Sada výukových materiálů Chemie - Zelená laboratořIzomerie V...

Izomerie Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa) Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Stanovení pH

vodných roztoků Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)

Sada výukových materiálů

ChemieProjekt „Jdeme na to od lesa!“Gymnázium, Frýdlant, Mládeže 884

IzomerieV organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného složení, ale rozdílnéstruktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné sloučeniny izomery.

CHEMIE

Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizaceautor: Mgr. Renáta Flecknová

Obsah

CHEMIE

Obsah . . . 2

Úvod . . . 3

Cíle . . . 3

Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4Izomerie organických sloučenin . . . 4

Motivace studentů . . . 6

Doporučený postup řešení . . . 7Materiály pro studenty . . . 7Záznam dat . . . 7Analýza dat . . . 7Syntéza a závěr . . . 7Hodnocení . . . 7Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 7

Pracovní návod . . . 8Zadání úlohy . . . 8Pomůcky . . . 8Bezpečnost práce . . . 8Teoretický úvod . . . 8Příprava úlohy (praktická příprava) . . . 9Postup práce . . . 9

Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 10Téma . . . 10Úkoly . . . 10Pomůcky . . . 10Vypracování . . . 10Závěr . . . 12

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 13Téma . . . 13Úkoly . . . 13Pomůcky . . . 13Vypracování . . . 13Závěr . . . 15

3CH

EMIE

Izomerie

Materiály pro učitele

ÚvodV organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného slože-ní, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné slou-čeniny izomery.

První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil teh-dejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pou-ze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení. V roce 1849 získal Louis Pasteur krystaly obou enantiomerů kyseliny hroznové. Konformaci jed-notlivých enantiomerů zjistil pomocí měření otáčení roviny polarizova-ného světla (polarimetrie).

Typ experimentu: žákovský

CíleStudenti by měli zvládnout:• napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek• sestavit model pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně

zdatné na PC)• sestavit model v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D)

Klíčové kompetence:• kompetence k řešení problémů – student uplatňuje při řešení problé-

mů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice

• kompetence k učení – student si své učení a pracovní činnost sám plá-nuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osob-ní rozvoj

Zařazení do výukyLaboratorní cvičení je vhodné zařa-dit v rámci učiva o struktuře orga-nických sloučenin.

Vyučovací předměty: chemie, IVT (program ChemSketch – freeware)

Průřezová témata: • Osobnostní a sociální výchova –

Spolupráce a soutěž

TipStudenti znají Chemsketch z před-chozího studia. Jinak je nutné vě-novat 1 vyučovací hodinu na jed-noduché seznámení se základními možnostmi tohoto programu.Ve vyšších ročnících je vhodné za-řadit práci s Chemsketch v bioche-mii (struktura nukleotidů, alkaloi-dů atd.)

Časová náročnostPříprava laboratorní práce – přípra-va techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut)Vlastní pozorování (40 minut – se-stavování modelů pomocí stavebni-ce, 30 minut na Chemsketch)2 vyučovací hodiny (45 minut)Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Bezpečnost práceNutno dodržovat zásady bezpečné-ho používání internetu a práce na školní síti!

4CH

EMIE

Izomerie


Teoretická příprava (teoretický úvod)V organické chemii se běžně setkáváme se sloučeninami stejného slože-ní, ale rozdílné struktury. Tento jev se nazývá izomerie a příslušné slou-čeniny izomery.První zmínky o izomerii pocházejí z roku 1825, kdy Friedrich Woehler při-pravil kyselinu kyanatou a zjistil, že ačkoliv má stejné prvkové složení jako kyselina fulminová, její vlastnosti se liší. Tento poznatek zničil tehdejší představu, že chemické látky mohou mít odlišné vlastnosti pouze tehdy, pokud se liší jejich prvkové složení.

Izomerie organických sloučeninVlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace.Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb.Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci).

Struktura je pojem nadřazený pojmům konfigurace a konstituce:Struktura = konstituce + konfigurace

Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumární-mu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způ-sobů uspořádání atomů v molekule) nebo několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru).V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe strukturou (=konstitucí nebo konfigu-rací) a tedy i vlastnostmi. Sloučeniny, které sice mají stejný souhrnný vzorec, ale liší se strukturou a vlastnostmi svých molekul, se nazývají izomery. Protože izomery se mohou lišit buď konstitucí, nebo konfigura-cí svých molekul, existují dva základní typy izomerie: izomerie konsti-tuční (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konstituci molekul) a izo-merie konfigurační (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v konfiguraci jejich molekul). Jsou tři konkrétní příčiny v rozdílné konstituci molekul a tedy tři konkrétní druhy konstituční izomerie. Jsou dvě konkrétní pří-činy v rozdílné konfiguraci molekul a tedy dva konkrétní druhy konfigu-rační izomerie.

1. Konstituční izomerie:

1a) Konstituční izomerie řetězováJejí příčinou je rozdílné uspořádání uhlíkových atomů v řetězci. Izome-ry se liší tvarem (vzhledem) uhlíkového řetězce:

sloučenina 1 – souhrnného vzorce C5H12 má konstituci:

CH3 –CH2 –CH2–CH2 –CH3

sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C5H12 má konstituci:CH3–CH –CH2–CH3

| CH3

Slovníček pojmůIZOMERIEKONSTITUČNÍ IZOMERIEPROSTOROVÁ IZOMERIEViz pracovní list (učitel)

Přehled pomůcek• stavebnice modelů sloučenin• PC + program ChemSketch (free-

ware)• pracovní list

5CH

EMIE

Izomerie


1b) Konstituční izomerie polohováJejí příčinou je rozdílná poloha násobné vazby v řetězci nebo rozdílné umístění některého atomu nebo skupiny atomů v molekule:

sloučenina 1 – souhrnného vzorce C5H11Cl má konstituci:CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–Cl

sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C5H11Cl má konstituci:CH3 –CH2–CH–CH2–CH3

| Cl

sloučenina 3 – souhrnného vzorce C4H8 má konstituci: CH3–CH=CH–CH3

sloučenina 4 – rovněž souhrnného vzorce C4H8 má konstituci: CH2=CH–CH2–CH3

1c) Konstituční izomerie skupinováPříčinou je přítomnost rozdílných charakteristických skupin atomů v molekulách se stejným souhrnným vzorcem:

sloučenina 1 – souhrnného vzorce C2H6O má konstituci: CH3–CH2–OH (alkohol)

sloučenina 2 – téhož souhrnného vzorce C2H6O má konstituci: CH3–O–CH3 (ether)

2. Konfigurační izomerie:

2a) Konfigurační izomerie geometrickáPříčinou tohoto typu izomerie je přítomnost dvojné vazby v molekule, kolem které neexistuje volná otáčivost atomů. Tím je dána možnost rozdílného prostorového rozmístění některých skupin atomů:

sloučenina 1 – souhrnného vzorce C4H8 má konfiguraci:CH3 CH3

| | C = C | | H H

sloučenina 2 – rovněž souhrnného vzorce C4H8 má konfiguraci:CH3 H | | C = C | | H CH3

Obě uvedené konfigurace nejsou navzájem převeditelné jedna v druhou bez zásahu do konstituce (zrušení některých chemických vazeb a vznik chemických vazeb nových).

2b) Konfigurační izomerie optickáPříčinou je přítomnost uhlíkového atomu v hybridním stavu sp3, který k sobě váže čtyři různé atomy nebo skupiny atomů. Tím je dána mož-nost rozdílného prostorového uspořádání těchto atomů nebo skupin atomů:

6CH

EMIE

Izomerie


sloučenina 1 – obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfiguraci: A

|

X―C―Y

|

B

sloučenina 2 – rovněž obecného souhrnného vzorce C(ABXY) má konfi-guraci:

A

|

Y―C―X

|

B

Podrobnosti o jednotlivých typech izomerie a pojmenovávání izomerů jsou uvedeny v kapitolách systematické organické chemie.Z uvedených příkladů vyplývá, že pro přesné určení konstituce nebo konfigurace (= pro přesné určení druhu izomerie a pojmenování izo-meru) je nutné znát strukturní (v některých případech stačí alespoň racionální) vzorec organické sloučeniny. Konfiguraci atomů v molekule znázorňují geometrické nebo konfigurační strukturní vzorce. Čím větší jsou rozdíly v konstituci nebo konfiguraci molekul izomerů, tím větší jsou rozdíly ve fyzikálních a chemických vlastnostech izomerů. Největší roz-díly ve vlastnostech izomerů způsobuje skupinová izomerie, nejmenší rozdíly izomerie optická. Izomerie je (po schopnosti uhlíkových atomů tvořit různě dlouhé a růz-ně složité řetězce) druhou příčinou ohromného počtu organických slou-čenin.

Praktické provedení Tipy

Studenti již umí zacházet s programem ChemSketch.

Motivace studentůVlastnosti chemických sloučenin nejsou ovlivněné pouze jejich složením (typy a počty obsažených atomů), ale rovněž vnitřním uspořádáním těch-to částic. Tuto skutečnost si vědci uvědomovali již v 19. století. V 20. sto-letí bylo zjištěno, že příroda preferuje D-izomery u monosacharidů.

Obr.1: Optické izomery kyseliny mléčné Zdroj: http://philosophicallydisturbed.wordpress.com/2011/01/24/ on-the-right-side-of-chemistry/

7CH

EMIE

Izomerie


Doporučený postup řešení1. Napsat strukturní nebo racionální vzorce organických látek2. Sestavení modelu pomocí stavebnice (jednodušší varianta pro méně

zdatné na PC)3. Sestavení modelu v programu ChemSketch (lze použít i zobrazení v 3D)

Materiály pro studentyPracovní list – postup. Pro práci na PC také v elektronické podobě.

Záznam datPráce na Chemsketch.

Analýza datPorovnání jednotlivých typů izomerií.

Syntéza a závěrStudenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, po-kusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

HodnoceníSestavili studenti správně jednotlivé typy izomerií?Pojmenovali správně vzorce chemických látek?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdrojehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Izomerie

http://www.chesapeake.cz/chemie/download/skripta/organicka_che-mie.pdf

KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: CHEMIE II. pro gymnázia (orga-nická a biochemie). 2. vydání, SPN, Praha, 2005. ISBN 80-7235-283-0

IzomeriePracovní návod

CHEMIE

Zadání úlohy1. Sestavte modely zadaných látek.2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch.

Pomůcky• Stavebnice modelů sloučenin• PC + program ChemSketch (freeware)

Bezpečnost práceNutno dodržovat zásady bezpečného používání internetu a práce na školní síti!

Teoretický úvodVlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace.Konstituce je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty chemických vazeb.Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci).Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (moleku-lovému, sumárnímu) vzorci odpovídá několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání ato-mů v molekule) nebo několik různých konfigurací (ně-kolik konkrétních uspořádání atomů v prostoru).V důsledku izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší ně-kolika různým sloučeninám lišícím se od sebe struktu-rou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi.Izomerie není pouze chemická „záležitost“, ovlivňuje také naše tělo. Např. u nenasycených mastných kyse-lin dochází vlivem nestability k přeměně cis-izomerů (zdravý prospěšných) na trans-izomery (škodlivé).

Obr.1: Geometrická izomerie mastných kyselin Zdroj: http://www.osvalech.cz/c-91-tuk-a-zdravi.html

9CH

EMIE

Izomerie

Pracovní návod

Příprava úlohy (praktická příprava)Před příchodem na praktickou práci je nutno si zopakovat práci s ChemSketch.

Postup práce

Nastavení HW a SWStažení volně přístupného programu pro chemiky ChemSketch (freeware).

Analýza naměřených datPorovnání struktur organických sloučenin ze stavebnice a z ChemSketch.

Izomerie uhlovodíkůPracovní list (řešená učitelská varianta)

CHEMIE

TémaIzomerie uhlovodíků

Úkoly1. Sestavte modely zadaných látek2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch

PomůckyPočítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin

VypracováníA. KONSTITUČNÍ IZOMERIE1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C6H14

hexan

3-methylpentan

izohexan

neohexan

2,3-dimethylbutan

11CH

EMIE

Izomerie

Pracovní list (řešená učitelská varianta)

2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C4H9Cl

3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru

Vysvětlete jaký je rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou?

Liší se umístěním dvojné vazby.

B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE

1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu.Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu!

1-chlorbutan

ethanol

trans-hex-3-en

zákrytová konformace

nezákrytová konformace

ethan

2-chlorbutan

dimethylether

cis-hex-3-en

židličková konformace

vaničková konformace

cyklohexan

1-chlorizobutan 2-chlor-2-methylpropan

Liší se umístním dvojné vazby.

1-chlorbutan 2-chlorbutan 1-chlorizobutan 2-chlor-2-methylpropan

ethanol dimethylether

enolforma

prop-1-en-2-ol

ketoforma

aceton

cis-hex-3-en trans-hex-3-en

dvojná vazba

dvojná vazba

Liší se umístním dvojné vazby.

1-chlorbutan 2-chlorbutan 1-chlorizobutan 2-chlor-2-methylpropan

ethanol dimethylether

enolforma

prop-1-en-2-ol

ketoforma

aceton

cis-hex-3-en trans-hex-3-en

dvojná vazba

dvojná vazba

2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací.Polohy schematicky zakreslete!

12CH

EMIE

Izomerie


3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné.

Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné.Značí se se hvězdičkou u chirálního uhlíku.

ZávěrIzomerie – jev v organické chemii, kdy sloučeniny mají stejné složení (sumární vzorec), ale rozdílné struktury a vlastnosti.

Izomerie uhlovodíkůPracovní list (žákovská varianta)

CHEMIE

TémaIzomerie uhlovodíků

Úkoly1. Sestavte modely zadaných látek2. Doplňte racionální (strukturní) vzorce organických látek pomocí Chemsketch

PomůckyPočítačový program Chemsketch (freeware), stavebnice modelů sloučenin

VypracováníA. KONSTITUČNÍ IZOMERIE1. řetězcová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C6H14

14CH

EMIE

Izomerie

Pracovní list (žákovská varianta)

2. polohová: Napište racionální vzorce a názvy látek se sumárním vzorcem C4H9Cl

3. skupinová: Napište strukturní vzorce ethanolu a dimethyletheru

Vysvětlete jaký je rozdíl mezi tzv. enolformou a ketoformou?

B. PROSTOROVÁ IZOMERIE = STEREOIZOMERIE

1. geometrická: Napište racionální vzorce cis-hex-3.enu a trans-hex-3-enu.Podle posledních úprav lze používat také (Z)-hex-3-enu a (E)-hex-3-enu!

ethan cyklohexan

2. konformační: Na příkladech ethanu a cyklohexanu sestavte možnosti konformací.Polohy schematicky zakreslete!

15CH

EMIE

Izomerie


3. optická: Sestavte a nakreslete optické antipody kyseliny mléčné.

Jak se ve vzorci označuje tzv. chirální uhlík? Vyznačte ho do vzorce kyseliny mléčné.

Závěr

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)Neutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy.

CHEMIE

Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizaceautor: Mgr. Milan Schleider

Obsah

CHEMIE

Obsah . . . 2

Úvod . . . 3Cíle . . . 3Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4Motivace studentů . . . 4Doporučený postup řešení . . . 5


Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 11Slovníček pojmů . . . 11Teoretická příprava úlohy . . . 12Vizualizace naměřených dat . . . 12Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa . . . 13Závěr . . . 14

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 15Slovníček pojmů . . . 15Teoretická příprava úlohy . . . 16Postup práce . . . 17Vizualizace naměřených dat . . . 18Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa . . . 19Závěr . . . 20

3CH

EMIE

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)


ÚvodNeutralizační titrace seznámí studenty s jednou z metod kvantitativní chemické analýzy.

CíleStudenti:• sestaví aparaturu pro neutralizační titraci• určí spotřebu odměrného roztoku• zapíši chemickou rovnici neutralizace• z dané spotřeby odměrného roztoku vypočítají molární koncentraci

octa• vypočítají hmotnostní zlomek octa, hmotnostní procenta octa• zjištěné hodnoty porovnají s údaji od výrobce (pokud výrobce na eti-

ketě uvádí procenta objemová, je nutné při porovnání provést přepo-čet na hmotnostní procenta)

Zařazení do výukyLaboratorní cvičení je vhodné za-řadit v rámci učiva obecné chemie o kyselinách a zásadách nebo také v učivu pojednávající o molárních veličinách a chemických výpo-čtech. Lze jej také zařadit v rámci učiva organické chemie o karboxy-lových kyselinách.

Časová náročnosta) příprava odměrného roztoku a ur-

čení hustoty octa (45 min., pokud činnosti rozdělíme do skupin)

b) titrace octu odměrným roztokem (45 min.)

c) zpracování naměřených výsledků (45 min.)

Pozn. 1:Časové požadavky mohou být zkrá-ceny na 45 min., pokud ad a) vyu-čující připraví sám odměrný roztok a pokud ad c) studenti zpracují vý-sledky měření za domácí úkol.

Pozn. 2:Z úsporných důvodů zde nebudu rozepisovat přípravu 0,1 M odměr-ného roztoku NaOH a jeho stan-dardizaci na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové.

Minimální požadavky na pomůckyXplorer, chemický senzor PS-2170 nebo senzor pro kvalitu vody PS-2169, senzor pro počítání kapek PS-2117Micro Stir Bar - nástavec na elek-trodu s magnetickým míchadlem (dodáván se senzorem pro počítání kapek), magnetické míchadlo.

4CH

EMIE



Teoretická příprava (teoretický úvod)Použitá metoda je metodou odměrné analýzy a nazýváme ji neutralizační titrace.K roztoku octa o přesně známém objemu přidáváme z byrety roztok hydroxidu sodného o přesně známé koncentraci. Zjistíme, kdy spolu obě látky reagují bezezbytku. Tento bod se nazývá bod ekvivalence a může-me jej určit pomocí acidobazického indikátoru nebo z titrační křivky. Bod ekvivalence nám určuje spotřebu odměrného roztoku hydroxidu sodné-ho, ze které vypočítáme molární koncentraci octa.

Při výpočtu musíme vyjít ze zápisu chemické rovnice.

Jeden mol kyseliny octové reaguje bezezbytku s jedním molem hydroxidu sodného.Můžeme psát:

Motivace studentůVíte, kolikaprocentní roztok kyseliny octové je ocet, který tak často pou-žíváme k dochucování salátů, nakládaných okurek nebo třeba tlačenky? Víte jaký údaj o složení a obsahu kyseliny octové v potravinářském octu uvádí výrobce?

Pomocí neutralizační titrace to snadno zjistíme.

Pozn. 3:c1 – molární koncentrace octa V1 – daný odměřený objem octa c2 – molární koncentrace odměr-

ného roztoku NaOHV2 – spotřeba odměrného roztoku

NaOH

Slovníček pojmůLÁTKOVÉ MNOŽSTVÍMOLÁRNÍ KONCENTRACE1M ROZTOKEKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍBOD EKVIVALENCETITR (pojem z analytické chemie)TITRACEODMĚRNÝ ROZTOKALKALIMETRIEACIDIMETRIE

Přehled pomůcek• Xplorer GLX• chemický senzor PS – 2170 nebo

senzor vodní kvality PS – 2169 nebo pH senzor PS - 2102

• počítadlo kapek PS - 2117• titrační baňka• byreta• magnetické míchadlo • magnetické mikro míchadlo – ná-

stavec na elektrodu PS – 2565• pyknometr

Obsah kyseliny octové v potravi-nářském octu:Výrobce může na etiketě použít hmotnostní procenta, ale také ob-jemová.Často vyjadřuje složení v g/100 ml hotového výrobku.Např. Bzenecký ocet (kvasný) má na etiketě uveden údaj:„Obsah kyseliny octové 8g/100ml.“Toto pak vydává za 8% ocet. Viz eti-keta.

FINAL VERZE

FINAL VERZE

5CH

EMIE



Doporučený postup řešení1. Připravíme si předem odměrný roztok hydroxidu sodného. Jeho fak-

torizaci provedeme na 0,05 M roztok kyseliny šťavelové.2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácí-

mu studiu a také pracovní listy.3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky

zpracovávat v Datastudiu nebo přímo v Datastudiu měřit.4. Připravíme Xplorer (případně PC s Datastudiem)) a pomůcky k měření.

Příprava úlohyPřed měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pra-covního listu.Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy.Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a roz-dělíme studenty do pracovních skupin.

Materiály pro studentyPracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie.Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin a výpočet koncentrace z naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam datData lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení.Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu.

Analýza datZ titračních křivek studenti určí spotřebu odměrného roztoku.

Syntéza a závěrStudenti shrnou své poznatky o tom, co a jak dělali a k jakým závěrům došli.

HodnoceníPřipravili studenti správně odměrný roztok NaOH? (Může připravit učitel.)Provedli faktorizaci odměrného roztoku? (Doporučuji, aby provedl učitel.)Určili spotřebu odměrného roztoku?Vypočítali molární koncentraci kyseliny octové v octu?Určili hustotu octa?Vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v octu?Porovnali svůj výsledek s údaji od výrobce?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdrojehttp://www.youtube.com/watch?v=5QB3z4JFfIM http://www.spolchemie.cz/eDoc/dts/FD14CD17-02E0-420E-A016-A8704B594502.pdfhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Hydroxid_sodn%C3%BD http://eshop.merci.cz/www/prilohy/253341495404.pdf http://bzeneckyocet.cz/rady-specialni-octy-na-uzasne-salaty.html

Pozn. 4:Příprava odměrného roztoku pře-dem nám uspoří čas a studenti se vyhnou práci s kyselinou šťavelo-vou.

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)Pracovní návod

CHEMIE

Zadání úlohyNeutralizační titrací zjisti molární koncentraci kyseliny octové v octu a vypočítej hmotnostní nebo objemo-vý zlomek kyseliny octové v octu.

Pomůcky• Xplorer GLX• Chemický senzor s pH elektrodou PS – 2170• počítadlo kapek PS – 2117• magnetické míchadlo• magnetické mikro michadélko – nástavec na elektrodu• byreta• stojan• titrační baňky• střička s destilovanou vodou• pipeta 0,5 ml• kádinka • nálevka• pyknometr• hydroxid sodný (nebo přímo zakoupený odměrný roztok)• kyselina šťavelová (nebo přímo zakoupený kalibrační roztok 0,05 M)

Pozn. 5:Pořizování roztoků dané koncentrace je nesrovnatelně dražší, než když si je sami připravíme.

• ocet• PC (není nutné)

7CH

EMIE


Pracovní návod

Bezpečnost práceDodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami.

Hydroxid sodnýPokyny pro bezpečné zacházení:P102 Uchovávejte mimo dosah dětí. P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření. P405 Skladujte uzamčené.

Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.

Kyselina šťavelováKrystalická látka bílé barvy (bezbarvé) rozpustná ve vodě, obsažená v ovoci a zelenině (např. ve špenátu ) a pro tělo v této formě potřebná může působit jako jed v „anorganické podobě“.Pokyny pro bezpečné zacházení:P302+P352 Při styku s kůží: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla.

Kyselina šťavelováH302 Zdraví škodlivý při požití.H312 Zdraví škodlivý při styku s kůží

Kyselina octová 99 %Standardní věty o nebezpečnosti:H226 Hořlavá kapalina, páry.H314 Způsobuje težké poleptání kůže a poškození očí.Pokyny pro bezpečné zacházení:P260 Nevdechujte páry.P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít.P305+P351+P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování.P301+P330+P331 PRI POŽITÍ: Vypláchněte ústa. Nevyvolávejte zvracení.P310 Okamžitě volejte Toxikologické informační středisko nebo lékaře.H3O+

Teoretický úvodTitrace je metoda odměrné analýzy. Podstatou neutralizačních titrací je zjištění bodu ekvivalence na zákla-dě reakce kyseliny se zásadou. Tedy zjištění, kdy spolu obě látky reagovaly bezezbytku. Vycházíme přitom z neutralizační rovnice. K roztoku o známém objemu V1 a neznámé koncentraci c1 přidáváme roztok (odměrný roztok) jehož kon-centraci přesně známe c2 a zjišťujeme spotřebu V2 tohoto roztoku v okamžiku, kdy spolu zreagují právě ekvivalentní množství těchto látek.Ze zjištěných údajů pak snadno vypočítáme molární koncentraci neznámého roztoku.

Příprava úlohy (praktická příprava)Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.

8CH

EMIE


Pracovní návod

Postup práce Nastavení HW a SW

Obecné zásady práce s Xplorerem nebo Datastudiem popisuje uživatelský manuál. Zde popíši jen některá specifika: K Xploreru připojíme např.: Chemický senzor PS-2170 a zapojíme pH elektrodu a počítadlo kapek.Založíme si nový soubor např. ocet1, a v hlavní nabídce zvolíme F1. Tím se dostaneme do „grafu“. Na svislé ose volíme pH a na vodorovné ose počet kapek, resp. spotřebovaný objem v ml (viz záznam dat).Pokud budeme pracovat v Datastudiu, připojíme Xplorer k PC.

Příprava měření1) Sestavíme si titrační aparaturu.

2) Připravíme si také střičku s destilovanou vodou a kádinku s destilovanou vodou na oplachování elektrody

Vlastní měření (záznam dat)1) Do titrační baňky odměříme 0,5 ml octu a doplníme destilovanou vodou na objem tak, aby pH elektro-

da i s magnetickým michadélkem byla dostatečně ponořena.

Tip5:Zde se mi osvědčily titrační baňky na 50 ml až 100 ml. Není pak velká spotřeba destilované vody.

2) Z hlavní nabídky v Xploreru zvolíme graf pH vs. počet kapek3) Provedeme orientační titraci. Zapneme míchadlo a tlačítko start/stop na Xploreru a z byrety po

kapkách přidáváme odměrný roztok 0,1 M NaOH o známém faktoru. Po zakreslení titrační křivky opět zmáčkneme tlačítko start stop na Xploreru.

4) Současně při tomto měření určíme objem jedné kapky. Na počítadle kapek zjistíme počet kapek a na by-retě objem v ml. Např. byretou necháme odkapat 2 ml odměrného roztoku NaOH a na počítadle kapek zjistíme počet kapek (32 k). Určíme objem jedné kapky

FINAL VERZE

9CH

EMIE


Pracovní návod

5) Na kalkulátoru v Xploreru zadáme vypočítat spotřebovaný objem NaOH z počtu kapek.

6) Přejdeme zpět do grafu a na vodorovnou osu, místo počtu kapek, vyneseme vypočítávaný objem přímo v ml.

7) Nyní máme vše pro titraci nastaveno. Provede-me tedy titraci. Určíme spotřebu odměrného roztoku (viz analýza dat) a vypočítáme koncen-traci octu (viz zpracování výsledků měření).

8) Vypočítáme hmotnostní nebo objemový zlo-mek kyseliny octové v octu a porovnáme náš výsledek s údajem od výrobce na obalu.

Uložení naměřených datV nabídce Data Files zmáčkneme F2.

Export naměřených dat na flash diskDo Xploreru vložíme „flashku“. V nabídce Data Fi-les vybereme náš soubor, zmáčkneme F4 a zvolí-me Copy File. Kurzorem vybereme flash disk a po-tvrdíme F1 (OK).

Analýza naměřených datZískali jsme graf pH vs. spotřeba odměrného roz-toku.Je několik možností, jak z grafu zjistit spotřebu.

1) Pomocí nástroje Smart Tool odhadneme inflex-ní bod:- v prvním případě V = 7,02 ml - ve druhém V = 7,08 mlRozdíl je minimální a přesnost větší než při tit-raci na fenolftalein.

10CH

EMIE


Pracovní návod

2) Metoda první derivace. Využijeme Calculator a necháme si spočítat první derivaci. V místě největšího sklonu jde graf derivace

prudce nahoru nebo dolů. Opět použijeme nástroj Smart Tool a odečteme spotřebu.

Zde odečteme spotřebu V = 7,38 ml.

3) Můžeme z hodnoty pH spočítat koncentraci a sestrojit graf koncentrace vs. spotřeba. A pomocí nástroje Smart Tool odečíst spotřebu.

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)Pracovní list (řešená učitelská varianta)

CHEMIE

Slovníček pojmůS využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy:

• LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n Fyzikální veličina, která určuje počet částic (atomů, molekul, iontů). V jednom molu látky je částic. NA je Avogadrova konstanta. Jednotka látkového množství je 1 mol.

• MOLÁRNÍ KONCENTRACE Molární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku.

• 1M ROZTOK Jednomolární roztok. Jeden mol látky v jednom litru roztoku.Příprava 1M roztoku: 1 mol látky dáme do odměrné baňky na 1000 ml a doplníme vodou po rysku.

• EKVIVALENTNÍ LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ Taková množství látek, která spolu reagují bezezbytku. Rovnost látkového množstvi.

• BOD EKVIVALENCE Bod, ve kterém spolu právě zreagovala ekvivalentní množství látek.

• TITR (pojem z analytické chemie) Jedná se o roztok s přesně známou koncentrací (nejčastěji molární koncentrací), tedy odměrný roztok

(titrační činidlo).

• TITRACE Kvantitativní metoda odměrné analýzy. Např. při neutralizačních titracích (neboli acidobazických titra-

cích) zjistíme objemy látek, které spolu při daných koncentracích reagují bezezbytku a vypočítáme ne-známou koncentraci roztoku kyseliny nebo zásady.

FINAL VERZE

FINAL VERZE

FINAL VERZE

12CH

EMIE



• ODMĚRNÝ ROZTOK Roztok přesně známé koncentrace, který přidáváme k roztoku známého objemu a neznámé koncentrace.

Teoretická příprava úlohyZapiš rovnici neutralizace kyseliny octové hydroxidem sodným:

Zapiš, v jakém poměru spolu reagují:

neboli

Vyjádři z této rovnice c1:

Doplň tabulku:

Postup práceviz pracovní list žáka

Vizualizace naměřených datZískáme titrační křivky (pH vs. objem odměrného roztoku).

n1 látkové množství kyseliny octové

c1 molární koncentrace kyseliny octové

V1 objem kyseliny octové

n2 látkové množství hydroxidu sodného

c2 molární koncentrace hydroxidu sodného

V2 objem (spotřeba) hydroxidu sodného

FINAL VERZE

FINAL VERZE

FINAL VERZE

FINAL VERZE

13CH

EMIE



Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octa1) Z titračních křivek určíme spotřebu odměrného roztoku. Máme na výběr několik možností.

a) Pomocí nástroje Smart Tool (odhadujeme bod ekvivalence):

b) Pomocí derivace (bod ekvivalence určíme pomocí derivace)použijeme nástroj derivace: Lépe se mi v tomto případě pracuje v Datastudiu:

c) Z hodnoty pH vypočítáme molární koncentraci H3O+ kationtů.

použijeme kalkulačku v Xploreru nebo Datastudiu:

A z grafu koncentrace vs. objem odměrného roztoku určíme spotřebu odměrného roztoku – odečte-me objem odměrného roztoku při dosažení nulové molární koncentrace oxoniových kationtů.

14CH

EMIE



2) Vypočítáme molární koncentraci octa:Vycházíme z neutralizační rovnice (viz teoretickou přípravu úlohy).

c2 – koncentrace odměrného roztoku NaOH (c2 = 0,1 mol/l )

f – faktor odměrného roztoku NaOH. (f = 0,882)

Pozn. 7:Jelikož se hmotnost NaOH špatně navažuje, musí se zjistit přesná koncentrace odměrného roztoku faktorizací na 0,05 M roz-tok kyseliny šťavelové. Tímto faktorem pak násobíme koncentraci c2 odměrného roztoku a získáme tak přesnou koncentraci odměrného roztoku NaOH. Hovoříme o standardizaci roztoku NaOH

V2 – spotřeba odměrného roztoku NaOHV1 – objem octu (V1 = 0,5 ml)

Dosazením do rovnice a výpočtem zjistíme molární koncentraci octu:

3) Vypočítáme hmotnostní zlomek kyseliny octové v octu.a) pomocí pyknometru zvážíme 50 ml octub) dosadíme do vzorce pro výpočet hustoty:

c) dosadíme do vztahu pro výpočet hmotnostního zlomku:

vyjádříme hmotnostní procenta: % = w · 100=7,6 %d) nebo:

1 M roztok obsahuje 1 mol látky v jednom litru celého roztoku.Naše vypočítaná koncentrace je 1,2 M. V jednom litru potravinářského octa bude kyseliny octové.1000 ml octa odpovídá 942 g942 g je 100%72,06 g je 7,6 %

Závěr (zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli)Ocet jsme titrovali 0,1 M roztokem hydroxidu sodného a ze získané spotřeby jsme určili molární koncen-traci octa c1 =1,2 mol/l a z tohoto údaje jsme vypočítali hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinář-ském octu. Zjistili jsme, že ocet je přibližně 7,6 %.

Výrobce na etiketě uvádí hodnotu 8 %. Ve skutečnosti jde o údaj 8g/100 ml.Výrobce také uvádí hustotu octa 1,01 g/ml. Po přepočítání nám vychází, že hmotnostní zlomek kyseliny octové v hotovém výrobku je w = 0,0792. Tedy Výrobce uvádí, že jeho kvasný ocet je 7,92 (hm.) %.

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

··

FINAL VERZE

Neutralizační titrace (stanovení koncentrace octa)Pracovní list (žákovská varianta)

CHEMIE


• LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ n

• MOLÁRNÍ KONCENTRACEMolární koncentrace c určuje počet molů v jednom litru celého roztoku.Zapiš vztah pro výpočet molární koncentrace, který vyplývá z definice. A zapiš jednotku molární koncentrace.

c = [c]= • 1M ROZTOK

• EKVIVALENTNÍ MNOŽSTVÍ LÁTEK

• BOD EKVIVALENCE

• TITR (pojem z analytické chemie)

16CH

EMIE



• TITRACE

• ODMĚRNÝ ROZTOK

• ALKALIMETRIE

• ACIDIMETRIE

Teoretická příprava úlohyDoplň rovnici neutralizace kyseliny octové hydroxidem sodným:

Napiš, v jakém poměru spolu reagují kyselina octová a hydroxid sodný:

neboli

Vyjádři z této rovnice c1:

Doplň tabulku podle vzoru:

n1

c1

V1 objem kyseliny octové

n2

c2 molární koncentrace hydroxidu sodného

V2

FINAL VERZE

FINAL VERZE

FINAL VERZE

FINAL VERZE

17CH

EMIE



Postup práce1) Připrav si ocet a odměrné roztoky (proveď faktorizaci 0,1 M roz-

toku hydroxidu sodného na 0,05 M roztok kyselinyšťavelové)

Pozn. 6:Bod číslo jedna může připravit vyučující.

2) Sestav titrační aparaturu.3) Připrav si pipetu na odměřování objemu octa.4) Do titrační baňky (nejlépe o objemu 50 ml nebo 100 ml) odměř

pipetou 0,5 ml octa a doplň destilovanou vodou, tak aby byla dostatečně ponořena pH elektroda.

5) V Xploreru nebo Datastudiu si zobraz graf: závislost pH vs. počet kapek (pH vs. Drop Count (drops)).

6) Proveď první titraci a urči objem jedné kapky. (Na byretě odečti určitou spotřebu v ml a v Xploreru k této spotřebě zjistíš odpo-vídající počet kapek. Podílem těchto hodnot určíš objem jedné kapky Vk = ……. ml).

7) Nyní pomocí kalkulačky v Xploreru zavedeme spotřebu v ml.8) Proveď další titrace a výsledky měření ulož nejprve v Xploreru

a pak na flash disk. Pokud pracuješ v Datastudiu, tak přímo do PC.

9) Určí průměrnou spotřebu a vypočítej molární koncentraci octa.

10) Určí histotu octa a vypočítej hmotnostní (nebo objemový) zlomek octa, resp. procenta (hm. nebo obj.) kyseliny octové v octu.

11) Výsledek porovnej s údaji od výrobce na obalu.

18CH

EMIE



titrace č. 2 vlož graf pH vs. objem



Vizualizace naměřených datZískáme titrační křivky (pH vs. objem odměrného roztoku).

19CH

EMIE



Vyhodnocení naměřených dat a výpočet koncentrace octaDoplň tabulku a z průměrné spotřeby proveď výpočet.

Pozn. 8:Pokud se některá spotřeba výrazně liší, pravděpodobně jste udělali chybu. Nezahrnujte chybné měření do výpočtů a titraci opakujte.

1) Výpočet molární koncentrace octa:

Nejprve doplň tabulku:

postup výpočtu molární koncentrace octa: (zapiš vztah a dosaď hodnoty i s jednotkami):

2) Výpočet hmotnostního (objemového) zlomku kyseliny octové v potravinářském octě a) určení hustoty octu:

číslo měření objem octu V1 spotřeba odměrného roztoku V2

1 0,5 ml 2 0,5 ml 3 0,5 ml

průměrná spotřeba V2 =

c2 V2 f (0,1M NaOH) V1 c1 (doplň z výpočtu)

hmotnost pyknometru

hmotnost pyknometru s octem

hmotnost octum (g)

objem octuV (ml)

hustota octuρ (g/ml)

hustota octuρ (g/ l)

20CH

EMIE



b) výpočet hmotnostního zlomku (procentuální koncentrace):

postup výpočtu hmotnostního zlomku a procentuální koncentrace:

Závěr (zapište co jste dělali, jak jste to dělali a k čemu jste došli)

c) Podle údajů výrobce na etiketě urči hmotnostní zlomek kyseliny octové v hotovém výrobku (kvasném octě).

Na etiketě výrobce uvádí údaj: Obsah kyseliny octové 8g/100ml. Dále výrobce uvádí hustotu octa ρ = 1,01 g/ml (pozn.: můžeš použít také svůj zjištěný údaj o hustotě octa).

Vypočítej hmotnostní zlomek kyseliny octové v potravinářském octu a výsledek porovnej s údajem, který jsi zjistil.

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku pivaPivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Některé nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy.

CHEMIE

Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizaceautor: Mgr. Renáta Flecknová

Obsah

Obsah . . . 2

Úvod . . . 3

Cíle . . . 3

Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4Obsah alkoholu . . . 4Charakteristika piva . . . 4Odbourávání ethanolu . . . 5Kategorie piva . . . 6Stupňovitost . . . 6Ethanol - CH3CH2OH . . . 7Výroba piva . . . 7

Motivace studentů . . . 8

Doporučený postup řešení . . . 8Příprava úlohy . . . 9Materiály pro studenty . . . 9Záznam dat . . . 9Analýza dat . . . 9Syntéza a závěr . . . 9Hodnocení . . . 9Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 9


Protokol (řešená učitelská varianta) . . . 13Úkoly . . . 13Pomůcky . . . 13Chemikálie . . . 13Princip . . . 13Nákres . . . 14Postup . . . 14Výsledky . . . 14Závěr . . . 15

Protokol (žákovská varianta) . . . 16Úkoly . . . 16Pomůcky . . . 16Chemikálie . . . 16Princip . . . 16Nákres . . . 17Postup . . . 17Výsledky . . . 17Závěr . . . 17

CHEMIE

3CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva M

ateriály pro učitele

ÚvodPivo je nápoj, který v nadměrném množství může působit škodlivě. Ně-které nekvalitní nealkoholické nápoje plné barviv a umělých chemických přísad jsou pro zdraví škodlivější než pivo. Pivo obsahuje mnoho vitamí-nů a dalších látek, které při jeho střídmé konzumaci působí příznivě proti vzniku aterosklerózy. Rozumná konzumace piva snižuje stres, podporuje krevní oběh, snižuje riziko srdečních onemocnění, snižuje vysoký krevní tlak.

Pivo je nápoj, který obsahuje malé množství alkoholu (0,5 - 10 %). Pivo je určeno k tomu, aby je lidé pili pro chuť, pro radost a pro lepší trávení nikoliv proto, aby se opíjeli.


CíleStudenti by měli zvládnout:• sestavit aparaturu pro destilaci• provést měření pomocí hustoměru nebo lihoměru• pomocí Štastného-Renzova tabulky zjistit obsah ethanolu v pivu• odvodit, jak je možné změnou doby fermentace ovlivnit obsah alkoho-

lu v pivu




Zařazení do výukyExperiment je vhodné zařadit v rámci učiva technologie výroby piva, analytické chemii (obsah al-koholu ve vzorku), odbourání etha-nolu v lidském těle, alkoholová fer-mentace, praktické použití enzymů. Vyučovací předměty: chemie (bio-chemie), biologiePrůřezová témata: • Environmentální výchova – Pro-

blematika vztahů organismů a prostředí

• Osobnostní a sociální výchova – Spolupráce a soutěž

TipPivo je nápoj známý všem studen-tům. Toto již samo stačí k motivaci experimentu.

Časová náročnostPříprava experimentu – příprava aparatury (15 minut), instruktáž studentů (5 minut)Vlastní pokus (40 minut = 15 minut třepání + 20 minut destilace + 5 mi-nut určení objemových procent)Dvě hodiny (2 x 45 min.)Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Chemikálie• pivo• destilovaná voda

Bezpečnost práceZákaz konzumace piva v chemické laboratoři!

4CH

EMIE



Teoretická příprava (teoretický úvod)Pivo je kvašený slabě alkoholický nápoj vyráběný v pivovaru z obilného sladu, vody a chmele pomocí kvasinek (Saccharomyces cerevisiae ssp.), který se těší značné oblibě v Česku i v zahraničí. Na území Česka se jed-ná o nejkonzumovanější alkoholický nápoj. Pivo je považováno za jeden z českých symbolů a od roku 2008 je název české pivo chráněno jako ze-měpisné označení.

Pivo je vařeno již od nepaměti a je nemožné určit místo, kde bylo uvaře-no první pivo. Jako země původu se uvádí Mezopotámie, a to přibližně již v 7. tisíciletí př. n. l.

Obsah alkoholuPivo může obsahovat od 0,5 do 10 hmotnostních procent ethanolu, ale v českých pivech je ethanolu nejčastěji mezi 4 – 5 hmotnostních procent.

Tabulka: Orientační obsah ethanolu v pivech

Slovníček pojmůPIVOETHANOLTECHNOLOGIE VÝROBY PIVAODBOURÁNÍ ETHANOLU V LID-SKÉM TĚLESTUPŇOVITOST PIVAViz pracovní list (učitel).

Přehled pomůcek• baňka (800 ml)• frakční baňka• teploměr• vodní chladič• kádinky• odměrný válec• hustoměr nebo lihoměr• kahan• 2 stojany• trojnožka• kovová síťka• pracovní návod• pracovní list

Charakteristika pivaPivo je tradičním a populárním nápojem, který má na území Česka dlou-hou tradici. Je sice nápojem alkoholickým (řadí se mezi nápoje s relativně nízkým obsahem ethanolu – 30 – 50 g v jednom litru), ale kromě alkoho-lu pivo také obsahuje přibližně 2 000 dalších látek. Obsahuje významné množství velmi kvalitní vody, takže se jedná o výrazně zavodňující nápoj, dále obsahuje také sacharidy, bílkoviny, hořké látky chmele, polyfenolic-ké sloučeniny, oxid uhličitý, vitamíny a minerální látky.

Kombinace těchto složek dává fyziologicky vyrovnaný roztok, který je v rovnováze s osmotickým tlakem krve. Významné je zastoupení minerálů v pivu, kde nacházíme kromě draslíku a sodíku, které jsou zde v příznivém poměru, také chloridy, vápník, fosfor, hořčík a křemík. Z vitamínů obsažených v pivu jsou nejvýznamnější vitaminy skupiny B – thiamin (3 % denní spotřeby v jednom litru piva), riboflavin (20 %), pyridoxin (31 %), niacin (45 %) a kyselina listová (52 %). Vitaminy sku-piny B jsou důležité pro řadu metabolických procesů (metabolismus sacharidů, lipidů, aminokyselin), funkci nervového systému a další. Je-den litr piva obsahuje přibližně 1300 – 3500 kJ představující přibližně 10 % denní spotřeby, což je méně než např. jablečná šťáva, a 200 mg biologicky aktivních látek.

Je si třeba uvědomit, že příznivé účinky piva na lidský organismus se mo-hou projevit při jeho střídmé konzumaci, kdy nepřevažují negativní účin-ky alkoholu. Pivo obsahuje hořké chmelové látky, které mají blahodárný vliv na sekreci žluči, která přímo podporuje trávení. Současně výrazně podporuje chuť k jídlu, což může vést při nestřídmé konzumaci pokrmů k nárůstu tělesné hmotnosti. Čím vyšší obsah flavonoidů použitých obil-nin a obilovin pivo obsahuje, tím vyšší je jeho léčebný a preventivní antio-xidační účinek. Obsah flavonoidů zvyšujeme delší a intenzivnější extrakcí sladu, zvýšením množství sladu, resp. přidáním sladu nebo výtažku z dal-ších obilnin a obilovin, u bylinných a ovocných piv rovněž z bylin a ovo-ce. Z různých druhů ovoce mají nejvyšší antioxidační účinky flavonoidy

Orientační obsah ethanoluStupeň piva nealkoholické 8o 10o 12o

Obsah ethanolu méně než 0,5% do 2% do 3% do 3,5%

5CH

EMIE



ostružin a malin. Barvení kulérem (karamelem) nebo pražením sladu je sice pro pivo charakteristické, avšak antioxidační hodnotu piva nezvyšuje. Ovšem ovocné šťávy (nebo přímo samotné ovoce) obsahují větší počet flavonoidů aniž by obsahovaly alkohol.

Uvádí se, že konzumace piva má příznivé účinky na dobrou náladu, pod-poru krevního oběhu, snížení rizika srdečních příhod a působí proti vyso-kému krevnímu tlaku. Konzumace piva může vést k rozvoji alkoholismu s poškozením zdraví. Avšak nejen alkohol, ale jiné látky dlouhodobou konzumací způsobují především tato onemocnění a zvýšenou úmrtnost: cirhóza jater, kolorektální karcinom, karcinom prsu, diabetes mellitus a další.

V právním řádu České republiky se pivem zabývá zejména vyhláška č. 335/1997 Sb., která provádí zákon o potravinách (zákon č. 110/1997 Sb.). Vyhláška obsahuje jak definici piva, tak požadavky na výrobu a ja-kost, rozdělení druhů piva a jeho označování.

Odbourávání ethanoluLidské tělo je schopno odbourávat ethanol dle individuálních měřítek, které záleží na hmotnosti, pohlaví, zdravotním stavu, stupni únavy a dal-ších faktorech. Doba, za kterou se z těla vyloučí ethanol uvolněný po konzumaci piva se dá jen nepřesně odhadovat. Obecně platí zásada, že čím je člověk obéznější, tím pomaleji se ethanol z jeho těla odbourává. Orientačně se občas uvádí čas okolo 2 hodin a 10 minut pro 80 kg váží-cího muže u 10° piva a 3 hodiny a 50 minut u ženy o hmotnosti 60 kg. Pro 12° pivo se pak uvádí při stejných fyziologických parametrech doba 2 hodiny a 50 minut respektive 4 hodiny a 30 minut. Jedním ze základních faktorů schopnosti odbourávat ethanol je enzym ethanoldehydrogenáza (ethanol: NAD – oxidoreduktasa). Tento enzym však některým národům úplně chybí (Eskymáci, Indiáni, některé asijské národy).

Ethanol se snadno vstřebává v ústech a v žaludku. 2 % – 10 % se vylučuje plícemi nebo ledvinami a zbytek se přemění v játrech.

Možnosti rozkladu: 1. Ethanol se vlivem působení enzymu patřící do skupiny dehydrogenáz -

oxiduje na acetaldehyd CH3COH a dále na kyselinu octovou CH3COOH – probíhá v játrech (3/4 rozpadajícího se ethanolu).

Ethanoldehydrogenása pracuje stále stejnou rychlostí, není induko-vatelná – asi 0,12 %o za hodinu. V játrech se z CH3COOH vyrábí acetyl CoA (koenzym A), který slouží k syntéze cholesterolu → alkoholici mají tzv. „tuková játra“ nebo cirhózu jater popř. ICHS

2. Organely peroxysómy, které obsahují enzymy katalázy (např. peroxidá-sa) přeměňují ethanol na acetaldehyd (asi 10% alkoholu)

3. V cytoplasmě – enzym monooxygenása, CH3CH2OH → CH3COH + H2O2

Obr. 1: Český pivař

6CH

EMIE



Kategorie pivaPiva se dle staršího dělení dělila dle koncentrace původní mladiny, zalo-žené na výpočtu hmotnostní koncentrace skutečného extraktu. Výsled-ná hodnota se uváděla v hmotnostních procentech. Na základě tohoto dělení se piva rozdělovala na piva výčepní (do 10 % hm.), ležáky (v roz-mezí 11–12,5 % hm.) a piva speciální (nad 12,5 % hm.).

Nejtypičtější druhy světlého piva v Česku jsou piva výčepní, tj. piva z ječ-ných sladů s extraktem původní mladiny 8–10 % hmotnostních, a piva ležáky, tj. piva z ječných sladů s extraktem původní mladiny 11–12 % hmotnostních. To však nejsou jediné druhy piva. Vedle obecných nále-žitostí pro označení piva (dle vyhlášky č. 324/1997 Sb.) je nutno podle vyhlášky č. 335/1997 Sb. pivo označit: názvem druhu a skupiny (např. pivo ležák), obsahem ethanolu v objemových procentech, zda jde o svět-lé či tmavé pivo a některými dalšími údaji. Pivo se začalo dělit na čtyři základní skupiny dle barvy a extraktů původní mladiny před zkvašením, obsahu alkoholu či způsobu konečné úpravy. Toto dělení prošlo v roce 2000 drobnou změnou a v současnosti platí dělení popsané níže.

Základními skupinami jsou skupina světlá, polotmavá, tmavá (z tmavé-ho nebo karamelového sladu) a řezaná piva (při stáčení smíšené z tma-vého a světlého piva). Podskupinami pak pivo výčepní, ležáky, speciální, portery, se sníženým obsahem alkoholu, se sníženým obsahem cukrů, pšeničná, kvasnicová, nealkoholická, ochucená a lehká.

Kategorie piva je povinným údajem při označení piva při prodeji.

Příklady značení: a) nesprávné značení: pivo 10stupňové, pivo 12stupňové, jedenáctka, silné 14stupňové pivob) správné značení piva: pivo výčepní, pivo ležák, speciál 14 %.

StupňovitostMnoho spotřebitelů piva si v dnešní době nesprávně zaměňuje sym-bol stupňovitosti piva s obsahem alkoholu. Kvalitu piva z velké části ur-čuje především podíl látek, které se během jeho vaření uvolní ze sla-du a z chmelu. Čím je těchto látek více, tím je pivo chutnější, plnější či hutnější, , jak chcete. V desetistupňovém pivu bylo těchto látek 10 %, ve dvanáctistupňovém 12 %, ve čtrnáctistupňovém 14 %. Odborně ře-čeno, stupňovitost znamená koncentraci (obsah) všech extraktivních látek (rozpustných ve vodě) v mladině před zakvašením (přidáním pi-vovarských kvasnic), které přešly (rozpustily se ve varní vodě) z použi-tých surovin (slad, chmel) během výrobního postupu ve varně do rozto-ku (původně čisté varní vody). Jedná se o složky cukernaté (zkvasitelné a nezkvasitelné) a složky necukerné (minerály, vitamíny a jiné), které se z použitých surovin rozpustily během vaření ve varné vodě. Když si toto vysvětlení převedeme do čísel, znamená to, že například 12% pivo ob-sahovalo 12 kg rozpuštěných látek z použitých surovin (slad, chmel) ve 100 kg mladiny (meziprodukt) před zakvašením. Z tohoto taktéž vyplý-vá, že například 12% pivo obsahuje méně vody než 10% pivo, vzhledem k poměru vstupujících surovin (slad, chmel) k vodě v mladině vyrobené ve varně ještě před přidáním pivovarských kvasnic. Pojem stupňovitost lze také vysvětlit rozdílnou plností (hutností) mezi jednotlivými pivy.

V současnosti je starší označení stupňovitost nahrazeno dle platné legis-lativy pojmem extrakt původní mladiny (EPM).

7CH

EMIE



Ethanol - CH3CH2OHMolární hmotnost: 46,07 g/molTeplota varu: 78,3 °C (101300 Pa)Hustota: 0,0789 g/mlRozpustnost ve vodě: neomezeně mísitelné

Výroba piva• biochemický princip výroby – Pivo je nápoj vzniklý zkvašením cuker-

ného roztoku (převážně maltosy) jež se získává enzymovou hydrolýzou sladového škrobu.

• z technologického hlediska se výroba piva dělí:

1) výroba sladua) máčení ječmene – mokrý ječmen obsahující až 44 % vody b) klíčení ječmene – v dobře větratelných chladných prostorách

(HUMNA), klíčí při t = 10 – 20 oC po dobu 5 – 7 dníc) rmutovací procesy – enzymatická hydrolýza sladového škrobu ve

vodném roztoku za vyšší teploty (probíhá rychleji)Výsledkem b) a c) je vysoká koncentrace alfa-amylásy (hydrolytický enzym) – významný vliv na kvalitu a chuť finálního výrobku.

d) sušení ječmene a vznik sladu – naklíčený ječmen (tzv. zelený slad) se suší v sušárně (HVOZD), kde klesne obsah vody o 5 %. Při suše-ní vznikají melanoidy – později dávají barvu piva. Usušený slad se zbavuje klíčků a nečistot.

2) vlastní výroba pivaa) příprava mladiny – slad se rozemele s vodou (rybníky) a ve varně

se zahřívá - vzniklý roztok se povaří + přidá chmel = MLADINA b) zkvašování mladiny Po přefiltrování mladiny dojde k jejímu ochlazení asi na 8 oC a při-

dání kvasinek.c) vlastní kvašení Probíhá v tzv. SPILCE. Podle stupňovitosti piva 7 – 12 dní při t = 5-10 oC. Ke konci kvašení většina kvasinek klesne na dno.d) jímání oxidu uhličitého Při kvašení vzniká CO2, který musí být jímán a je dále využíván jako

tlačné medium při manipulaci s pivem – čímž se zabrání negativní oxidaci piva.

e) dokvašování piva Probíhá v tzv. ležáckém sklepě. V uzavřených tancích při teplotě

2 oC dochází zde k dozrávání piva a „zakulacení“ chuti. Výčepní piva leží 20 dní. Ležáky a speciální piva leží až 60 dní.f) filtrace Filtrace probíhá na křemíkovém filtru. Pivo získává jiskru.

8CH

EMIE



Praktické provedení

Aparatura pro destilaci

Motivace studentůPivo je tradičním a populárním nápojem, který má na území Česka dlou-hou tradici. Pivo obsahuje mnoho vitamínů a dalších látek, které při střídmé konzumaci mohou působit příznivě proti vzniku aterosklerózy. Rozumná konzumace piva snižuje stres, podporuje krevní oběh, snižuje riziko srdečních onemocnění, snižuje vysoký krevní tlak.

Pivo je nápoj, který obsahuje malé množství ethanolu (0,5 - 10 % /obj./). Pivo je určeno k tomu, aby je lidé pili pro chuť, pro radost a pro lepší trávení nikoliv proto, aby se opíjeli. Úkolem této práce je zjistit, zda ob-jemová procenta ethanolu na etiketě piva odpovídají skutečnosti.

TipyPřed destilací se pivo musí zbavit co největšího množství CO2 (třepá-ní). Rozhodně doporučuji zkontro-lovat destilační aparaturu!

Doporučený postup řešení1. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácí-

mu studiu a také pracovní listy. 2. Provedou destilaci.3. Pomocí Šťastného-Renzova tabulky provedou výpočet objemových

a hmotnostních procent ethanolu.

Zdroj: http://www.bgml.chytrak.cz/aparatury/destilace.jpg

9CH

EMIE




Materiály pro studentyPracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie.Pracovní list – sestavení aparatury, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam datPráce s lihoměrem nebo hustoměrem.

Analýza datZ provedeného experimentu studenti zjistí hodnoty hmotnostních a ob-jemových procent alkoholu pomocí Šťastného-Renzova tabulky při tep-lotě 15 °C

Syntéza a závěrStudenti shrnou své poznatky o tom, co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, po-kusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

HodnoceníSestavili destilační aparaturu správně.Určili správně hustotu destilátu.Určili pomocí hustoty z Šťastného-Renzova tabulky objemová a hmot-nostní procenta ethanolu.S jakou chybou měření pracovali.

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje• http://cs.wikipedia.org/wiki/Pivo• http://beer.txt.cz/clanky/70728/stupnovitost-piv/

KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: CHEMIE II. pro gymnázia (orga-nická a biochemie). 2.vydání, SPN, Praha, 2005. ISBN 80-7235-283-0

FREIWILLIG,P.: Technické stavby Frýdlantska (Dopravní stavby a objekty, cihlářství a cihelny, zámecký pivovar). IRBIS, Liberec, 2011. ISBN 978-80-904852-2-8

Stanovení obsahu ethanolu ve vzorku pivaPracovní návod

CHEMIE

Zadání úlohyStanovte ze vzorku piva množství alkoholu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky• baňka (800ml) • frakční baňka• teploměr• vodní chladič• kádinky• odměrný válec• hustoměr nebo lihoměr• kahan• 2 stojany• trojnožka• kovová síťka

Bezpečnost práceZákaz konzumace piva ve školní chemické laboratoři!

Teoretický úvodObsah alkoholuPivo může obsahovat od 0,5 do 10 procent alkoholu, ale v českých pivech je alkoholu nejčastěji mezi 4–5 % (obj.).

Tabulka: Orientační obsah ethanolu v pivech

Orientační obsah alkoholuStupeň piva nealkoholické 8o 10o 12o


11CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Pracovní návod

Příprava úlohy (praktická příprava)Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu.

Postup práce

Příprava měřeníZe vzorku piva odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut. Je-li nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte.

Vlastní měření (záznam dat)1. Do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte 50 ml

destilované vody.2. Sestavte aparaturu na destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím!3. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte.

Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut.

Šťastného-Renzova tabulka k určení alkoholu z hustoty destilátu při teplotě 15 °C

12CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Pracovní návod

4. Proveďte měření destilátu.a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní zlomek ethanolub) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní% ethanolu

Analýza naměřených dat

Použili jsme pivo značky: Skalák 13% (pivovar Rohozec)Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu: 6 %

Hustoměrem jsme naměřili hustotu destilátu: 0,993 g/mlPomocí tabulky Šťastného-Renzova jsme vyhledali odpovídající:a) hmotnostní procento: w = 4,141% b) objemové procento: φ = 5,175% Odchylka od údajů výrobce: 17,5 %.

Obr.č.2: Etiketa piva Skalák z pivovaru Rohozec

Stanovení množství ethanolu ve vzorku pivaProtokol (řešená učitelská varianta)

CHEMIE

Úkoly:Stanovte ze vzorku piva množství ethanolu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky:• baňka (800 ml) • frakční baňka• teploměr• vodní chladič• kádinky• odměrný válec• hustoměr nebo lihoměr• kahan• 2 stojany• trojnožka• kovová síťka

Chemikálie:• pivo – Skalák světlé speciální pivo 13% z pivovaru Rohozec• destilovaná voda

Principa) vysvětlete termín stupňovitost pivaa) Stupňovitost piva - koncentrace (obsah) všech extraktivních látek (rozpustných ve vodě) v mladině před

zakvašením (přidáním pivovarských kvasnic), které přešly (rozpustily se ve varní vodě) z použitých surovin (slad, chmel) během výrobního postupu ve varně do roztoku (původně čisté varní vody).

b) druhy piv podle obsahu alkoholu

b)

pracoval(a):

spolupracovali(y):

datum:

třída:

Orientační obsah alkoholuStupeň piva nealkoholické 8o 10o 12o


14CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Protokol (řešená učitelská varianta)

c) teplota varu a hustota ethanoluc) Tv = 78,3 oC (za normálního tlaku), φ: 0,0789 g/ml (za normálních podmínek)

NákresAparatura pro destilaci

Postup1. Ze vzorku odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut. Je-li

nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte.2. Poté do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte

50 ml destilované vody.3. Sestavte aparaturu pro destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím!4. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte.

Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut.5. Proveďte měření destilátu.

a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní procento ethanolub) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní

procento ethanolu

VýsledkyPoužili jsme pivo značky: Skalák světlé speciální pivo 13% (pivovar Rohozec)Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu: 6 % Hustoměrem jsme naměřili hustotu destilátu: 0,993 g/mlPomocí Šťastného-Renzova tabulky jsme vyhledali odpovídající:a) hmotnostní procento: w = 4,141% b) objemové procento: φ = 5,175% Odchylka od údajů výrobce: 17,5%


15CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Protokol (řešená učitelská varianta)

ZávěrK měření jsme použili pivo Skalák 13% z pivovaru Rohozec. Na etiketě bylo napsáno, že obsahuje 6 obj. %.Pomocí měření hustoty destilátu a Šťastného-Renzova tabulky jsme určili 5,1 obj. %. Odchylka od údaje na etiketě je 17,5%.Chyba vznikla z nedostatečného odstranění CO2 na začátku pokusu.Pivo Skalák 13o patří mezi speciální piva, protože obsahuje více než 4,5 obj. % ethanolu.

Stanovení množství ethanolu ve vzorku pivaProtokol (žákovská varianta)

CHEMIE

Úkoly:Stanovte ze vzorku piva množství ethanolu v hmotnostních a objemových procentech.

Pomůcky:• baňka (800 ml) • frakční baňka• teploměr• vodní chladič• kádinky• odměrný válec• hustoměr nebo lihoměr• kahan• 2 stojany• trojnožka• kovová síťka

Chemikálie:• pivo• destilovaná voda

Principa) vysvětlete termín stupňovitost piva

pracoval(a):

spolupracovali(y):

datum:

třída:

17CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Protokol (žákovská varianta)

b) druhy piv podle obsahu alkoholu

c) teplota varu a hustota ethanolu

NákresAparatura pro destilaci

Postup1. Ze vzorku piva odstraňte oxid uhličitý. Pivo nalijte do baňky o objemu 800 ml a třepejte alespoň 15 minut.

Je-li nutné, pivo přefiltrujte přes papírový filtr a první část filtrátu (cca 20 ml) vylijte.2. Poté do destilační baňky navažte 100 g piva zbaveného oxidu uhličitého (s přesností na 0,1 g) a přidejte

50 ml destilované vody.3. Sestavte aparaturu na destilaci. Nechte ji zkontrolovat vyučujícím!4. Začněte destilovat zprvu mírně (aby se pěna nedostala do chladiče) a po uvedení do varu zahřívání zesilte.

Destilujte do celkového objemu destilátu asi 90 ml tak, aby doba destilace byla asi 30 minut.5. Proveďte měření destilátu.

a) pomocí lihoměru – určete hmotnostní zlomek ethanolub) pomocí hustoměru – určete hustotu destilátu. Pomocí Štastného-Renzova tabulky určete hmotnostní

procento ethanolu


18CH

EMIE

Stanovení obsahu alkoholu ve vzorku piva Protokol (žákovská varianta)

VýsledkyPoužili jsme pivo značky: Na etiketě je uvedena hodnota objemových procent alkoholu:

Závěr

Stanovení pH vodných roztokůBěhem laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení pH. Ke stanovení použijeme pH-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí pH.Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skutečnostike stanovení pH kapalin ze svého okolía přemýšlejí o problémech s použitímtěchto kapalin v praktickém životě.

CHEMIE

Obsah

Obsah . . . 2

Úvod . . . 3Cíle . . . 3Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4Motivace studentů . . . 6Doporučený postup řešení . . . 7Příprava úlohy . . . 7Materiály pro studenty . . . 7Záznam dat . . . 7Analýza dat . . . 7Syntéza a závěr . . . 7Hodnocení . . . 7Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje . . . 7


Protokol (řešená učitelská varianta) . . . 11Úkoly . . . 11Pomůcky . . . 11Princip . . . 11Nákres . . . 11Postup . . . 12Výsledky . . . 12Závěr . . . 12

Protokol (žákovská varianta) . . . 13Úkoly . . . 13Pomůcky . . . 13Princip . . . 13Nákres . . . 14Postup . . . 14Výsledky . . . 14Závěr . . . 14

CHEMIE

3CH

EMIE

Stanovení pH vodných roztoků

Materiály pro učitel

ÚvodBěhem laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení pH. Ke stanovení použijeme pH-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí pH.Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skuteč-nosti ke stanovení pH kapalin ze svého okolí a přemýšlejí o problémech s použitím těchto kapalin v praktickém životě.


CíleStudenti by měli zvládnout:• použít odpovídající instrumentální vybavení (senzor pH Pasco) k urče-

ní pH ve vodných roztocích• odhad kyselosti nebo zásaditosti kapalin ze svého okolí• sestavit tabulku z naměřených hodnot pH známých vodných roztoků• využít tabulky k určení kyselosti nebo zásaditosti vzorku




Zařazení do výukyExperiment je vhodné zařadit v rámci učiva o vlastnostech látek, analytické chemii (instrumentální metody), sledování pH látek v ži-votním prostředí, vliv kyselin a zá-sad na metabolismus atd.

Vyučovací předměty: chemie, bio-logie, enviromentální výchova

Průřezová témata: • Enviromentální výchova – Proble-

matika vztahů organismů a pro-středí

• Osobnostní a sociální výchova – Spolupráce a soutěž

TipVe vyšších ročnících je vhodné za-řadit variantu pokusu směřující ke stanovení pH roztoku určité látky např. v půdním výluhu, v povrcho-vé vodě, v mýdle, v pracím nebo čisticím prostředku atd.

Časová náročnostPříprava experimentu – příprava techniky (5 minut), instruktáž stu-dentů (5 minut)Vlastní pokus (40 minut)Dvě hodiny (2 x 45 min)Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí.

Chemikálie• vodný roztok NaOH (w = 1%)

• vodný roztok HCl ( w = 1%)• destilovaná voda• vzorky vodných roztoků od stu-

dentů• mlékoŽíraviny způsobují těžké poleptání kůže a poškození očí.NaOHR 35 S 1/2 -26-37/39-45HCl R 34-37S 26,36/37/39,45

Souhrn:Zdraví škodlivý při požití.Dráždí oči, kůži a dýchací cesty.Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C.

Bezpečnost práceHydroxid sodný a kyselina chloro-vodíková jsou řazeny mezi žíraviny. Nutno zkontrolovat také vzorky, které donesli studenti! Žíravina (též žíravá látka) je chemická lát-ka, která může zničit nebo nevrat-ně poškodit jinou látku, se kterou přijde do styku. Žíraviny jsou ne-bezpečné zejména pro možnost

4CH

EMIE



Teoretická příprava (teoretický úvod)pH je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentra-ce oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze hodnotu pH také určit a pak platí:pH = − log [H3O + ]Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H2O také určité množství oxo-niových kationtů H3O

+ a hydroxylových aniontů OH-. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty 10-14.V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: 10-7. To odpoví-dá pH = 7. Kyselost vzniká přebytkem H3O+. Zvýšení jejich koncentrace na stonásobek, tedy 10-5, odpovídá pH = 5. Zásaditost je přebytek hyd-roxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např. 1000× více OH- než ve vodě, klesne koncentrace iontů H3O+ na 10-10, což odpovídá pH = 10.U kyselin je pH < 7, čím menší číslo, tím „silnější“ kyselina; naopak zásady mají pH > 7, čím větší číslo, tím „silnější“ zásada.

Typy vodných roztoků podle hodnot pH:a) kyselý roztok (pH ‹ 7)b) neutrální roztok (pH = 7)c) zásaditý roztok (pH › 7)

Acidobazické indikátory• mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na pH prostře-

dí, což se projeví změnou zabarvení roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky:

Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou.Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v ob-lasti pH 8,0–9,8.Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v ob-lasti pH 3,1–4,5.Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v ob-lasti pH 4,4–6,3.Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při oky-selení roztoku změní barvu z modré na červenou.

Praktické provedení

Při laboratorní práci můžeme získat hodnoty pH dvěma způsoby:a) pomocí pH senzoru (potenciometrické měření s velkou přesností)b) pomocí univerzálního pH papírku (orientační, s přesností na jednotky)

Potenciometrické měření pHNázvem potenciometrie se označují metody využívající pro stanovení aktivity (koncentrace) sledované látky měření elektromotorického na-pětí elektrochemických článků, které nejsou proudově zatíženy (člán-kem protéká prakticky nulový proud). Je-li aktivita stanovované složky určována přímo z hodnoty elektromotorického napětí článku, jedná se o přímou potenciometrii (např. měření pH).Elektrochemické články používané při potenciometrických metodách se skládají ze dvou elektrod: elektrody měrné (indikační), jejíž poten-ciál je závislý na koncentraci stanovované látky a elektrody referent-ní, jejíž potenciál je za daných podmínek konstantní. Jako referentní elektrody se používají např. elektrody chloridostříbrné, chloridortuťné

poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravi-ně vede k poleptání.Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem „C“ a následujícím piktogramem:

Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram: GHS05

Slovníček pojmůKYSELOSTZÁSADITOSTpHACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORYViz pracovní list (učitel).

Přehled pomůcek• počítač s USB portem• PASPORT USB Link (Interface)

nebo Xplorer GLX• pH senzor (PS-2102)• software DataStudio• kádinky (8), 250 ml• vodný roztok NaOH (w=1%), 50 ml• vodný roztok HCl (w=1%), 50 ml• mléko, 50 ml• vzorky kapalin, 50 ml (každý vzo-

rek)• popisovač kádinek (lihový fix)• střička s destilovanou vodou,

250 ml• odměrný válec• pH universální papírek• pracovní návod• pracovní list• ochranné pracovní pomůcky

5CH

EMIE



(kalomelové) a merkurosulfátové; jako měrné pak většinou elektrody z kovu, jehož ionty jsou obsaženy v měřeném roztoku, nebo iontově selektivní elektrody membránové, z nichž nejznámější je elektroda skleněná.Membránový potenciál vzniká na fázovém rozhraní membrána-elekt-rolyt, jestliže membránou může prostupovat pouze jediný ion. Důsled-kem zabránění difuze odpovídajícího protiontu (např. sodného kationtu, jestliže bychom ponořili tuto elektrodu do roztoku fluoridu sodného) je vznik Donnanova potenciálu na obou stranách membrány a membráno-vého potenciálu.V roztoku uvnitř elektrody je aktivita iontu, který může difundovat mem-bránou konstantní, a je do něj ponořena vnitřní referentní elektroda, pomocí níž je ISE spojena s měřicím přístrojem (voltmetrem).

Skleněná elektrodaSkleněná elektroda patří mezi membránové iontově selektivní elek-trody. Je tvořena tenkou skleněnou membránou (nejčastěji kulovitého tvaru), zhotovenou ze speciálního sodnovápenatého skla. Elektroda je naplněna tlumičem o konstantním pH, do kterého je ponořena vnitřní referentní elektroda, označovaná také jako svodná elektroda. Nejčastěji se k tomuto účelu používá elektroda chloridostříbrná. Působením vody dochází k hydrolýze skleněné membrány a k vzájemné výměně sodíko-vých iontů ze skla za vodíkové ionty z roztoku.Měření aktivity iontů H+, resp. měření pH, skleněnou elektrodou ze sodnovápenatých skel je v silně alkalických roztocích (pH>12) zatíženo sodnou (alkalickou) chybou. Naměřená hodnota pH je menší než te-oretická. V silně kyselých roztocích (pH<1) se uplatňuje kyselá chyba. Naměřená hodnota pH je větší než teoretická. Tyto chyby lze eliminovat použitím elektrod zhotovených ze speciálních lithných skel. Na výsled-nou hodnotu potenciálu skleněné elektrody má vliv i tzv. asymetrický potenciál, jehož vznik nebyl dosud jednoznačně objasněn. Hodnota asy-metrického potenciálu je pro každou elektrodu jiná a s časem se mění (pozvolna klesá).Uvedené chyby se v praxi nejčastěji eliminují kalibrací měřicího zařízení, tj. použitého přístroje a indikačního článku, pomocí standardních roztoků.Protože potenciál skleněné elektrody je výsledkem iontově výměnné reakce, není měření skleněnou elektrodou ovlivňováno přítomností oxi-dačně-redukčních soustav, iontů těžkých kovů, bílkovin, povrchově ak-tivních látek a některých organických rozpouštědel.Nevýhodou skleněné elektrody je její křehkost a vysoký odpor (řádově MΩ), což vyžaduje použití měřicích přístrojů s vysokou vstupní impe-dancí.

Zdroj: http://www.vscht.cz/anl/lach1/3_Pot-pH.pdf

TipyKalibraci senzoru pH může vyuču-jící provést před laboratorní prací. Při instrukci před laboratorní prací opakovaně upozornit na nutnost důkladně umýt senzor pH desti-lovanou vodou. Rozhodně dopo-ručuji zkontrolovat vzorky, které přinesli studenti! Po ukončení experimentu se senzor pH ukládá do nádobky s uchovávajícím rozto-kem.

6CH

EMIE



Motivace studentůV běžném životě je důležité znát vlastnosti chemických látek, které pou-žíváme. Jednou z nich je pH, resp. zařazení chemické látky mezi kyseliny nebo zásady.Některé z nich jsou žíraviny, které mohou způsobit poleptání, přesto se jejich působení liší.Existují látky, které použijeme při odstraňování kotelního kamene a jiné, kterými můžeme odstraňovat usazeniny z odpadu.

Obr. 1: Orientační stupnice pH Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/PH.

Obr. 3 Obr. 2

Velký problém může vzniknout při jejich vylití. K vhodné sanaci potřebu-jeme znát pH roztoku vylité chemické látky.

7CH

EMIE



Doporučený postup řešení1. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácí-

mu studiu a také pracovní listy.2. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem a nebo budeme výsledky

zpracovávat v DataStudiu nebo Sparkvue.3. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření.


Materiály pro studentyPracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie.Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam datData lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení.Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v DataStudiu nebo Sparkvue, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list.

Analýza datZ naměřených dat a z provedených výpočtů studenti zjistí hodnoty pH vodných roztoků.

Syntéza a závěrStudenti shrnou své poznatky o tom co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, po-kusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

HodnoceníUrčili studenti správně hodnotu pH?Určili správně vlastnost vodného roztoku (zásaditý, neutrální, kyselý)?Odvodili možnosti a princip použití?Odvodili možnosti první pomoci při vylití nebo poleptání?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdrojehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Neutralizacehttp://cs.wikipedia.org/wiki/Kyselosthttp://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BD%C3%ADravinawww.pasco.czwww.pasco.com

FLEMR, V., DUŠEK, B.: CHEMIE I. pro gymnázia (obecná a anorganická chemie). SPN, Praha, 2001. ISBN 80-7235-147-8

Stanovení pH vodných roztokůPracovní návod

CHEMIE

Zadání úlohyUrčete hodnotu pH a přiřaďte vlastnost vodného roztoku.

Pomůcky• Xplorer GLX• pH senzor (PS-2102)• software Sparkvue nebo DataStudio• kádinky• střička s destilovanou vodou• odměrný válec• pH univerzální papírek

Bezpečnost práceDodržujte pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracujete s chemickými látkami, které jsou řazeny mezi žíraviny. Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemi-kálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram:

Žíravina (též žíravá látka) je chemická látka, která může zničit nebo nevratně poškodit jinou látku, se kte-rou přijde do styku. Žíraviny jsou nebezpečné zejména pro možnost poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravině vede k poleptání.Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem „C“ a následujícím piktogramem:

NaOH HCl R 35 R 34-37 S 1/2 -26-37/39-45 S 26,36/37/39,45

Souhrn:Zdraví škodlivý při požitíDráždí oči, kůži a dýchací cesty.Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C.

9CH

EMIE


Pracovní návod

Teoretický úvodpH je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentrace oxoniových kationtů. Ve zředě-ných vodných roztocích lze hodnotu pH také určit a pak platí:pH = − log [H3O + ]Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H2O také určité množství oxoniových kationtů H3O

+ a hydro-xylových aniontů OH-. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty 10-14. V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: 10-7. To odpovídá pH = 7. Kyselost vzniká přebytkem H3O

+. Zvýšení jejich koncentrace na sto-násobek, tedy 10-5, odpovídá pH = 5. Zásaditost je přebytek hydroxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např. 1000× více OH- než ve vodě, klesne koncentrace iontů H3O

+ na 10-10, což odpovídá pH = 10. U kyselin je pH < 7, čím menší číslo, tím „silnější“ kyselina; naopak zásady mají pH > 7, čím větší číslo, tím „silnější“ zásada.

Typy vodných roztoků podle hodnot pH:d) kyselý roztok (pH ‹ 7)e) neutrální roztok (pH = 7)f) zásaditý roztok (pH › 7)

Acidobazické indikátory• mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na pH prostředí, což se projeví změnou zabarve-

ní roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky:

Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou.Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v oblasti pH 8,0–9,8.Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 3,1–4,5.Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v oblasti pH 4,4–6,3.Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při okyselení roztoku změní barvu z modré na červenou.

Obr. 4 Zdroj: http://www.myval.cz/poradna/phhodnota.htm

Příprava úlohy (praktická příprava)Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu.

Postup práce

Nastavení HW a SWa) měření jen s Xplorerem

• Založte nový soubor např.: pH kapalin- Zapněte Xplorer a vyberte si položku Data Files- Zmáčkněte F4 (Files) a zvolte New Files- Zmáčkněte F4 (Files)a zvolte Save as… a pojmenujte soubor (v našem případě pH kapalin)- Zmáčkněte F2 Save a zmáčkněte „domeček“

• Připojte senzor pH- Po připojení senzoru pH k Xploreru vyberte v hlavní nabídce položku Senzors.

10CH

EMIE


Pracovní návod

- V přehledu senzorů se objeví pH (Visible), u ostatních zkontrolujte nefunkčnost (Not visible). Tento způ-sob umožní lepší přehlednost při měření.

- zmáčkněte „domeček“ Z hlavní nabídky Xploreru zmáčkněte Digits.

Příprava měřeníPřipravte si kádinky s různými vzorky, střičku s destilovanou vodou (opláchnutí senzoru pH) a univerzální pH papírky ...

Vlastní měření (záznam dat)Změříme pH vodných roztoků a hodnoty zapíšeme do připravené tabulky.Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor.Senzor pH vložte do 1. kádinky se vzorkem vodného roztoku. Zmáčkněte tlačítko START .Po změření hodnoty pH zmáčkněte tlačítko STOP .Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky a určete pH.Postup měření opakujte stejně i u ostatních vzorků.

Analýza naměřených datNaměřené hodnoty pH (senzorem i pH papírkem) budou seřazeny v tabulce.Seřazení dle rostoucího pH (od kyseleného k zásaditému roztoku).

Stanovení pH roztokuProtokol (řešená učitelská varianta)

CHEMIE

Úkoly:1. Určete pH zadaných chemických látek pomocí pH-senzoru systému Pasco.2. Určete pH zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru.3. Určete pH vámi přinesených 6 vzorků.4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot pH.

Pomůcky:• Xplorer GLX• pH senzor (PS-2102)• software DataStudio• kádinky• střička s destilovanou vodou• odměrný válec• pH univerzální papírek

Principa) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot pHa) 1. kyselé roztoky (pH<7); 2. neutrální roztok (pH =7); 3. zásadité látky (pH>7)

b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönstedab) Kyselina je látka schopná odštěpit H+.

c) napište, jak se definuje zásada podle Brönstedac) Zásada je látka schopná přijmout H+.

Nákres

pracoval(a):

spolupracovali(y):

datum:

třída:

Xplorer se senzorem pH

12CH

EMIE


Protokol (řešená učitelská varianta)

Postup1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor.2. Stiskněte START pro záznam hodnoty pH.3. Měření ukončete tlačítkem STOP.4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou.5. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky

a určete pH.6. Tento postup opakujte u každého vzorku.

Výsledky

Vzorek Hodnota pH(senzor Pasco)

Hodnota pH(univerzální pH papírek)

HCl 1,29 1

Kofola 3,57 4

Becherovka 5,83 5

Mattoni pomeranč 4,22 5

Dobrá voda jemně perlivá 5,23 6

Černý čaj s citronem 5,81 6

Voda z vodovodu 5,95 7

Dobrá voda bezinka 6,02 6

NaOH 12,63 13

Vzorek Hodnota pH Druh roztokuHCl 1,29

kyselý

Kofola 3,57

Mattoni pomeranč 4,22

Dobrá voda perlivá 5,23

Černý čaj s citronem 5,81

Becherovka 5,83

Dobrá voda bezinka 6,02

NaOH 12,63 zásaditý

ZávěrZde uvedete zhodnocení výsledků měření.Napište: Co jste dělal, jak a k čemu jste došli. (Pozor závěr není postup!) Často se naměřené hodnoty porov-návají s tabulkovými hodnotami (pokud lze porovnávat).

Výsledky měření pomocí senzoru pH je přesnější (až 2 desetinná místa). Až neuvěřitelná přesnost ve srov-nání s universálními pH papírky. Největší rozdíl byl u vody z vodovodu. Měřeno přístrojem 5,95 a pomocí pH-papírku 7 (rozdíl 1,05). Většina vzorků jsou kyselé roztoky. Zřejmě proto, že vzorky byly tvořeny nápoji. Tím, že je běžně používáme ke konzumaci, můžeme přispívat k „překyselení“ našeho organismu. Toto může vést k zadržování vody v našem těle a docházet k nárůstu hmotnosti.Výjimkou byly kontrolní vzorky HCl a NaOH.

Stanovení pH roztokuProtokol (žákovská varianta)

CHEMIE

Úkoly:1. Určete pH zadaných chemických látek pomocí pH-senzoru systému Pasco.2. Určete pH zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru.3. Určete pH vámi přinesených 6 vzorků.4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot pH.

Pomůcky:• Xplorer GLX• pH senzor (PS-2102)• software DataStudio• kádinky• střička s destilovanou vodou• odměrný válec• pH univerzální papírek

Principa) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot pH

b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönsteda

c) napište, jak se definuje zásada podle Brönsteda

pracoval(a):

spolupracovali(y):

datum:

třída:

14CH

EMIE


Protokol (žákovská varianta)

Nákres

Postup1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte pH senzor.2. Stiskněte START pro záznam hodnoty pH.3. Měření ukončete tlačítkem STOP.4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou.5. Do zkumavky vložte pH papírek a změřte hodnotu pH vodného roztoku. pH papírek vyndejte ze zkumavky

a určete pH.6. Tento postup opakujte u každého vzorku.

Výsledky

Vzorek Hodnota pH(senzor Pasco)

Hodnota pH(univerzální pH papírek)

HCl

NaOH

Závěr

Xplorer se senzorem pH

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)Měřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebovává.

CHEMIE

Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizaceautor: Mgr. Milan Schleider

Obsah

CHEMIE

Obsah . . . 2

Úvod . . . 3Cíle . . . 3Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4Motivace studentů . . . 4Doporučený postup řešení . . . 4


Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 9Slovníček pojmů . . . 9Teoretická příprava úlohy . . . 10Vizualizace naměřených dat . . . 10Vyhodnocení naměřených dat . . . 11Závěr . . . 13

Pracovní list (žákovská varianta) . . . 14 Slovníček pojmů . . . 14Teoretická příprava úlohy . . . 15Vizualizace naměřených dat . . . 16Vyhodnocení naměřených dat . . . 17Závěr . . . 18

3CH

EMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) M


ÚvodMěřením teploty při rozpouštění solí, ředění kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích zjistíme, zda se energie uvolňuje nebo spotřebo-vává.

CíleStudenti:• měřením teploty na začátku, v průběhu a na konci děje zjistí, zda jde

o děj exotermický nebo endotermický• ze známého vztahu Q = m · c · Δt, vypočítají teplo, které se uvolnilo

nebo spotřebovalo

Zařazení do výukyPokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermic-ké a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, ka-lorimetrie) a také v rámci fyzikální-ho a chemického semináře.

Pozn. 1:Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva chemie v kvintě (exotermic-ké a endotermické reakce), v sextě (I. a II. termodynamický zákon, ka-lorimetrie) a také v rámci fyzikální-ho a chemického semináře.

Časová náročnosta) rozpouštěcí tepla (45 min.)b) zřeďovací tepla (45 min.)c) reakční tepla (45 min.)

Pozn. 2:Při realizaci pokusů a výpočtech se dopouštíme mnohých zjednoduše-ní. Např. neohříváme čistou vodu, ale vodu se solí či kyselinou. Naše „kalorimetry“ jsou jen kádinky a měření je zatíženo chybami atd.

Tip1: Vypočítejte reakční tepla ze slučo-vacích nebo spalných tepel a po-rovnejte své výpočty s naměřený-mi údaji. Např.: Hořením známého množství butanu ohřejte 100 ml vody. (samostatné cvičení)

Minimální požadavky na pomůckyXplorer, teploměr PS – 2153, kádin-ka, magnetické míchadlo, magnetic-ké michadélko, váhy, lžíce.

4CH

EMIE



Motivace studentůMěli jste někdy chuť na teplý nápoj? Byli jste na horách a čaj v termosce vystydl? Již nemusíte zoufat. Teplý nápoj můžete mít s sebou kdykoliv. Stačí si vzít vodu a chlorid vápenatý. Nebo si koupit nápoj CaldoCaldo:

Po zatlačení na píst se smíchá voda s chloridem vápenatým a uvolněné teplo ohřeje nápoj.Naopak, potřebujeme-li např. v laboratoři chladit nějakou probíhající re-akci pod bod mrazu, přidáme k vodě s ledem sůl.

Doporučený postup řešení1. Připravíme si chemikálie, které máme k dispozici a podle toho upraví-

me pracovní návod.2. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácí-

mu studiu a také pracovní listy.3. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem anebo budeme výsledky

zpracovávat v datastudiu.4. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření.5. Analýza dat, pochopení výsledků měření, vyslovení závěrů.


Materiály pro studentyPracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie.Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů.

Záznam datData lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení.Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list.Také můžeme připojit Xplorer k PC a měřit přímo v Datastudiu.

Slovníček pojmůSAMOVOLNÝ DĚJENDOTERMICKÝ DĚJEXOTERMICKÝ DĚJTEPLOENTALPIEI. TERMODYNAMICKÝ ZÁKONII. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

Přehled pomůcek• Xplorer GLX• čidlo teploty dodávané společně

s Xplorerem• ocelový teploměr PS – 2153 (pro

tato měření je vhodnější)• teflonový kryt na teploměr Cl –

6549• magnetické míchadlo• magnetické michadélko• kádinka• odměrný válec• digitální váhy• byreta• chemikálie

5CH

EMIE



Analýza datZ naměřených teplot soustav na začátku a na konci děje studenti určí, zda je samovolný děj exotermický nebo endotermický.

Syntéza a závěrStudenti zapíší:a) co dělalib) jak to dělalic) k jakým závěrům dospěliSvé výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou.

HodnoceníZměřili studenti správně teplotu soustavy na začátku a na konci děje?Vypočítali správně uvolněné teplo?Určili správně exotermické a endotermické děje?Určili správně znaménka hodnot veličin ΔH = ΔQp ?

Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje• http://cs.wikipedia.org/wiki/Termochemie• http://www.youtube.com/user/milan653pasco?feature=mhee• GHS, Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování

chemikálií• H – věty http://cs.wikipedia.org/wiki/H-v%C4%9Bty• P – věty http://cs.wikipedia.org/wiki/P-v%C4%9Bty• W. J. MOOR, Fyzikální chemie, SNTL, 1979• V. Novotný, V. Siládiová, K. Daučík, Fyzikální chemie pro 3. ročník SPŠ

chemických, SNTL, 1973

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)Pracovní návod

CHEMIE

Zadání úlohyZměř změnu teploty při rozpouštění solí, zřeďování kyselin a hydroxidů a při chemických reakcích.

Pomůcky• Xplorer GLX• ocelový teploměr PS – 2153• teflonový obal na teploměr Cl – 6549• magnetické míchadlo• magnetické michadélko• digitální váhy a váženka• kádinka• lžíce• chemikálie (NaCl, KCl, NH4NO3, NH4Cl, bezvodý CaCl2, NaOH, HCl, Zn)

Bezpečnost práceDodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracuješ s žíravinami.

Hydroxid sodnýPokyny pro bezpečné zacházení (P – věty):P102 Uchovávejte mimo dosah dětí.P280 Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít.P305+P351+P338 PŘIZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny, a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování.P314 Necítíte-li se dobře, vyhledejte lékařskou pomoc/ošetření.P405 Skladujte uzamčené.

Hydroxid sodný H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.

7CH

EMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod

Kyselina chlorovodíkováPokyny pro bezpečné zacházení (P – věty):P 102, 234, 260, 280, 303+361+353,304+340,305+351+338,309+311

Kyselina chlorovodíkováH314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí.H335 Může způsobit podráždění dýchacích cest.H290 Může být korozivní pro kovy.

Chlorid vápenatýPokyny pro bezpečné zacházení (P – věty):P 102, 234, 260, 261, 262, 280, 303+361+353,304+340,305+351+338,309+311

Chlorid vápenatýH319 Způsobuje vážné podráždění očí

Teoretický úvodZatímco I. termodynamický zákon je obecným vyjádřením zákona zachování energie, tak druhý termody-namický zákon říká, jakým směrem bude děj probíhat.I. termodynamický zákon je nepostradatelný při energetické bilanci dějů, ale neumožňuje předpovídat průběh chemické reakce. Neumí říct, zda je děj samovolný. I když dlouho se chybně předpokládalo, že samovolný děj je děj, při kterém se uvolňuje energie. Dnes víme, že nelze určit směr samovolného děje například na základě znaménka veličiny ΔH (změny entalpie), tedy na základě zjištění, že se energie uvol-nila nebo spotřebovala. Samovolné děje mohou být exotermické i endotermické.

Příprava úlohy (praktická příprava)Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.

Postup práce Nastavení HW a SW

Založíme si soubor, který si pojmenujeme např. rozpousteci teplo.Podle potřeby můžeme nastavit vzorkování (SampleRate) a samozřejmě jednotkou teploty zvolíme nám nejbližší °C.Protože mezi jednotlivými měřeními může být určitý prostoj, je třeba nastavit automatické vypínání na delší čas – 10 min by mělo stačit (HlavníNabídka – Settings – AutoPowerOff).

Příprava měřeníPodle obrázku sestavíme potřebnou aparaturu.Připravíme si potřebné chemikálie:Chlorid sodný, chlorid draselný, chlorid amonný, bezvodý chlorid vápenatý, dusičnan amonný, kyselina chlorovodíková, kyselina sírová, hydroxid sodný a zinek.

8CH

EMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní návod

Vlastní měření (záznam dat)a) Do kádinky přidáme 100 ml vody. Navážíme 1 g vzorku příslušné soli nebo hydroxidu. Kádinku s vodou

a magnetickým míchadélkem postavíme na magnetické míchadlo, které samozřejmě zapneme.

Upozornění:Občas, vinou nepozornosti, student zapne místo míchání ohřev! I když by to mohlo být zajímavé, sledovat zda teplota ovlivní přijaté nebo uvolněné teplo, tak v tomto cvičení to dělat nebudeme a ohřev musí zůstat vypnutý.

V hlavní nabídce Xploreru vybereme položku Graph. Sledujeme graf Temperature vs. Time. Zapneme tlačítko start/stop a do 100 ml vody přidáme 1 g vzorku. Počkáme, až se teplota ustálí a znova zmáčkneme tlačítko start/stop.

Doporučení:Data je vhodné uložit vždy po každém měření a na konci cvičení je exportovat na flash disk.

Kádinku, teploměr a míchadlo řádně umyjeme a provedeme totéž měření s dalším vzorkem stejné hmotnosti.

Tip2:Pokuste se docílit vždy stejné teploty vody na počátku pokusu a vzorek přidejte vždy ve stejný časový okamžik po zmáčknutí tlačítka start/stop. Např.: vzorek přidám do vody vždy v páté sekundě.

b) Do kádinky se 100 ml vody přikapáváme z byrety kyselinu chlorovodíkovou. Dejme tomu, že 2,4 ml 35% kyseliny, což odpovídá 1g kyseliny chlorovodíkové. Opět měříme teplotu a zaznamenáváme pomocí Xploreru teplotu v průběhu rozpouštění (ředění) kyseliny.

c) Sestavíme aparaturu na vyvíjení plynů a přidáme teplotní senzor, na kterém je teflonový kryt.

Pro zajímavost můžeme druhý teplotní senzor umístit vně dna baňky.

Zapneme tlačítko start/stop, čímž začneme měřit teplotu a z dělící baňky přikapáváme kyselinu chlorovodíkovou ředě-nou s vodou v poměru 1:1 (objemově). Po ustálení teploty měření zastavíme.

VodíkH220 Extrémně hořlavý plyn

Při reakci vzniká vodík, který je ve směsi se vzduchem výbušný. Nemanipulujte s otevřeným ohněm.

Uložení naměřených datNyní v Xploreru zmáčkneme „domeček“ a vybereme položku Data Files. Zmáčkneme tlačítko „zatr-žítko“, a protože soubor máme již založen, zmáčkneme tlačítko F2 a měření uložíme.Na konci cvičení data exportujeme na flash disk.

Analýza naměřených datAnalýzou grafu urči, zda se teplo uvolnilo, či spotřebovalo.I přesto, že měření jsme neprováděli v kalorimetru, tak pro měření ad a), kdy přidáváme do 100 ml vody 1 g soli, urči počáteční a konečnou teplotu vody a vypočítej teplo, které se spotřebovalo nebo uvolnilo. Je jasné, že část tepla se uvolnila také na ohřátí kádinky. Tyto ztráty nebudeme uvažovat.

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)Pracovní list (řešená učitelská varianta)

CHEMIE


• SAMOVOLNÝ DĚJ Každá izolovaná soustava se snaží přejít samovolnými nevratnými pochody do rovnovážného stavu. Sa-

movolné pochody končí dosažením rovnovážného stavu. V termodynamice zavádíme důležitou funkci, která se nazývá Entropie. Změna entropie ΔS nám pak říká, zda je děj samovolný. U samovolných po-chodů je tato změna kladná tzn., že entropie vzrůstá. Rovnovážná soustava nabývá maximální možné entropie.

• ENDOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) spotřebovává.

• EXOTERMICKÝ DĚJ Děj, při kterém se energie (teplo) uvolňuje.

• TEPLOTA T Teplota je fyzikální veličina, která nám říká, jak je těleso teplé. Jednotka je K (Kelvin). Vedlejší jednotka

je °C.

• TEPLO ΔQ Teplo Q je část vnitřní energie U. Jednotka tepla je J (Joule).

• ENTALPIE ΔH Je teplo, které soustava vymění s okolím při konstantním tlaku. ΔH = ΔQp

• MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA Charakterizuje daný materiál. Je to teplo, které přijme nebo odevzdá těleso z dané látky o hmotnosti

1 kg a přitom se ohřeje nebo ochladí o jeden kelvin.

Např.: Měrná tepelná kapacita pro vodu c = 4180 = 4180 , což znamená, že těleso

z vody o hmotnosti 1 kg zvýší svoji teplotu o 1 °C, pokud přijme teplo 4180 J.

Jkg · K

Jkg · °Cʼ

10CH

EMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (řešená učitelská varianta)

• I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Je obecným vyjádřením zákona zachování energie: ΔU = ΔQ – p · ΔV

Tuto rovnici můžeme „přečíst“ např. takto: „Změna vnitřní energie soustavy je rovna teplu, které sousta-va přijme mínus práce, kterou soustava vykoná.“

• II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Druhý termodynamický zákon nám říká, jakým směrem bude děj probíhat. Lze ho vyslovit např. takto:

„Teplo samovolně přechází vždy z tělesa teplejšího na chladnější.“

• KRYOSKOPIE Je metoda, která se zabývá snížením teploty tuhnutí roztoků.

Teoretická příprava úlohyDoplň tabulku:

Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala voda o hmotnosti 100 g.

�Qp = �H = m · c · �T

kde m 100g je hmotnost vody (ρ(H2O) = 1g/ml), c = 4180 J · kg-1 · K-1 je měrná tepelná kapacita pro vodu a �T je rozdíl počáteční a konečné teploty vody.

Vizualizace naměřených data) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli

fyzikální veličina značka jednotkatermodynamická teplota T Kteplota (Celsiova stupnice) t °Cteplo Q Jzměna Entalpie �H Jzměna Vnitřní energie �U Jhmotnost m kg

měrná tepelná kapacita c Jkg · K

11CH

EMIE


b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl

c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou

Vyhodnocení naměřených dat1) Do 100 ml vody jsme přidali 1g NH4NO3

Použitím nástroje DeltaTool odečteme roz-díl počáteční a konečné teploty vody. Vidí-me, že teplota poklesla o 0,77 °C. Teplo při rozpouštění dusičnanu amonného se spo-třebovalo. Tento samovolný děj je endoter-mický.

12CH

EMIE


Výpočet spotřebovaného tepla:počáteční teplota t1 = 13,84 °Ckonečná teplota t2 = 13,07 °Crozdíl teplot �t = t1 – t2 = (13,84 – 13,07) °C = 0,77 °Cměrná tepelná kapacita vody c = 4180 J · kg-1 · °C-1

hmotnost vody m = 0,1 kg

Qp = �H = m · c · �t = 0,1 kg · 4180 · 0,77 °C = 321,86 J 322 J

Při rozpouštění 1 g dusičnanu amonného se spotřebovalo teplo 322 J.

2) Do 100 ml vody jsme přidali 1 g bezvodého chloridu vápenatého.

I zde jsme ke zjištění rozdílu mezi počáteční a konečnou teplotou použili nástroj DeltaTool. Teplota se při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého zvýšila o 0,89 °C. Teplo se při rozpouštění chloridu vápenatého uvolňuje. Tento samovolný děj je exotermický.

Pozn. 3:Pro přesnější určení přijatého nebo odevzdaného tepla je nutné započítat teplo přijaté (odevzdané) kalorimetrem. Pro naše měření jsme toto teplo neuvažovali. Také měrná tepelná kapacita pro soustavu „voda + sůl“ bude jiná než pro čistou vodu.

Výpočet tepla, které se uvolnilo při rozpouštění bezvodého chloridu vápenatého:počáteční teplota t1 = 13,88 °Ckonečná teplota t2 = 14,78 °Crozdíl teplot �t = t2 – t1 = (14,78 – 13,88) °C = 0,89 °C 0,9 °Cměrná tepelná kapacita vody c = 4180 J · kg-1 · °C-1

hmotnost vody m = 0,1 kg

Qp = �H = m · c · �t = 0,1 kg · 4180 · 0,9 °C 376 J

Při rozpouštění 1 g bezvodého chloridu vápenatého se uvolnilo teplo 376 J.

Výpočty proveď také pro další pozorované děje.

Jkg · K

Jkg · K

13CH

EMIE


Výsledky zapiš do přehledné tabulky:

Pozn. 4:Záporné znaménko u hodnoty �H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii).

ZávěrTeplo přechází samovolně vždy z tělesa teplejšího na chladnější. Z našich měření jsme zjistili, že samo-volné děje mohou být exotermické i endotermické (viz tabulku).

Zjišťování tepelných „zabarvení“ dějů má význam pro energetické bilance v průmyslu.

Rozpouštěcí tepla se využívají např. při sestavování složení chladících směsí. Roztok tuhne při nižší teplotě než rozpouštědlo. Takže můžeme v zimě solit cesty, abychom zamezili vzniku náledí.

Rozpouštěcí tepla se mohou využít např. pro „samoohřívací“ nápoje CaldoCaldo.

látkapočáteční teplota konečná teplota

teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie) samovolný děj je:

t1 (°C) t2 (°C) �H (J)NaCl 13,78 13,55 96 ENDOTERMICKÝKCl 13,84 13,26 242 ENDOTERMICKÝNH4NO3 13,84 13,07 322 ENDOTERMICKÝNH4Cl 13,83 13,17 276 ENDOTERMICKÝCaCl2 13,88 14,78 -376 EXOTERMICKÝNaOH 13,8 15,82 -844 EXOTERMICKÝHCl 13,82 14,91 -456 EXOTERMICKÝZn + HCl 16,85 51,16 -14342 EXOTERMICKÝ

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla)Pracovní list (žákovská varianta)

CHEMIE


• SAMOVOLNÝ DĚJ

• ENDOTERMICKÝ DĚJ

• EXOTERMICKÝ DĚJ

• TEPLOTA T

• TEPLO �Q

15CH

EMIE

Tepelné zabarvení dějů (Rozpouštěcí, zřeďovací a reakční tepla) Pracovní list (žákovská varianta)

• ENTALPIE �H

• MĚRNÁ TEPELNÁ KAPACITA

• I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

• II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

• KYROSKOPIE

Teoretická příprava úlohyDoplň tabulku:

fyzikální veličina značka jednotka

termodynamická teplota T

teplota (Celsiova stupnice)

teplo

změna Entalpie

změna Vnitřní energie

hmotnost

měrná tepelná kapacitaJ

kg · K

Zapiš vztah, podle kterého vypočítáš teplo, které přijala nebo odevzdala voda o hmotnosti 100 g:

16CH

EMIE


vlož graf Temperature vs. Time



Vizualizace naměřených data) Do 100 ml vody jsme přidali jeden gram příslušné soli

b) Do 100 ml vody jsme přidali 2,4 ml 35% HCl

c) K zinku jsme přidali kyselinu chlorovodíkovou

17CH

EMIE


Vyhodnocení naměřených datPro určení rozdílu počáteční a konečné teploty použij nástroj DeltaTool a vypočítej tepla, která se uvolnila nebo spotřebovala při rozpouštění solí resp. ředění kyselin:

Výpočty:

18CH

EMIE


Výsledky zapiš do přehledné tabulky:

Závěr

látkapočáteční teplota konečná teplota

teplo vyměněné při konstantním tlaku (změna entalpie) samovolný děj je:

t1 (°C) t2 (°C) �H (J)

CaCl2 13,88 14,78 -376 EXOTERMICKÝ

Pozn. 5Záporné znaménko u hodnoty �H označuje exotermický děj (teplo se uvolňuje do okolí a soustava ztrácí energii).

Date post:	05-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	nguyendiep
View:	216 times
Download:	0 times

Sada výukových materiálů Chemie - Zelená laboratořIzomerie V...

Documents