. Vážení nejprve opakujte každé 1/2 h a poté v delších intervalech, dokud dochází ke změně hmotnosti.
Voda
Vyhodnocení
Závislost absorpce vody na čase se zakreslí do grafu dle následujících souřadnic:
Hmotnost stélky (g)
Čas (h)
Ve vlhké komůrce se na stélce lišejníku tvoří kondenzát. Kondenzovaná voda se zpočátku rychle absorbuje prostřednictvím pórů ve stélce lišejníku (strmý úsek křivky). Póry jsou zpočátku naplněny vzduchem. Stěny hyf následně bobtnají, dokud nedosáhnout úplné nasycenosti vodou (méně strmý úsek křivky). Zpočátku křehká a drobivá stélka lišejníku absorpcí vody měkne a získává pružnost.
47
47
Biologie
Absorpce a ztráta vody v mechorostech
Cíle
Materiál
Postup
Vyhodnocení
Mechorosty absorbují vodu z půdy pouze v nevýznamném objemu. Absorbují vodu především z deště, rosy, mlhy a vodní páry. Experimenty ukazují, jak významné množství vody mechorosty zadržují a proč tyto rostliny hrají v různých ekosystémech nezastupitelnou roli. Experimenty představují i kvalitní úvod do problematiky anatomické stavby a fyziologie mechorostů. Porovnání vodní bilance mechorostů a rostlin s tobolkovými plody je velmi poučné. Přesná váha METTLER TOLEDO (minimální odečitatelnost 0,01 g) Skleněné misky Absorpční papír Různé mechorosty (např. ploník, bělomech, rašeliník) Mech vysušený na vzduchu se zváží a poté zcela ponoří do skleněné misky naplněné vodou. Mech se zpočátku častěji a posléze v delších intervalech vyjme z vody a krátkým otřepáním a následně i šetrným přiložením absorpčního papíru se osuší od povrchové vody. Jakmile mezi dvěma měřeními již nedochází k rozdílům hmotnosti, byla dosažena maximální úroveň absorpce. Výsledkem může být např. tato tabulka:
Rostlina
Čas (min)
Hmotnost (g)
Voda (%)
V laboratorních podmínkách lze získat i extrémní hodnoty. V přírodním prostředí lze maximální absorpce dosáhnout pouze na krátký okamžik během silných srážek. V tomto okamžiku doporučujeme nepropásnout příležitost ukázat studentům vodní buňky rašeliníku a bělomechu. Viz též STEINECKE a AUGE (1963). Rozšíření experimentu
Mechorosty nasycené vodou lze rovněž použít k měření úbytku vody. Mech se umístí na suchou podložku a v pravidelných intervalech se po několik hodin (nebo dnů) váží. Výše uvedení autoři rovněž popisují pokusy s vedením vody v mechorostech. Pro účely porovnání lze absorpci a úbytek vody stejným způsobem sledovat i u hub a lišejníků.
48
48
Obsah vody a popílku v různých orgánech rostlin Cíle, předpoklady
Materiál
Postup
Následující pokusy jsou vhodné ke skupinové výuce a k dosažení těchto výukových cílů: – získání znalostí o materiálovém složení těla rostliny, – obeznámení s analytickými metodami, – praktické vysvětlení pojmů hmotnost čerstvé a suché hmoty, obsah vody, organické a anorganické látky, obsah popelovin. Studenti by již měli být obeznámeni s těmito tématy: absorpce vody a minerálních solí, fotosyntéza; současně by měli disponovat základními znalostmi chemie. Přesná váha METTLER TOLEDO (minimální odečitatelnost 0,01 g) Petriho misky nebo kádinky Porcelánové misky Komorová sušárna Bunsenův kahan s trojnožkou, porcelánový triangl, hořčíková nebo skleněná tyčinka, dle možností muflová pec Rostlinný materiál, například listy, cibule nebo hlízy, kořeny, ovoce Technický postup je založen na následujícím schématu:
Obsah vody
Počáteční hmotnost
Váha
Sušení
Suchá hmotnost
Váha
Organické látky
Spálení
Anorganické látky
Váha
Rostlinný materiál, co nejčerstvější, se zváží a poté rychle umístí do komorové sušárny. Zde se materiál vysouší při 105 °C po dobu 10 minut (rychlá destrukce tkáně předchází respiračním ztrátám) a následně se vysouší při 80 °C na stabilní hmotnost (1–2 dny). Použití stabilní teploty sušení 105 °C je nevhodné, protože různé rostlinné látky (např. éterické oleje) se při této teplotě odpařují nebo procházejí tepelným rozkladem. Po vysušení materiálu se stanoví jeho suchá hmotnost. Je-li k dispozici muflová pec, lze vysušenou rostlinnou hmotu zpopelnit přibližně při 500 °C. V opačném případě tak lze učinit v porcelánové míse nad Bunsenovým kahanem. Zpočátku použijte malý a posléze výhřevnější plamen. Karbonizující materiál občas zamíchejte. Případné shluky částic uhlíku lze odstranit takto: nechejte materiál vychladnout, navlhčete jej několika kapkami alkoholu, rozmělněte hrudky na prášek a celou směs znovu zahřejte. Zbylý popel se zváží.
49
49
Biologie
Vyhodnocení
Obsah vody se vypočítá ze vzorce: obsah vody = hmotnost čerstvé hmoty – hmotnost suché hmoty. Obsah popelovin je vyjádřen v procentech hmotnosti čerstvé a suché hmoty. Jakožto základ lze použít následující tabulku:
Vzorek
Hmotnost Hmotnost čerstvé suché hmoty (g) hmoty (g)
Obsah vody (g) (%)
(g)
Obsah popelovin (% such.) (% čerst.)
(% čerst.)
Hlávkový salát Jablko Pšeničné zrno
Je-li pokus prováděn v rámci praktické výuky, je velmi důležité, aby součástí výuky byla i diskuse nad možnými zdroji chyb ve vyhodnocení. Další možnosti
– Kvalitativní analýza popela – Zkoumání různých typů listů (opadavé, stálezelené, sukulenty) – Slunné a stinné listy nebo listy rostoucí v různých výškách, listy jednoho druhu rostliny chráněné a vystavené větru.
50
50
O lihovém kvašení
Cíle a formulace problematiky
Materiál
Postup
Vyhodnocení
Během lihového kvašení vzniká oxid uhličitý. Tento jev provází úbytek hmotnosti kvasného substrátu, což lze snadno zjistit vážením. Jsou-li vnější podmínky stabilní, lze uvolňování oxidu uhličitého za určitou časovou jednotku použít coby měřítko metabolické činnosti kvasinek. Úpravou základního experimentu lze zkoumat vlivy různých externích faktorů na fermentační činnost. Základní problematika však zůstává vždy stejná: stanovení vztahu mezi hmotností a časem s využitím vážení. Předpokládané znalosti studentů: respirace a fermentace – průběh, význam a chemické jevy v oblasti empirických vzorců. Jsou-li experimenty prováděny v rámci praktické výuky, mohou studenti sami plánovat a provádět jednotlivé série měření. V teoretické hodině o délce 45 minut lze provést ukázku vlivu teploty: jedna baňka v místnosti, další v sušárně a třetí v chladničce. V teoretické hodině však nelze sestrojit úplnou křivku průběhu fermentace. Přesná váha METTLER TOLEDO (odečitatelnost 0,01 g) Lisované droždí Glukóza Kuželovitá baňka s objemem 100 ml, zátka s vývrtem a volnou vatovou náplní Sušárna a chladnička; dle potřeby vodní lázeň nebo výhřevné svítilny. Do kuželovité baňky načerpejte vodovodní vodu (90 ml) a vložte 10 g lisovaného droždí. Poté droždí třepáním a mícháním rozpusťte. Bezprostředně před zahájením pokusu a poté, kdy suspenze dosáhne požadovanou reakční teplotu, přidejte 5 g glukózy. Proveďte první vážení (se zátkou); druhé vážení proveďte po 10 minutách, třetí po 20 minutách atd. Po každém vážení je třeba suspenzi důkladně zamíchat. Jestliže výuka vyžaduje dosažení typických fermentačních křivek ve dvouhodinové lekci, Celková hmotnost je důležité pracovat při optimální teplotě 3 °C. suspenze (g) Důležité je i jednotné, dobře regulované protřepání, které je třeba provést alespoň po každém vážení. Je-li pokus provádět při pokojové teplotě, doporučujeme použití magnetického míchátka. Vyhodnocení probíhá pomocí metody uvedené na příkladu níže. Hodnoty byly získány při pokojové teplotě 19 °C. Vyhodnocení tedy prokazuje, jakých výsledků lze na poli fermentační činnosti dosáhnout s velmi jednoduchou soustavou.
Čas (min)
51
51
Biologie
Po pomalém začátku (indukční fáze) se reakce zrychluje a poté probíhá stabilní rychlostí; tato rychlost se posléze snižuje společně s obsahem cukru. Dokončení reakce trvá několik hodin. Při 35 °C lze během 90 minut získat mírně esovitě prohnutou křivku. Množství CO2 získané z určitého množství cukru lze vypočítat stechiometricky (48,8 %). V našem experimentu by tudíž mělo být uvolněno 2,44 g oxidu uhličitého (je třeba pamatovat, že určitá část lisovaného droždí obsahuje zkvasitelné látky). Další možnosti
Závěrečné poznámky
Lze určit závislost fermentace na následujících okolnostech: – teplota např. v rozmezí 0–60 °C a se stanovením optimální teploty. Zde lze studentům demonstrovat i pravidlo, které určuje závislost rychlosti reakce na teplotě. – množství kvasničných buněk nebo enzymu Experimenty s různým množstvím droždí, např. 2–20 g. – množství cukru Například experimenty s 2,5, 5, 10 a 20 g cukru. – typ cukru – hodnota pH Z fosforečnanu sodného a dihydrofosforečnanu sodného lze připravit pufry a stanovit jejich pH. Optimální hodnota leží ve slabě kyselé oblasti. – třepání Do jaké míry podporuje fermentaci důkladné třepání nebo míchání? – živiny Vliv masového výtažku, síranu amonného a dihydrofosforečnanu draselného na substrát. – konzervanty a dezinfekční prostředky Lze například vyzkoušet účinek konzervantu kyseliny sorbové v různém množství (100, 250, 500, 1 000 a 2 000 mg). Dosažení porovnatelných výsledků předpokládá dodržení těchto pokynů: – ve všech pokusech musí být použit stejný typ kvasinek, které musejí být čerstvé. – při zvedání, přenášení a pokládání kuželovitých baněk je třeba si počínat velmi opatrně a předcházet nárazům, které mohou negativně ovlivnit výsledky pokusů. – jsou-li pokusy prováděny při různých teplotách, vážení by mělo být co nejrychlejší, aby bylo ochlazení a ohřívání substrátu udrženo v přijatelných mezích.
52
52
www.mt.com/education-line Další informace
Česko
Slovensko
Mettler-Toledo, s. r. o. Třebohostická 2283/2, 100 00 Praha 10 Tel.: +420 226 808 150, Fax: +420 226 808 170 Servis: +420 226 808 163, E-mail:
[email protected] Mettler-Toledo s. r. o. Hattalova 12, 831 03 Bratislava Tel.: +421 2 44 44 12 20, 22, Fax: +421 2 44 44 12 23 Servis: +421 2 44 44 12 21, E-mail:
[email protected] Technické změny vyhrazeny, 11795683 © 12/2014 Mettler-Toledo, s.r.o. Vytištěno v České republice
