seminář – 6. 1. 2011
Chemie
Reakce kyselin a zásad Známe několik teorií, které charakterizují – definují kyseliny a zásady. Nejstarší je Arrheniova teorie, která je platná pro vodné prostředí, podle které je kyselina látka schopná odštěpovat proton H+ a zásada je látka schopná odštěpovat ion OH–. Obecnější je teorie Brönstedova, dle které kyselina snadno odštěpuje proton H+ (je donorem H+), zásada proton H+ snadno přijímá (je akceptorem H+). např. HCl + H2O → H3O+ + OH- … chlorovodík je ve vodě kyselinou (donor H+) NH3 + H2O → NH4+ + OH- … amoniak je ve vodě zásadou (akceptor H+) Je třeba si uvědomit, že síla kyseliny (zásady) vždy záleží na prostředí, ve kterém se nachází, a dále kyselina je tím silnější, čímž snadněji proton odštěpuje (zásada tím silnější, čím snadněji proton přijímá). Některé látky (např. voda ) se mohou chovat - podle typu prostředí, ve kterém se nachází - někdy jako kyseliny, jindy jako zásady (jsou to tzv. amfolyty). K typickým reakcím kyselin a zásad patří neutralizační reakce (reakce kyseliny s hydroxidem za vzniku příslušné soli a vody). H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O Reaguje-li kyselina s alkoholem, jde o esterifikaci, např. CH3COOH + C2H5OH
CH3COOC2H5 + H2O
Při reakci kyselin s neušlechtilým kovem může dojít k vytěsnění vodíku a vzniku soli, např.: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 Některé kyseliny mohou mít navíc i oxidační účinky (konc. kys. dusičná, konc. kys. sírová) a reagují i s ušlechtilými kovy (bez vzniku vodíku !), např. 3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O Cu + 4 HNO3 → Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O Výše uvedené vlastnosti a reakce kyselin i zásad budou tématem experimentální části semináře 6.1. 2011. Kontrolní otázky: 1/ Jak se zbarví suchý pH papírek při reakci s parami HCl? 2/ Chlorovodík HCl je silnou kyselinou ve vodě. Jak se bude chovat HCl v kapalném amoniaku a jak v bezvodé kyselině sírové? 3/ Napište neutralizační reakci kyseliny mravenčí s hydroxidem sodným. 4/ Jak roste či klesá síla kyseliny v řadě HF – HCl – HBr - HI a proč? 5/ Co to je lučavka královská a jaké má vlastnosti?
Pokus 1 Měření pH vzorků Pomocí pH-metru určete pH několika vzorků, které používáte v běžném životě. Pomůcky a chemikálie: Vzorky roztoků (např. mléko, mýdlo …), 2 kádinky, pH-metr, střička s destilovanou vodou; Před měřením se musí pH metr vždy nakalibrovat. Z časových důvodů, abyste zvládli všechny experimenty je váš přístroj již nakalibrován a připraven k měření. Postup: Do kádinky nalij zkoumaný vzorek a do vzorku ponoř elektrodu pH-metru. Elektroda by se neměla dotýkat stěn kádinky. Po změření pH každého vzorku je třeba elektrodu opakovaně opláchnout destilovanou vodou ze střičky.
Úkol (1): Hodnoty pH předložených vzorků: číslo vzorku
vzorek
prostředí (kyselé, zásadité)
naměřené pH
1. 2. 3. 4. 5. Urči nejkyselejší vzorek ..........................…………………………………….. nejzásaditější vzorek ....................................................................................
Pokus 2 Potenciometrické stanovení koncentrace zásady Acidobasickou titrací stanovujeme obsah kyseliny (acid) nebo zásady (base) ve vzorku. Stanovení je založeno na neutralizační reakci, kterou můžeme vyjádřit jednoduchou rovnicí: HA + kyselina
BOH zásada
AB sůl
+
H2O voda
Jedná-li se o reakci silné kyseliny HA a silné zásady BOH, proběhne neutralizace kvantitativně, zreaguje-li ekvimolární látkové množství reaktantů bod ekvivalence, který identifikujeme pomocí indikátoru nebo použitím přístrojů, v našem případě pH-metru. V bodě ekvivalence, je látkové množství kyseliny stejné jako látkové množství použité zásady: nHA = nBOH jestliže: pak platí:
n=c.V
cHA . VHA = cBOH . VBOH
Pomůcky a chemikálie: Stojan, střička s destilovanou vodou, byreta, kádinka 100 ml, elektromagnetická míchačka, míchadlo, pH-metr se skleněnou elektrodou; 0,1 mol/dm3 roztok HCl (přesná koncentrace je uvedena na štítku na lahvi), vzorek NaOH o neznámé koncentraci
Postup: 1. Z neznámého vzorku roztoku NaOH odpipetujeme 10 ml (VNaOH) do kádinky a doplníme destilovanou vodou na cca 50ml. 2. Kádinku s roztokem položíme na elektromagnetickou míchačku. Do kádinky s roztokem vložíme míchadlo a vyzkoušíme si nastavení rychlosti otáček míchadla. 3. Míchačku vypneme. 4. Elektrodu vyjmeme z ochranného roztoku, opláchneme destilovanou vodou a ponoříme do roztoku NaOH o neznámé koncentraci tak, aby nedošlo ke styku míchadla a elektrody. 5. Zaznamenáme si počáteční hodnotu pH roztoku. 6. Titrujeme odměrným roztokem cca 0,1 mol/dm3 HCl. Titrační činidlo přidáváme po 0,5 ml. Po každém přídavku kyseliny zamícháme roztok a po vypnutí míchačky změříme pH. 7. Titrujeme tak dlouho, až dojde k výrazné změně pH a po dalších třech až pěti po sobě následujících přídavcích titračního činidla se pH roztoku dále nemění. Tabulka pro záznam změny pH roztoku v důsledku přidávání titračního činidla spotřeba titračního činidla (ml)
pH roztoku
spotřeba titračního činidla (ml)
pH roztoku
Úkol (2): Zapiš chemickou rovnicí probíhající reakci ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Z naměřených hodnot sestav titrační křivku.
Obr. grafické zpracování závislosti pH na objemu titračního činidla - titrační křivka
14 13 12 11 10
pH roztoku
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
přídavek titračního činidla (ml)
Urči z titrační křivky bod ekvivalence a spotřebu titračního činidla v tomto bodě. ………………………………………………………………………………… Vypočítej přesnou koncentraci titrovaného roztoku NaOH. ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………
Pokus 3 Barevné přechody indikátorů Pro určení kyselosti či zásaditosti roztoků používáme acidobasické indikátory. Jsou to vlastně slabé organické kyseliny nebo zásady, které při změně pH prostředí změní barvu (protonizovaná a deprotonizovaná forma indikátoru mají odlišné zbarvení). H Ind H+ + Ind– Pomůcky a chemikálie: zkumavky, střička s destilovanou vodou sada různých indikátorů, zásaditý a kyselý roztok (0,1 mol/dm3 HCl, 0,1 mol/dm3 NaOH) Postup: Do jedné zkumavky nalij 1-2 cm3 kyseliny do druhé 1-2 cm3 zásady a do každé přikápni indikátor. Zjisti barevné přechody předložených indikátorů v kyselém a zásaditém prostředí. Vyber z nich indikátory vhodné pro acidobasické reakce.
Úkol (3): 1. Doplň do tabulky barevné přechody indikátorů při různém pH. indikátor
kyselé prostředí barva
zásadité prostředí barva
acidobasický indikátor ANO - NE
Pokus 4 Reakce koncentrované kyseliny sírové
digestoř
Pomůcky a chemikálie: Petriho miska, Pasteurova pipeta, porcelánová miska, lžička, 2 zkumavky, skleněná tyčinka, lihový kahan, lžička, velká kádinka s vodou (na sběr chemického odpadu – produktů)), střička s destilovanou vodou, gumové rukavice; konc.H2SO4, cukr, špejle, skalice modrá, manganistan draselný, ethanol; a) dehydratační účinky konc. H2SO4 Použijte ochranný štít Postup: Na Petriho misku dej vzorky látek (půl kostky cukru, špejle, pár krystalů skalice modré), na každou kápni konc.H2SO4. Úkol (4a): 1. Zaznamenej a vysvětli pozorované změny látek: cukr……….………………………………………………………………………………… špejle - dřevo………………………………………………………………………………… skalice modrá ……………………………………………………………………………… b) zapálení lihového kahanu bez ohně (reakce konc. H2SO4 a KMnO4)
Použijte ochr. Štít DEMONSTRAČNĚ
Postup: Na porcelánovou misku nalij asi 2-3 ml konc. H2SO4 (použijeme Pasteurovu pipetu) a opatrně přisyp malou lžičku manganistanu draselného. Na skleněnou tyčinku naber vzniklou směs a přilož ji ke knotu lihového kahanu. Pozorované změny zaznamenej. Vzniklé produkty nalijeme do sběrné kádinky s vodou určené na chemický odpad. Úkol (4b): 1. Doplň a vyčísli chemické rovnice reakce probíhající v tomto experimentu. H2SO4 + .... KMnO4 Mn2O7 + H2O + .......... ......Mn2O7 ........ MnO2 + ....... O2 ................. + O2 .............. + .............. ethanol
2. Jakou barvu má oxid manganistý?
.............................................................
3. Vysvětli probíhající chemický děj ……….…………………………………………………………………………………
c) blesky ve zkumavce (reakce konc. H2SO4 a KMnO4)
Použijte ochranný štít DEMONSTRAČNĚ
Postup: Do zkumavky upevněné ve stojanu nalijeme do výšky asi 1-2 cm koncentrovanou kyselinu sírovou (použijte Pasteurovu pipetu) a opatrně ji převrstvíme stejným množstvím ethanolu (ethanol přiléváme po stěně zkumavky ze střičky). Dáváme přitom pozor, aby se roztoky vzájemně nepromíchaly. Do zkumavky pak přisypeme několik krystalků manganistanu draselného a pozorujeme reakci. Vzniklé produkty nalijeme do sběrné kádinky s vodou určené na chemický odpad (POZOR při vylévání reakční směsi s produkty může dojít ke vznícení nezreagovaného ethanolu. Rovnice: viz předchozí pokus 4b) Úkol (4c): Vysvětli probíhající chemický děj ……….…………………………………………………………………………………
Pokus 5 Reakce koncentrované kyseliny dusičné – xanthoproteinová reakce Koncentrovaná kyselina dusičná se například používá k nitraci organických látek. Při reakci konc. HNO3 s aromatickými aminokyselinami, které jsou vázány v bílkovinovém řetězci, vznikají žluté nitroderiváty, jejichž zbarvení se v alkalickém prostředí prohloubí do oranžova. Tato reakce se používá k důkazu bílkovin, podle žlutého zbarvení produktu nese název xanthoproteinová (xanthos – žlutý). (aromatické aminokyseliny např. fenylalanin, tyrosin obsahují benzenové jádro) Pomůcky a chemikálie: 5 zkumavek, 2 Pasteurovy pipety, kádinka (400 cm3), kádinka na vodní lázeň (400 cm3) skleněná tyčinka, lžička, gumové rukavice, ochranné brýle nebo štít; vzorky (např. uvařené vejce-bílek, kvasnice, mouka, sýr, škrob) konc.HNO3, 10% NaOH Postup: Do zkumavky se vzorkem přidej 5-6 kapek konc. HNO3 a krátce zahřej v teplé vodní lázni. Po zchladnutí přidej cca 1 ml NaOH. Úkol (5): Na základě změny zbarvení reakční směsi rozhodni, zda vzorek obsahuje bílkoviny. vzorek
zbarvení po reakci
bílkovina ANO - NE
Pokus 6 Biuretová reakce Aminokyseliny jsou vázány v řetězci bílkoviny peptidovou vazbou –CO–NH–. Charakteristickou reakcí bílkovin, konkrétně jejich peptidových vazeb, s měďnatými ionty Cu2+ v alkalickém prostředí je biuretová reakce. Tuto reakci využij k důkazu bílkovin v několika látkách. Pomůcky a chemikálie: 3 zkumavky, 2 odměrné zkumavky, stojan na zkumavky, Pasteurova pipeta, 3 skleněné tyčinky; vzorky látek, 5 % roztok síranu měďnatého, 2 % roztok hydroxidu sodného, střička s vodou; Postup: K bílku a poté k jednotlivým vzorkům (cca půl malé lžičky) ve zkumavkách přidej asi 1-2 cm3 vody, směs dobře promíchej tyčinkou. Potom do zkumavek se vzorky přikápni 5-7 kapek roztoku měďnaté soli a zamíchej. Přilij 2-3 cm3 roztoku hydroxidu sodného, promíchej. Podle zbarvení reakční směsi rozhodni, zda vzorek obsahuje bílkovinu. vzorek
LÁTKA
zbarvení
obsahuje bílkovinu ANO - NE
bílek 1 2 3 4 5 Úkol (6): Jaké zbarvení má reakční směs obsahující bílkovinu - produkt biuretové rekce .........................................................................
Pokus 7 Esterifikace a) příprava vonné esence – butylesteru resp. amylesteru kyseliny octové Pomůcky a chemikálie: zkumavka, 2 odměrné zkumavky nebo pipety, 2 kádinky (250, 400 cm3), Pasteurova pipeta, hodinové sklo, skleněná tyčinka, elektrický vařič, ochranný štít nebo brýle; butanol (C4H9OH), amylalkohol (C5H11OH), chlorid sodný (NaCl), koncentrovaná octová kyselina (CH3COOH), koncentrovaná kyselina sírová (H2SO4); Postup: Do kádinky s malým množstvím studené vody vlož zkumavku, do které odměř v tomto pořadí 1 cm3 octové kyseliny; 1,5 cm3 butanolu nebo amylalkoholu a opatrně přidej po kapkách cca 0,5 cm3 koncentrované kyseliny sírové (použij ochranný štít) a míchej tyčinkou. Zkumavku s reakční směsí zahřívej a míchej na vodní lázni téměř k varu (3-5 min.). Po vychladnutí nalij část vzniklého produktu na hodinové sklíčko s trochou pevného chloridu sodného. Posléze opatrně ke sklíčku přivoň. Do zbylé části reakční směsi ve zkumavce nasyp 1 lžičku NaCl, důkladně promíchej a přilij cca 2-3 cm3 destilované vody a opět promíchej. Zkumavku nechej chvíli v klidu ve stojanu, pozoruj obsah ve zkumavce a poté přivoň k ústí zkumavky.
Úkol (7a): Napiš chemickou rovnici probíhající reakce ............................................................................................................................. Popiš změny ve zkumavce a jakou vůni jsi připravil .................................................................................................................................................... b) hoření methylesteru kyseliny borité Pomůcky a chemikálie: stojan, držák, síťka, vařič resp. plynový kahan, špejle, zápalky, skleněná baňka, zátka se skleněnou trubičkou (až 1 m dlouhá), lžička; kyselina boritá, methanol (F, T) Postup: Do baňky upevněné na stojanu nasyp 2 lžičky kyseliny borité a přidej 20 cm3 methanolu. Baňku uzavři zátkou se skleněnou trubičkou opatrně zahřívej. Po chvíli k ústí trubičky přilož hořící špejli. Pozoruj zbarvení plamene. Úkol (7b): Doplň chemickou rovnici probíhající reakce H3BO3 + 3 CH3OH → ………………………………….. + 3 H2O trimethylester kyseliny borité Jakou barvu má plamen hořícího esteru?.........................................................................
Pokus 8 Tajné písmo psané zředěnou kyselinou sírovou Pomůcky a chemikálie: kousek filtračního papíru 20x20 cm, skleněná tyčinka nebo štětec, kádinka, kelímková svíčka; 5% H2SO4 Postup: Na filtrační papír nakresli jednoduchý obrázek roztokem kyseliny sírové a poté ho nechej volně uschnout. Vysušený papír opatrně zahřívej nad plamenem svíčky. POZOR ať papír nechytne od plamene a nezačne hořet!!! Úkol (8): Vysvětli zviditelnění „tajného“ písma. ....................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................
