C7655 Praktikum středoškolské chemie Návody ke cvičení Vybrané bezpečnostní pokyny Po úspěšném absolvování didaktických praktik jsou studenti/tky učitelství chemie schopni samostatně a bezpečně provádět demonstrační i žákovské experimenty ve výuce. V průběhu praktik se seznamujete nejen s experimenty jako takovými, ale i jejich správným provedením. V případě jakýchkoliv nejasností se obracejte na vedoucí cvičení tak dlouho, dokud nebude vše jasné. Níže je shrnuto několik obecných bezpečnostních pokynů, které popisují vybraná specifika školních chemických experimentů. Vždy platí základní nařízení obsažená v laboratorním řádu. 1. Zapalování připravovaného plynu Hořlavý plyn obvykle vyvíjíme ve zkumavce opatřené spalovací trubičkou. Před zapálením plynu je nutné počkat dostatečně dlouho, aby vznikající plyn vytlačil všechen vzduch z aparatury. Jinak hrozí nebezpečí prošlehnutí plamene do aparatury. Při ukončení spalování je vhodné nejprve sfouknout hořící plamen a až následně vytáhnout ze zkumavky zátku se spalovací trubičkou, příp. přerušit zahřívání zkumavky. 2. Zavádění plynu do roztoku činidla Plyn obvykle připravujeme ve zkumavce opatřené zaváděcí trubičkou, zkumavku často zahříváme. V takovém případě je nutné zkumavku zahřívat rovnoměrně tak, aby nedošlo ke vzkypění reakční směsi do zaváděcí trubičky. Při ukončení zavádění nejprve: buď odpojíme zaváděcí trubičku, nebo odstraníme roztok, do kterého plyn zavádíme. Až po té přerušíme zahřívání reakční směsi. Po přerušení zahřívání plyn v aparatuře rychle chladne a při nasátí roztoku do vyvíjecí zkumavky obvykle dochází k jejímu prasknutí. 3. Příprava explozivních směsí Při přípravě směsí složených z oxidovadla a paliva (bengálské ohně, střelný prach a další směsi obsahující především chlorečnany nebo dusičnany) postupujeme následujícím způsobem. Pro nabírání jednotlivých složek směsi bereme vždy čistou lžičku, nesmí dojít ke kontaminaci zásobní lahve oxidovadla palivem. Jednotlivé složky směsi roztíráme samostatně v čistých, suchých třecích miskách. Vlastní smíchání rozetřených složek provádíme na papíře přesypáváním, ne třením (v některých případech je možné míchat protřepáváním v kádince – podle pokynů cvičících). Při tření či jiné nešetrné manipulaci s explozivními směsmi hrozí jejich zahoření. 4. Pozorování experimentů Při pozorování experimentů s výraznými světelnými efekty je vhodné sledovat pokus periferně, dochází k menšímu oslnění. Na totéž upozorníme žáky při provádění demonstračního pokusu. Příprava a vlastnosti některých činidel 1. Fenolftalein Připravuje se jako 1% roztok v ethanolu. 2. Škrobový maz (roztok škrobu) 1 g škrobu suspendujeme v malém množství vody, vzniklou řídkou kaši nalijeme do 100 cm^3 vroucí vody, krátce povaříme do rozpuštění škrobu. Pozn.: Škrob při uchovávání podléhá hydrolýze. Literatura uvádí možnost konzervovat jej přídavkem malého množství (na špičku špachtle) chloridu rtuťnatého, který zvyšuje trvanlivost roztoku. V každém případě je ale vhodné starší roztok před použitím otestovat. 3. Lugolův roztok (roztok jodu) Jod se téměř nerozpouští ve vodě, připravujeme jeho roztok ve vodném roztoku KI. Navážíme 1,5 g KI a 0,6 g I[2], rozpustíme ve 100 cm^3 vody. V případě potřeby je možné měnit koncentraci roztoku. Roztok jodu uchováváme v tmavé nádobě. 4. Fehlingovo činidlo Připravují a uchovávají se odděleně Fehlingovy roztoky I a II. Fehling I: 35 g modré skalice rozpustíme v 500 cm^3 vody. Fehling II: 173 g vinanu sodno-draselného (Seignetova sůl) a 52 g hydroxidu sodného rozpustíme v 500 cm^3 vody. Před užitím smícháme stejné objemy roztoků I a II za vzniku tmavě modrého roztoku. 5. Tollensovo činidlo K 5% roztoku dusičnanu stříbrného ve zkumavce přidáme kapku 10% roztoku hydroxidu sodného, vzniká hnědá sraženina. Za míchání přikapáváme 2% roztok amoniaku právě do rozpuštění sraženiny. Pozn.: Přebytek amoniaku snižuje citlivost činidla. Nepoužité Tollensovo činidlo se musí ihned zlikvidovat, není možné jej uchovávat! Stáním vzniká třaskavé stříbro. Příprava na cvičení V rámci přípravy na cvičení se seznamte s jednotlivými návody. Není-li uvedena, vyhledejte v literatuře chemickou podstatu prováděného experimentu (včetně vysvětlení, najděte tedy odpověď na otázku „jak to funguje?“). Zapište rovnice všech probíhajících dějů. Připravte si odpovědi na dotazy uvedené u jednotlivých experimentů. Proveďte všechny přípravné výpočty – nejsou-li udány, je zapotřebí ze stechiometrie reakce vypočítat navážky výchozích látek. U kapalin jsou v laboratoři k dispozici čisté látky (rozpouštědla), resp. koncentrované vodné roztoky (běžné kyseliny, amoniak, peroxid vodíku). Rozmyslete si, jaká množství jakých koncentrací budete pro provedení experimentů potřebovat a dopředu si napočítejte množství konc. roztoků a vody potřebná k jejich přípravě. Obsahem prvního cvičení budou kromě poučení o BOZP a PO a seznámení s organizací praktika také experimenty níže uvedené pod nadpisem „1. Cvičení“. 1. Cvičení Několik pokusů s kahanem Zopakujte si poznatky o konstrukci plynového kahanu a vlastnostech jeho plamene. 1. Do různých částí nesvítivého plamene kahanu vsuneme špejli, pozorujeme. 2. Do studené části nesvítivého plamene vsuneme hlavičku zápalky (průchod horkou zónou musí proběhnout rychle). Dřívko začíná hořet, zatímco hlavička zůstává neporušena. Pro srovnání projdeme hlavičkou zápalky nejteplejším místem plamene, okamžitě vzplane. 3. Tenkou skleněnou trubičkou odvedeme plyn ze studené zóny plamene mimo hořící kužel. Zapálíme plyn na konci trubičky. 4. Pokus provádějte pod dohledem vedoucího cvičení. Utrhneme si filtrační papír formátu nejméně A5, lépe větší. Papír držíme vodorovně a na několik sekund jej vložíme do plamene Bunsenova kahanu asi 2 cm nad jeho ústí. Papír po 2–3 sekundách vyjmeme, otočíme a sfoukneme případný plamen. Na papíře pozorujeme vypálené mezikruží – vysvětlete jeho původ. Pozor, mezi ústím kahanu a papírem musí zůstat malá mezera, jinak dochází k udušení plamene. Pokud papír po vytažení z plamene hoří, je nutné okamžitě plamen sfouknout (ne pofoukat, aby se více rozhořel). Pokus je nutné vyzkoušet pro každý typ papíru, některé se vzněcují rychleji. Několik pokusů se svíčkou 1. Se svíčkou je možné provést pokusy se špejlí a filtračním papírem, obdobně jako s kahanem (viz body 1. a 4. výše). 2. Svíčku necháme chvíli rozhořet. Připravíme si hořící zápalku a chvilku počkáme, než se v okolí svíčky uklidní vzduch. Prsty druhé ruky (nebo vhodnou zkumavkou) opatrně uhasíme svíčku tak, aby z jejího knotu vystupoval bílý proužek parafinových par. Zápalku vsuneme do stužky par ve vzdálenosti 5–15 cm od knotu. Plamen přeskočí ze zápalky na knot. Pro zdárný průběh experimentu je zapotřebí vsunout hořící zápalku bezprostředně po uhašení svíčky do klidného, nerozvířeného pramínku parafinu. Je vhodné vypnout digestoř. Dotazy: 1) Popište správný postup zapálení kahanu. 2) Popište konstrukci Bunsenova kahanu. Vysvětlete, co je svítivý a nesvítivý plamen, v čem se liší. Jaké další typy kahanů znáte? 3) Vysvětlete, jakou funkci plní ve svíčce knot. Práce se sklem Zopakujte si z Laboratorní techniky základní poznatky o vlastnostech skla. Ve cvičení si zopakujeme přípravu zaváděcích trubiček, spalovacích trubiček a kapilár, které budeme dále během semestru používat. Pozn.: pokud není ve škole k dispozici nůž na sklo, je možné jej nahradit hranou korundového kelímku. Vysvětlete tuto skutečnost. 2. Cvičení Destilace Připravíme si 10% vodný roztok lihu. Sestavíme destilační aparaturu. Předestilujeme asi 2/3 roztoku. Po zchladnutí provedeme s několika ml destilátu zkoušku zápalnosti (na porcelánové misce). Pokud nehoří, provedeme destilaci znovu, abychom alkohol zakoncentrovali. S destilátem opět provedeme pokus o zapálení. Poznámky: Při prvním seznámení s destilací je zapotřebí důsledně kontrolovat žáky sestavené aparatury před spuštěním destilace. Kontrolujeme především upevnění a těsnost aparatury, správné zapojení hadic na chladič a jejich umístění (nemělo by hrozit přepálení hadice o plamen kahanu či horkou síťku). V případě, že není k dispozici dostatek přívodů vody do chladiče, je možné zapojit aparatury sériově – odvod vody z chladiče první aparatury je zároveň přívodem vody do druhé aparatury, z ní voda vytéká do výlevky. Pozor na předčasné rozpojení/vypnutí vody, pokud jedna ze skupin skončí dříve. Vděčným materiálem k destilaci je krabicové víno – z „červeného“ se oddestiluje líh. Je možné také oddestilovávat vodu: ať už připravovat destilovanou z pitné vody, nebo pro efekt použít barevný roztok (modrá skalice/manganistan/potravinářské barvivo), ze kterého oddestilujeme vodu a tak prokážeme, že dříve odchází těkavější složka. Dotazy: 1) Pojmenujte jednotlivé součásti destilační aparatury. Co je destilační most? 2) Popište správný způsob sestavení destilační aparatury. 3) Co je to utajený var? Jak mu předcházíme? 4) Navrhněte pokus, kterým byste při přípravě destilované vody z pitné žákům prokázali, že skutečně připravují destilovanou vodu (tj. chemicky čistší). 5) V čem spočívá výhoda vakuové destilace proti destilaci za atmosferického tlaku? Příprava monohydrátu síranu tetraamminměďnatého V třecí misce rozetřeme 5 g modré skalice na jemný prášek. Rozetřenou látku vnášíme po částech do kádinky s 15 cm^3 15% roztoku amoniaku, vždy mícháme do úplného rozpuštění pevné látky. Pro vyloučení produktu přidáme k roztoku za míchání 20 cm^3 ethanolu. Směs několik minut mícháme. Vyloučený produkt odfiltrujeme na Büchnerově nálevce, promyjeme (jakým rozpouštědlem?), usušíme krátkým prosátím vzduchu. Dotazy: 1) Jaký typ krystalizace probíhá v této úloze? 2) Kdy je vhodné zařadit tuto preparativní úlohu? 3) Vysvětlete, z čeho pochází rozdíl v barvě výchozí látky a produktu. 3. Cvičení: Vodík Obsluhu tlakové lahve s vodíkem objasní vedoucí cvičení. Na začátek si vyzkoušejte některé z pokusů, které nevyžadují přítomnost dozoru, po rozběhnutí cvičení bude dostatek prostoru k práci s tlakovou lahví. 1. Štěkání Nejjednodušší provedení do školy: do stojanu upevníme zkumavku s roztokem HCl (mírně zředěný, cca 20%). Do zkumavky vhodíme granulku zinku. Jakmile se vyvíjí vodík, jímáme jej do druhé zkumavky – zkumavku na vodík držíme dnem vzhůru a pouze jí překryjeme ústí zkumavky s reakční směsí. Najímaný vodík zapálíme kahanem – zkumavku je nutné nést dnem vzhůru až ke kahanu, vodorovně ji obrátíme až přímo při vstupu do plamene. Pokud se neozývá charakteristické štěknutí, obsahovala zkumavka málo nebo moc vodíku (štěká výbušná směs vodík-vzduch), jímání opakujeme (zkusíme zkrátit/prodloužit/přisávat vzduch). Na jímání vodíku střídáme dvě zkumavky, abychom nejímali hořlavý plyn do zkumavky, kterou jsme právě vytáhli z plamene kahanu. Poznámky: V tomto provedení se uvolňuje relativně málo vodíku, takže je možné je zařadit jako žákovský pokus. Je to výhodné i z toho důvodu, že ne pokaždé se štěknutí podaří hned napoprvé. Žáci mohou pokus sami „vychytávat“ a věnují mu plnou pozornost. Pro přípravu vodíku působením kyseliny sírové nebo chlorovodíkové na zinek je možné k reakční směsi přidat několik krystalů modré skalice, katalyzuje reakci. Provedení s tlakovou lahví (přivolejte vedoucího cvičení): Do demonstrační zkumavky najímáme směs vodík-vzduch. Zapalujeme kahanem podobně jako v předchozím případě. Vždy je nutné po naplnění zkumavky uzavřít přívod vodíku. Kahan musí být umístěný na opačné straně digestoře, než je vývod vodíku z tlakové lahve! Do druhé demonstrační zkumavky najímáme čistý vodík, zapálíme opět kahanem. Srovnáme a vysvětlíme výsledek obou variant. Vodík z tlakové lahve jímáme vždy do chladné zkumavky. Pokud si nejsme jisti, vyfoukneme ji ústy nebo vypláchneme vodou. 2. Hořící bubliny (provádějte za dozoru vedoucího cvičení) Rozměrnější plastovou misku naplníme do 4/5 objemu roztokem jaru ve vlažné vodě. Do roztoku zavádíme vodík z tlakové lahve. Tvoří se bubliny, které stoupají vzhůru. Bubliny je možné zapálit špejlí. Pozor, při zapalování bublin musí být vždy uzavřený přívod vodíku, je nutná koordinace dvojice studentů! Namočíme si ruce a zápěstí v jarové vodě. Připravíme si bubliny z vodíku tak, aby neuletěly z misky, uzavřeme přívod vodíku. Bubliny opatrně nabereme na ruce, ruce natáhneme před sebe a mírně zvedneme (lehce nad úroveň očí). Druhý z dvojice bubliny zapálí špejlí. Poznámky: Vlažnou vodu bereme pro větší komfort při druhé variantě pokusu. Obdobně je možné zapalovat bubliny ze zemního plynu. Dotazy: 1) Vysvětlete, proč je nutné si před zapálením bublin namočit ruce. 3. Kouzelný filtr Připravíme po 40 cm^3 zředěných roztoků KMnO[4] a K[2]Cr[2]O[7] (koncentraci volíme tak, aby byly dobře patrné barevné změny – nejasnosti objasní cvičící). Každý roztok okyselíme 10 cm^3 40% kys. sírové. Připravíme si pro každý roztok aparaturu pro prostou filtraci, do špičky hladkého filtru umístíme asi čtvrt lžičky práškového zinku, zinek mírně rozetřeme i po povrchu filtru. Nalijeme roztoky na filtry, necháme si malé množství původních roztoků pro srovnání. Pozorujeme barvu filtrátu. Dotazy: 1) Objasněte rozdíl ve vlastnostech atomárního (nascentního) a molekulového vodíku. Pro lepší demonstraci můžete do obou roztoků před filtrací krátce zavádět molekulový vodík. 4. Atomární vodík podruhé Připravíme si okyselený roztok dichromanu obdobně jako v předchozím případě (množství volíme dle velikosti promývačky – viz dále). Připravíme si dvě promývačky tak, aby plyn vznikající reakcí v první z nich procházel roztokem ve druhé (hadičkou propojíme olivky promývaček). Nyní do první promývačky umístíme lžičku zinkových granulí. Roztok dichromanu rozdělíme na dvě části, nalijeme do obou promývaček. Promývačky uzavřeme, pozorujeme reakci a objasníme její průběh. Nezreagovaný dichroman je třeba před likvidací upravit – jak? 5. Vodík hoří, ale hoření nepodporuje Na špejli připevníme svíčku. Připravíme si zkumavku většího průměru (2 cm) a vyzkoušíme si nanečisto manipulaci se svíčkou – zkumavka musí být dost prostorná, aby bylo možné svíčku zasunout dovnitř. Zkumavku naplníme vodíkem a držíme dnem vzhůru. Nyní do zkumavky vsuneme zapálenou svíčku připevněnou ke špejli (pro lepší manipulaci). Svíčka zhasne. Pokud ji ihned po uhasnutí vysuneme ze zkumavky, plamen opět vzplane. Vodík v ústí zkumavky je v kontaktu se vzdušným kyslíkem, svíčka zapálila vodík, ale v jeho atmosféře uhasíná. Při průchodu zpět hořící zónou svíčka znovu vzplane. Zasunutí a vysunutí svíčky lze několikrát opakovat. 6. Redukční účinky vodíku Zkumavku naplníme vodíkem. Do zkumavky vsuneme horkou měděnou spirálu pokrytou CuO. Oxid měďnatý se na povrchu drátu vytvoří, pokud drát rozžhavíme v plameni kahanu a po vyjmutí na něj krátce necháme působit vzdušný kyslík – vzniká černý CuO. Horký drát po vyjmutí z plamene vsuneme do zkumavky s vodíkem, dochází ke změně zbarvení. Pokus je možné provést i kvantitativně (jako demonstrace i lab. cvičení): Připravíme si aparaturu složenou ze dvou zkumavek: v první, svislé zkumavce budeme vyvíjet vodík. Tato zkumavka bude uzavřena zátkou se zaváděcí trubičkou, trubička musí zasahovat až téměř ke konci druhé zkumavky. Druhá zkumavka bude umístěna horizontálně a v ní bude probíhat vlastní redukce. Nejprve si vše připravíme a vyzkoušíme nanečisto sestavení a těsnost aparatury. Následně do vodorovné zkumavky nabereme malé množství (asi čtvrt malé lžičky) práškového CuO, oxid rozprostřeme do tenké vrstvy na dně v zadní polovině zkumavky. Zkumavku upevníme do stojanu. Do druhé zkumavky si připravíme asi polovinu jejího objemu zředěné HCl (1:1 s vodou). Do zkumavky s HCl následně vhodíme dvě granulky zinku, zkumavku ihned uzavřeme zátkou s odvodnou trubičkou a trubičku zasuneme do zkumavky s CuO. Do ústí zkumavky s CuO umístíme malý chomáček vaty (zachytává vyletující pevné částice). Oxid měďnatý ve zkumavce zahříváme plamenem kahanu asi 10 minut, dokud se nezredukuje veškerý CuO. Dotazy: 1) Kde se průmyslově uplatňují obdobné reakce? 2) Popište prováděné reakce rovnicemi, dejte je do souvislosti s pozorováním průběhu experimentu. 3) Vznikající měď není zcela čistá. Čím může být kontaminována? Jak by bylo možné ji vyčistit? Na základě odpovědi na tuto otázku navrhněte vhodné zařazení této laboratorní práce. 4) Jak by se lišilo pozorování průběhu reakce, kdybychom místo CuO použili PbO? 4. Cvičení: Stanovení peroxidu vodíku Příprava vzorku: 10 cm^3 koncentrovaného roztoku peroxidu vodíku pipetujeme do odměrné baňky objemu 1 dm^3, doplníme po rysku, promícháme. Škrobový maz připravíme krátkým povařením suspenze škrobu ve vodě. Pro tuto úlohu jsou k dispozici připravené roztoky manganistanu, thiosíranu a jodidu. Ostatní roztoky je zapotřebí připravit.[] Před započetím prací si promyslete pořadí jednotlivých úkonů a rozdělte si v rámci dvojice práci (přípravu společných roztoků), úlohu lze zvládnout za dvouhodinové praktikum. Manganometrické stanovení peroxidu vodíku Do titrační baňky pipetujeme 10 cm^3 vzorku, okyselíme 10 cm^3 10% roztoku kys. sírové. Titrujeme roztokem manganistanu draselného o koncentraci 0,02 mol×dm^–3 do prvního stálého růžového zbarvení. Titraci opakujeme třikrát, z průměru spotřeb vypočteme koncentraci peroxidu vodíku v zásobní lahvi (tj. původní, neředěný roztok) v hmotnostních procentech (hustota neředěného roztoku je 1,1 g×cm^–3). Jodometrické stanovení peroxidu vodíku Do titrační baňky pipetujeme 10 cm^3 vzorku, zředíme 20 cm^3 destilované vody. Ke vzorku přidáme 10 cm^3 10% roztoku jodidu draselného a 5 cm^3 kys. sírové zředěné 1:4 (v/v) (pozn.: co znamená v/v? Konzultujte s dozorem). Vzorek necháme 10 – 15 min reagovat. Vyloučený jod titrujeme roztokem thiosíranu sodného koncentrace 0,1 mol×dm^–3 do světle žlutého zbarvení, pak přidáme 5 cm^3 škrobového mazu a modře zbarvený roztok dotitrujeme do odbarvení. Titraci opakujeme třikrát, z průměrné spotřeby vypočteme koncentraci peroxidu vodíku jako při manganometrickém stanovení. Poznámky: V uvedeném postupu připravuje vzorek vyučující. Je možné také stanovovat koncentraci peroxidu vodíku v komerčním dezinfekčním přípravku, pak si mohou žáci připravit vzorek sami. Do odměrné baňky objemu 100 cm^3 se pipetuje 10 cm^3 3% roztoku z lékárny (jeho hustotu lze aproximovat na 1 g×cm^–3), doplní se po rysku destilovanou vodou. Takto připravený vzorek je možné použít pro manganometrické i jodometrické stanovení, v obou případech se do titrační baňky pipetuje 10 cm^3 vzorku. Se zkušenějšími žáky (např. v semináři) je možné obě stanovení zvládnout během dvouhodinového cvičení, je ale nutné začít jodometrií, kde se během přípravy vzorku čeká. Častým zdrojem chyb je nedostatečné či žádné promíchání vzorku – žáci vzorek pouze doplní po rysku a hned pipetují, tím pádem mají pro různá stanovení různé koncentrace vzorku a spotřeby se výrazně liší. Je také vhodné zdůraznit správné používání nádobí v souvislosti s přesností jeho kalibrace – kde používat odměrný válec, kde pipetu, jaké roztoky se připravují do kádinky či Erlenmeyerovy baňky, jaké do odměrné baňky apod. Dotazy: 1) Vysvětlete rozdíl mezi přímým a nepřímým stanovením (obecně či na příkladu dnešních úloh). 2) Na odměrném nádobí najdeme nápisy In a Ex. Vysvětlete, co znamenají. 3) Co je standardizace odměrného roztoku, jak se obecně provádí? 4) Proč při jodometrickém stanovení přidáváme jodid draselný odměrným válcem a ne pipetou? 5) Diskutujte redoxní vlastnosti peroxidu vodíku. 6) Proč se při manganometrickém stanovení nepoužívá žádný indikátor? 7) Výsledky manganometrického a jodometrického stanovení H[2]O[2] by se měly mírně lišit. Vysvětlete původ těchto rozdílů. Nápověda: na zásobní lahvi konc. peroxidu vodíku je napsáno „stabilizovaný“ – co to znamená? 8) Zapište strukturní vzorce thiosíranu a produktu, který z něj při jodometrii vzniká. Určete oxidační čísla všech atomů v těchto látkách obsažených. (obvyklý dotaz z ChO) 9) Nádobí bývá po manganometrii znečištěno hnědým povlakem burelu. Jakým způsobem tam burel vzniká? Jak jej lze odstranit? Navrhněte způsob, po konzultaci s vedoucím cvičení proveďte, aby bylo nádobí opět čisté. 5. Cvičení: Prvky 14. skupiny Stanovení molární hmotnosti CO[2] Varianta 1: Odvážíme přesně přibližně 0,30 g práškového uhličitanu vápenatého, převedeme jej do frakční baňky (co znamená „přesně přibližně“? Zjistěte a konzultujte s vedoucím cvičení). Pomocí HCl budeme z uhličitanu vyvíjet CO[2], který budeme jímat nad hladinou vody. Sestavíme si aparaturu pro jímání plynu nad kapalinou: frakční baňku uchytíme do stojanu, na olivku nasadíme hadičku. Vedle baňky umístíme skleněnou či plastovou vanu s vodou, do vany postavíme dnem vzhůru odměrný válec objemu nejméně 100 cm^3. Válec musí být zcela naplněný vodou (bez vzduchových bublin). Hadici opatříme zaváděcí trubičkou a zavedeme do válce. Frakční baňku uzavřeme přikapávací nálevkou s asi 20% roztokem HCl. Nyní otevřeme kohout přikapávací nálevky a přikapeme dostatečné množství kyseliny k uhličitanu. Pozor, v nálevce vždy musí malé množství HCl zůstat, aby tvořilo kapalinovou zátku a vznikající CO[2] zůstal v aparatuře. Vznikající plyn jímáme do odměrného válce, ujistíme se (lehkým zamícháním baňkou v držáku), že uhličitan zreagoval kvantitativně a žádný neulpěl na stěnách frakční baňky. Odečteme na válci objem uvolněného plynu. Ze získaného objemu, teploty a tlaku v místnosti vypočtěte molární hmotnost CO[2]. Poznámky: Pokus je obvykle prováděn jako laboratorní práce. V žákovském provedení je dostatek času pokus třikrát opakovat pro eliminaci náhodných chyb, v našem praktiku pokus opakujte podle průběhu cvičení. Zdárné provedení experimentu závisí na navážce CaCO[3], volba větší navážky může znamenat, že objem uvolněného plynu bude větší než objem odměrného válce. Pokud nemají žáci k dispozici váhy s přesností na tisíciny, lépe desetitisíciny g, je možné jim vzorky připravit dopředu a navážky zadat. Alternativní provedení s jednodušší aparaturou je uvedeno níže. Varianta 2: Připravíme si suchou PET lahev objemu 1,5 nebo 2 dm^3. Lahev zvážíme (včetně uzávěru). Sestavíme aparaturu na vývin plynu, do frakční baňky navážíme uhličitan nebo hydrogenuhličitan sodný potřebný na přípravu 5 dm^3 oxidu uhličitého. Přikapávací nálevku naplníme 20% kyselinou chlorovodíkovou. Vývod frakční baňky opatříme hadičkou, kterou budeme vznikající CO[2] zavádět do zvážené suché PET lahve. Rychlost přidávání kyseliny volte tak, aby reakce ve frakční baňce probíhala svižně, vznikající CO[2] musí vytlačit vzduch z lahve a nesmí mít čas difundovat ven po ukončení reakce. Po ukončení vývinu plynu lahev ihned uzavřeme víčkem a znovu zvážíme. Následně naplníme lahev až po okraj vodou a pomocí odměrného válce zjistíme její vnitřní objem. Ze získaných dat vypočteme M(CO[2]) (je možné použít hustotu suchého vzduchu, která za norm. podmínek činí 1,29 g×dm^–3). Poznámky: CO[2] lze vyvíjet také ze směsi pevného hydrogenuhličitanu a nadbytku pevné kys. citronové. K této směsi přikapáváme vodu, vyvíjí se oxid uhličitý. 1. Příprava oxidu uhelnatého Do zkumavky nalijeme několik cm^3 konc. kyseliny mravenčí a stejný objem konc. kys. sírové. Zkumavku opatříme zátkou se spalovací trubičkou. Zkumavku upevníme do stojanu našikmo, aby bylo možné ji zahřát. Soustavu mírně zahřejeme kahanem, pozorujeme vývin plynu. Po chvíli (vytlačení vzduchu z aparatury) vznikající plyn zapálíme. Dotazy: 1) Kys. mravenčí v tomto pokusu vystupuje jako oxidovadlo nebo redukovadlo? 2. Příprava a důkaz CO[2], pokusy s vápennou vodou Oxid uhličitý budeme připravovat v aparatuře na vývin plynu nebo v Kippově přístroji (obsluhu objasní vedoucí cvičení). Oxid uhličitý najímáme do kádinky (dnem vzhůru nebo dolů?) a ověříme, že zháší špejli. Do kádinky připravíme vápennou vodu (vodný roztok Ca(OH)[2]; připravuje se rozpuštěním odpovídajícího množství pevného hydroxidu vápenatého ve vodě a přefiltrováním vzniklé suspenze). Vápennou vodu zředíme 1:1 destilovanou vodou. Do vápenné vody zavádíme oxid uhličitý, ihned se vylučuje sraženina uhličitanu vápenatého. Po delším zavádění CO[2] se sraženina opět rozpouští. Malé množství vzniklého roztoku přivedeme k varu (např. ve zkumavce), pozorujeme. Poznámky: Popsané provedení shrnuje více reakcí vápenatých sloučenin, při provedení je vhodné dbát na správné návaznosti (znalosti chemie vápníku i uhlíku), případně rozdělit pokus na několik samostatných částí. Existuje množství variací uvedených experimentů. Oxid uhličitý je možné připravovat z přírodních materiálů (nerosty, vaječné skořápky…). Pokud zavádíme plynný CO[2] do vany, ve které hoří různě vysoké svíčky, zhasne nejprve nejnižší svíčka a nejvyšší až nakonec. Tak demonstrujeme, že CO[2] má vyšší hustotu než vzduch. Do vápenné vody je možné zavádět vydechovaný vzduch (např. brčkem). Uhličitan vápenatý se sráží okamžitě, jeho rozpouštění ale trvá dlouho. Dotazy: 1) Zařaďte jednotlivé části experimentu k příslušným kapitolám chemie na ZŠ i SŠ. 2) Zapište rovnici reakce uhličitanu sodného s kyselinou chlorovodíkovou. Bylo by možné použít uhličitan sodný jako náplň do Kippova přístroje? Zdůvodněte. 3) Vysvětlete chemický princip přípravy CO[2]. Jaké další plyny připravujeme reakcemi založenými na témže principu? 3. Nafukování balonku Do nafukovacího balonku vložíme půl lžičky hydrogenuhličitanu sodného (prášek do pečiva). Vybereme si Erlenmeyerovu baňku, na kterou je možné navléci balonek. Do baňky nalijeme asi 20 cm^3 octu (nebo zředěné HCl). Navlékneme balonek na hrdlo Erlenmeyerovy baňky a nasypeme jeho obsah do octu. Pozorujeme nafouknutí balonku. 4. Vliv podmínek na průběh reakce Z měděného drátu připravte spirálu takového průměru, aby bylo možné ji nasunout na plamen hořící svíčky. Svíčka začne čadit. Vysvětlete průběh reakce. 5. Adsorpce a desorpce na povrchu aktivního uhlí Do baňky objemu 500 cm^3 kápneme pět kapek bromu. Baňku uzavřeme a počkáme, až se brom odpaří (můžeme baňku zahřát v dlani). Jakmile je baňka naplněna parami bromu, přisypeme malou lžičku aktivního uhlí, baňku uzavřeme a protřepeme. Hnědé páry mizí, jak se brom adsorbuje na aktivní uhlí. Baňku odzátkujeme a mírně zahřejeme, dochází k desorpci. Poznámky: Další varianty s užitím domácích „chemikálií“ viz Školní pokusy 2. Dotazy: 1) Vysvětlete rozdíl mezi adsorpcí a absorpcí. 6. Chemikova zahrádka V prostorné kádince si naředíme vodní sklo vodou v poměru 1 : 2 – 1 : 3. Po promíchání na dno kádinky házíme krystalky (částice pozorovatelných rozměrů, ne prášek) různých solí – měďnatých, nikelnatých, manganatých, kobaltnatých, chromitých, solí železa. Pozorujeme růst „zahrádky“ a vysvětlíme jeho podstatu. Poznámky: Výčet solí není úplný, byly popsány různé použitelné varianty. Je vhodné odzkoušet s těmi solemi, které jsou ve škole k dispozici. Po provedení pokusu je vhodné kádinky bez zbytečného odkladu důkladně vymýt teplou vodou. Povlak vodního skla po zaschnutí téměř nelze vyčistit. Je proto vhodné, aby žáci ředili vodní sklo přímo v kádinkách, při použití odměrného válce na něj při úklidu často „zapomenou“. Pokus je také možné provádět v přinesených zavařovacích sklenicích. Pokud se zahrádka nechá zcela vyschnout, voda se odpaří a zahrádka je zakonzervována v skelné hmotě („rostliny“ zůstávají). 7. Reakce vodního skla s HCl Zkumavku naplníme asi z jedné čtvrtiny vodním sklem. Za protřepávání přidáváme konc. HCl. Vylučuje se gelovitá hmota, z níž lze termickou dehydratací získat oxid křemičitý. 6. Cvičení: Redoxní reakce Příprava mědi Do kádinky odměříme 30 cm^3 7% roztoku CuSO[4] (Fehlingův roztok I), přidáme 1 g práškového zinku. Směs za míchání zahřejeme, dokud se původně modrý roztok zcela neodbarví. Tyčinkou rozmělníme hrudky, které vznikly v reakční směsi. Po vychladnutí pomalu, za míchání přilijeme 10 cm^3 1M-HCl. Připravenou měď izolujeme filtrací, na filtru promyjeme dvakrát vodou, usušíme a odevzdáme. Poznámky: Běžná preparativní úloha k nácviku základních laboratorních technik, kombinuje dvě probíhající reakce. Podle vybavení školy a úrovně žáků lze použít prostou filtraci nebo Cu odsát na Büchnerově nálevce. Dotazy: 1) Který jiný kov lze použít místo zinku? 2) Je možné na odstranění přebytečného Zn použít HNO[3] místo HCl? Vysvětlete. 1. Redoxní reakce Roztoky pro následující sérii reakcí připravujeme v takové koncentraci, aby byly dobře viditelné očekávané barevné změny. Např. roztok manganistanu musí být zřetelně fialový, nesmí ale být příliš koncentrovaný, protože by bylo zapotřebí příliš velké množství druhého reaktantu na jeho odbarvení. Následující reakce provádějte ve zkumavkách, reagují vždy roztoky uvedených látek. Množství roztoků volíme tak, aby průběh experimentu byl dobře pozorovatelný, cca po 3 cm^3. a) reakce thiosíranu s jodem b) reakce siřičitanu s jodem c) reakce siřičitanu s okyseleným roztokem manganistanu draselného d) reakce siřičitanu s okyseleným roztokem dichromanu draselného e) reakce siřičitanu s neutrálním roztokem manganistanu f) reakce okyseleného manganistanu s železnatou solí g) reakce jodidu s okyseleným roztokem manganistanu h) reakce dusitanu s okyseleným roztokem manganistanu i) reakce dusitanu s okyseleným roztokem dichromanu j) reakce dusitanu s jodidem, okyselíme kys. sírovou – pozor, směs reaguje prudce, pění Poznámky: Sada redoxních reakcí není úplná, představuje výběr možných reakcí k demonstraci či k žákovskému provedení (ke zvážení jsou reakce s dichromanem) a k následnému vyčíslení redoxních rovnic. Soubor reakcí je možné různě kombinovat – manganistan v kyselém/neutrálním prostředí, event. dichroman draselný oxidují všechny uvedené substráty. Oxidace peroxidu vodíku a ethanolu jsou popsány jinde. Je vhodné upozornit na souvislosti elektronové struktury (viz ot. č.1) a redoxních vlastností jednotlivých částic. Oxidační i redukční účinky dusitanů s ohledem na reakčního partnera demonstrují pokusy h) – j). Podobně lze oxidační i redukční účinky ukázat na příkladu peroxidu vodíku. Dotazy: 1) Zapište elektronovou konfiguraci dusíku a s jejím užitím vysvětlete redoxní vlastnosti dusitanového iontu. 2) Čím okyselíme roztoky manganistanu a dichromanu? Proč nepoužijeme HCl? 3) V jaké chemické formě se vyskytuje jod v použitém roztoku? 2. Reakce thiosíranu s HCl Do roztoku thiosíranu sodného pomalu přidáváme zředěnou kys. chlorovodíkovou. Pozorujeme průběh reakce, během které je patrná tvorba koloidních částic síry. 3. Řada napětí kovů Do zkumavky nalijeme roztok AgNO[3] (1 – 2%). Vhodíme kousek měděného drátku a necháme v klidu stát. Poznámky: Tento pokus dobře dokumentuje vzájemnou reaktivitu kovů, protože jsou pozorovatelné obě změny. Jak tvorba kovového stříbra, tak přechod mědi do roztoku (roztok mění barvu z bezbarvé na modrou). Je možné propojit s dalšími vytěsňovacími reakcemi jiných reagencií. Varianta: pokud měděný drát upevníme do zkumavky tak, aby se pouze dotýkal hladiny roztoku AgNO[3], ale nebyl ponořen do roztoku, začne po chvíli ze špičky drátku vyrůstat stříbrný „strom“. Obdobně lze provádět různé vzájemné vytěsňování mezi kovy, efektní je např. ponoření zinkového plechu do roztoku dusičnanu olovnatého – na plechu rostou jemné krystaly olova. 4. Hoření pod vodou Prskavku obalíme silnou vrstvou izolepy tak, aby konec prskavky zůstal volný, neobalený a zároveň aby byla obalená asi 1/3 – 1/2 délky prskavky. Prskavku zapálíme a jakmile prohoří do obalené části, ponoříme ji do rozměrnější kádinky s vodou tak, aby byla ponořena jen obalená část prskavky. Prskavka hoří i pod vodou, po prohoření i neobalená část nad hladinou. Pokus provádíme v digestoři, škvařící se izolepa nepříjemně zapáchá. 7. Cvičení Stanovení počtu krystalových vod v modré skalici Zvážíme přesně čistý, suchý korundový kelímek. Je-li zapotřebí kelímek umýt, je nutné jej po umytí několik minut žíhat, aby se odpařila veškerá voda, teprve po vychladnutí jej zvážíme. Do kelímku odvážíme přesně přibližně 2 g modré skalice (co znamená „přesně přibližně“, též „asi přesně“? Zjistěte a konzultujte s cvičícím). Kelímek s modrou skalicí umístíme na triangl a žíháme jej, dokud se barva soli nezačne měnit na šedo-bílou. Obsah kelímku promícháme tyčinkou (přidržujeme kleštěmi), případné hrudky rozdrtíme. Kelímek dále žíháme do konstantní hmotnosti (to znamená: jakmile je obsah kelímku homogenní prášek téměř bílé barvy, kelímek necháme vychladnout a zvážíme; po dalším několikaminutovém žíhání jej znovu po vychladnutí zvážíme; jsou-li hmotnosti posledních vážení přibližně stejné, považujeme reakci za ukončenou, nejsou-li stejné, žíhání a vážení opakujeme). Ze získaných hmotností vypočteme hmotnostní zlomek vody v modré skalici a počet molekul krystalové vody. Diskutujte rozdíly proti známé stechiometrii. Poznámky: Korundový kelímek je tepelně odolnější než porcelánový, který při prudkém žíhání může prasknout. Bezvodý síran měďnatý je bílý až našedlý prášek. Pokud během žíhání materiál získává hnědou barvu, dochází nejen k dehydrataci, ale i k rozkladu samotného síranu. V takovém případě je nutné zahřívat na nižší teplotu (toto se často děje při žíhání Mekerovým kahanem). Alkalické kovy, prvky 2. a 13. skupiny Manipulace se sodíkem a draslíkem Alkalické kovy reagují se vzduchem i vodou. Pro manipulaci s nimi používáme čisté, suché pomůcky. Je-li kov pokrytý vrstvou oxidačních produktů, je vhodné jej před vlastním experimentem očistit, tj. nožem odkrojit tenkou povrchovou vrstvičku. Pod ní vidíme čistý, kovově lesklý sodík (draslík) – ukážeme žákům. Manipulaci (krájení) s alkalickými kovy provádíme na filtračním papíře, kterým můžeme připravený kousek i lehce osušit od petroleje. Veškeré zbytky obsahující alk. kovy (i odřezky z povrchu) mohou po odpaření petroleje začít prudce reagovat, obzvlášť zůstanou-li obalené filtračním papírem. Je nutné je ihned po ukončení experimentu zlikvidovat. Větší kousky likvidujeme reakcí s ethanolem či isopropylalkoholem, menší kousky vodou. Vodou opláchneme také filtrační papír, na kterém jsme kovy krájeli, důkladné omytí používaného nádobí je samozřejmostí. Manipulují-li s alkalickými kovy žáci, dbejte důsledně na správnou likvidaci všech zbytků. 1. Reakce alkalických kovů s vodou (k pokusu přivolejte vedoucího cvičení) Na filtračním papíře ukrojíme kousek sodíku velikosti hrachového zrna. Sodík vhodíme do misky/kádinky s vodou. Reagující sodík se pohybuje po hladině. Pozor, ke konci reakce občas dochází k rozprsknutí posledního malého zbytku sodíku. Nepřibližujte se k soustavě, dokud reakce zcela neskončí. Případný vyprsknutý kousek je nutné odstranit (lihem, menší množství houbičkou namočenou ve vodě). V průběhu reakce je třeba dávat pozor na přichycení kuličky sodíku ke stěně nádoby, může dojít k lokálnímu přehřátí a prasknutí. Pohybu sodíku po hladině je možné zabránit. Na hladinu položíme kousek filtračního papíru a nový kousek sodíku položíme na filtrační papír. Sodík se nemůže volně pohybovat a odvádět teplo, proto během reakce vzplane. I v tomto případě může v závěru reakce dojít k rozprsknutí zbytku sodíku. Draslík reaguje s vodou prudčeji než sodík. Pro reakci opět odřízneme (čistým nožem) kousek draslíku velikosti hrachového zrna. Po jeho vhození do vody dochází k prudké reakci, zapálení vznikajícího plynu a často i k rozprsknutí kovu do okolí. Poznámky: Do vody je možné přidat vhodný acidobazický indikátor. Pokus s uchyceným sodíkem se někdy provádí jako „zkáza Titanicu“, kdy z filtračního papíru složíme lodičku a sodík vložíme do ní. Je vhodné umístit sodík co nejblíže dna lodičky, jinak dlouho trvá, než papír nasaje vodou a sodík začne reagovat. Hoření sodíku, které pozorujeme při provedení s filtračním papírem, lze demonstrovat i samostatně. Malý kousek sodíku zapálíme na spalovací lžičce v plameni kahanu. V rámci Školních pokusů 1 si vyzkoušíme spalování různých prvků v kyslíku. Dotazy: 1) Rovnicemi popište nejen reakce Na/K s vodou, ale i likvidaci oběma alkoholy. Pojmenujte produkty a objasněte jejich acidobazické chování (včetně rovnic). 2) Proč se pro likvidaci někdy ethanol nahradí isopropylalkoholem? 3) Během pohybu po hladině se sodík i draslík zformují do podoby kuličky. Vysvětlete, proč k tomu dochází a také proč se tato kulička nepotopí pod hladinu vody. 4) Vysvětlete, proč draslík reaguje s vodou prudčeji než sodík. 2. Reakce vápníku s vodou Malý kousek vápníku vhodíme do vysoké zkumavky, která obsahuje alespoň 15 cm vysoký sloupec vody. Pozorujeme. Dotazy: 1) Vysvětlete, proč se soustava během reakce kalí. 2) Srovnejte reakci sodíku a vápníku s vodou, vysvětlete rozdíly. 3. Hoření hořčíku Do kleští uchopíme asi 4 cm dlouhý kousek hořčíkové pásky. Zapálíme kahanem. Pozor, hořící hořčík vydává intenzivní světlo (bezp. pokyny, bod 4). Vzniklý bílý prášek rozpustíme v malém množství vody, přikápneme fenolftalein. Poznámky: Teplota hořícího hořčíku je tak vysoká, že při ní dochází k uvolňování vodíku z vody. Proto nelze hořčík „hasit“ vodou, naopak dochází ke zintenzivnění plamene zapálením vznikajícího vodíku. To lze ukázat několika způsoby: V Erlenmeyerově baňce přivedeme k varu malé množství vody. Jakmile voda vře a z baňky uniká vodní pára, zapálíme hořčíkovou pásku a vsuneme ji do hrdla baňky. Pozor, při kontaktu hořícího hořčíku se stěnou baňky hrozí její prasknutí. Pro další provedení použijeme hořčíkové hoblinky či špony (Mg dle Grignarda). Na železnou misku nasypeme malou hromádku hořčíku. Zapálíme kahanem, po rozhoření do hořčíku z bezpečné vzdálenosti stříkneme trochu vody ze střičky. Dotazy: 1) Uvažte možná zařazení tohoto experimentu ve výuce. 4. Barvení plamene Pokus se ve cvičení neprovádí – je uveden pro inspiraci vzhledem k různým možnostem uspořádání. Ionty různých kovů vykazují schopnost barvit plamen. Provedení experimentu záleží na vybavení školy. V analytických laboratořích se pro plamenové zkoušky používají platinové drátky opatřené na konci očkem. Do něj se nabere zkoumaný vzorek a vloží do plamene kahanu. Mezi jednotlivými použitími je nutné drátek vyčistit opakovaným namočením v konc. HCl a vyžíháním. Jiné provedení umožňuje přípravu roztoků do zásoby a efektní a přitom rychlé provedení vlastní práce. Vodné roztoky příslušných solí připravíme do malých lahviček s rozprašovačem, např. od dezinfekce, parfému apod. (lze koupit prázdné). Roztoky následně aplikujeme do plamene kahanu. 5. Reakce hliníku s bromem (provádějte za dozoru vedoucího cvičení) Do zásobní nádoby si natrháme alobal na malé kousky. Do kádinky objemu 100 nebo 150 cm^3 nalijeme brom tak, aby se jeho hladina nacházela asi 0,5 cm nad dnem kádinky. Kádinku umístíme na misku s pískem. Do kádinky s bromem vhodíme hrst útržků alobalu, stáhneme ochranné sklo digestoře a pozorujeme. Po chvíli dojde k bouřlivé reakci. Pokud po skončení reakce zbývá v kádince brom, vhodíme další hrst alobalu, abychom jej spotřebovali. Pozor, při vhození alobalu do směsi rozehřáté předchozí reakcí začíná alobal reagovat prakticky ihned. Poznámky: Při otevírání lahve s bromem si všimněte vlastností jeho par, jsou těžší než vzduch (páry bromu lze nalít do kádinky, ve které se budou držet). Likvidace produktů: kádinku umístíme do výlevky a pustíme do ní vodu. Provádíme v digestoři – dochází k hydrolýze produktů za uvolnění štiplavého dýmu. Jakmile reakce s vodou ustane, je možné kádinku normálně umýt, je však nutné ji zkontrolovat, po reakci někdy praskne či se do dna vtaví kuličky nezreagovaného hliníku. 6. Trimethylester kys. borité Na porcelánovou misku nalijeme malé množství (do 5 cm^3) methanolu. Okyselíme několika kapkami (asi 0,5 cm^3) konc. kyseliny sírové a přidáme půl malé lžičky kys. trihydrogenborité. Směs promícháme tyčinkou a zapálíme. Pozorujeme zelený plamen, který prokazuje přítomnost boru. Dotazy: 1) Zapište strukturní vzorec trimethylesteru kys. borité. 2) Při pečlivém pozorování je patrné, že dým stoupající z hořící směsi je bílý. Čím je tvořený? 3) Proveďte stejný experiment s ethanolem místo methanolu. Vysvětlete rozdíly. 7. Aluminotermie (provádějte za dozoru vedoucího cvičení) Navážíme 1,5 g práškového hliníku a stechiometrické množství oxidu železitého, promícháme. Směs nasypeme na vrstvu písku v odpalovací misce tak, aby vytvořila hromádku. Do hromádky zapíchneme prskavku, zapálíme, pozorujeme. Vznikající železo obvykle vytvoří jednu nebo více žhavých kuliček, které je po vychladnutí možné identifikovat pomocí magnetu. Poznámky: Pozor, reakce je prudká, může dojít k vylétnutí horkého materiálu z misky. K zapálení je místo prskavky možné použít hořčíkovou pásku: pásku zapálíme kahanem a kleštěmi vložíme do reakční směsi. Pro správný průběh experimentu je zapotřebí suchý oxid železitý (vlhký možno vyžíhat v kovovém kelímku) a jemně práškový hliník (vhodný je hliníkový pudr, „stříbřenka“). S hliníkem neznámé zrnitosti je třeba experiment vyzkoušet. Aluminotermie je obecná metoda použitelná k přípravě různých kovů. Z ve školách běžně dostupných oxidů lze použít oxid manganičitý (reakce je rychlejší než s Fe[2]O[3], občas dojde k zapálení směsi jiskrami, které odlétají z prskavky) či oxid titaničitý (reakce je pomalejší, produkuje intenzivnější světelný efekt). Mimo misku s pískem lze použít misku/kelímek vystlaný vrstvičkou fluoridu vápenatého. Jiné uspořádání vyžaduje dva kelímky z šamotové hmoty. Do dna prvního kelímku uděláme při přípravě díru jako do květináče. Dno překryjeme filtračním papírem a na něj umístíme reakční směs. Druhý kelímek má plné dno, umístíme jej pod kelímek s reakční směsí (použijeme stojan). Dno druhého (spodního) kelímku vysypeme fluoridem vápenatým. Zapalujeme obdobně jako při předchozím provedení. Pokud vše běží dobře, pozorujeme kapku roztaveného železa, která vyteče dírou z horního kelímku do spodního, kde vychladne. Dotazy: 1) Které kovy je principielně nemožné získat aluminotermicky? 2) Sestavte rovnici magnezitotermické výroby boru. 8. Cvičení: Hydroxyderiváty uhlovodíků, ethery 1. Oxidace alkoholů různými činidly (zvolte si provedení, které neznáte) a) Do zkumavky nalijeme několik cm^3 methanolu. V plameni kahanu nažhavíme spirálu z měděného drátu. Spirála se pokrývá vrstvou černého CuO. Horkou spirálu ihned ponoříme do methanolu ve zkumavce. Stejný pokus provedeme s ethanolem. Ze zkumavek lze po několikerém opakování experimentu cítit příslušný aldehyd. b) V malé kónické baňce zahřejeme na elektrickém vařiči 15 – 20 cm^3 ethanolu k varu. V plameni kahanu nahřejeme měděnou spirálu jako v předchozím experimentu (pozor na zapálení par ethanolu, dodržujte bezpečnou vzdálenost hořlavých par a hořícího kahanu). Horkou spirálu vložíme do par ethanolu v horní části baňky. Spirála žhne, na jejím povrchu probíhá katalytická oxidace. c) 3 cm^3 ethanolu nebo methanolu ve zkumavce oxidujeme manganistanem nebo dichromanem. Provedení: alkohol připravíme do tří zkumavek, do první přidáme několik krystalů manganistanu draselného, zahřejeme. Do druhé přidáme malé množství roztoku manganistanu okyseleného kys. sírovou, zahřejeme. Do třetí zkumavky přidáme roztok dichromanu draselného okyselený kys. sírovou, zahřejeme. Pozorujeme a objasníme barevné změny v jednotlivých zkumavkách. Poznámky: Koncentraci roztoků manganistanu a dichromanu volíme tak, aby byly dobře patrné barevné změny. Reakce dichromanu s parami alkoholu byla v minulosti základem stanovení alkoholu v dechu řidičů. Sestavte a vyčíslete rovnici oxidace ethanolu dichromanem v kyselém prostředí za vzniku acetaldehydu. 2. Zapálení par lihu Do plastové lahve objemu 1,5 nebo 2 dm^3 nalijeme malé množství lihu. S lahví chvíli třepeme tak, aby se celý objem lahve nasytil lihovými parami. Zbylou kapalinu z lahve vylijeme a lahví obrácenou dnem vzhůru chvíli třeseme. Lahev postavíme na stůl, je možné do ní zmáčknutím nasát trochu vzduchu. K ústí lahve nyní přiložíme zapálenou špejli. Poznámky: Pokud experiment opakujeme, přesvědčíme se, že nenaléváme líh do lahve s dohořívajícími zbytky předchozí reakce. Ideální je lahev vypláchnout vodou. Pokus můžeme provádět venku, kdy lahví prostrčíme provázek natažený mezi dva stromy. Z lahve tak máme „raketku“ létající po provázku. Pozor, při zapalování nestojíme nikdy přímo za lahví, zapalujeme z boku. 3. Vliv indukčního efektu na reaktivitu alkoholů Do malých kádinek odměříme po několika cm^3 vody, methanolu, ethanolu, n-propanolu a n-butanolu. Připravíme si pět stejně velkých (resp. stejně malých) kousků sodíku, velikosti asi poloviny hrachového zrna. Správná manipulace se sodíkem a likvidace zbytků – viz 6. cvičení (alkalické kovy) a komentář vedoucího cvičení. Nyní vhodíme do každé kádinky kousek sodíku, začneme od butanolu, skončíme u vody. Kousky vhazujeme ihned po sobě, abychom porovnali průběh reakcí. Poznámky: Název experimentu zcela nevystihuje jeho podstatu. Na průběh reakcí mají vliv i jiné faktory, jako viskozita daného alkoholu, schopnost rozpouštět produkty apod. S ohledem na to, že indukční (a mezomerní) efekt je důležitou součástí středoškolské organické chemie, se jedná o zjednodušení snad akceptovatelné. Elektronové efekty na vazbách jsou pro žáky záležitostí poměrně abstraktní a případné přiblížení experimentem může pomoci lepšímu pochopení problematiky. Dotazy: 1) Zapište rovnice reakcí, pojmenujte organické produkty a komentujte jejich acidobazické vlastnosti. 4. Tvorba komplexu glycerolu Do zkumavky odměříme asi 1 cm^3 roztoku síranu měďnatého o koncentraci 0,2 mol×dm^–3, přidáme 1 cm^3 roztoku hydroxidu sodného koncentrace 2 mol×dm^–3, promícháme. Vzniká světle modrá sraženina hydroxidu měďnatého. K ní přilijeme 0,5 – 1 cm^3 glycerolu, důkladně promícháme. Pozorujeme vznik tmavě modrého roztoku, měďnaté ionty přešly ze sraženiny do roztoku, kde se vyskytují v podobě komplexu s glycerolem. Dotazy: 1) Co tento pokus demonstruje? 2) Lze glycerol nahradit jinou látkou/látkami? 5. Samozápalná směs Na odpalovací plech nasypeme hromádku ze 2 menších lžiček manganistanu draselného, na vrcholku uděláme malý důlek. Na manganistan nalijeme několik cm^3 glycerolu. Pro iniciaci plamene je vhodné někam na okraj glycerinu do místa, kde se stýká s pevným manganistanem, kápnout několik kapek vody. Vznícení můžeme také urychlit předehřátím glycerolu ve zkumavce před jeho nalitím na manganistan. Dotazy: 1) Průběh reakce není jednoduchý, vzniká patrně směs více různých produktů. Literatura jako jednu z možností uvádí vznik uhličitanu draselného, oxidu manganitého, oxidu uhličitého a vodní páry. Sestavte a vyčíslete příslušnou rovnici. 6. Acidobazické vlastnosti fenolu Do zkumavky vložíme fenol velikosti hrachového zrnka. Přidáme 4 cm^3 vody a soustavu protřepeme. Následně za míchání přikapáváme 10% roztok NaOH, dokud nevymizí fáze fenolu. Po rozpuštění veškerého fenolu přikapáváme 20% roztok HCl, fenol se opět vylučuje. Dotazy: 1) Vysvětlete chování fenolu v tomto experimentu. 2) Jaká veličina popisuje polaritu molekul? 7. Barevné reakce fenolů Ve zkumavkách rozpustíme po špetce fenolu, resorcinolu, pyrokatecholu a hydrochinonu v několika cm^3 vody. K vzniklým roztokům přikapeme 5% roztok chloridu železitého. Pozorujeme zbarvení jednotlivých roztoků. Je-li zbarvení natolik intenzivní, že se obsah všech zkumavek jeví podobný, jsou roztoky příliš koncentrované – zředíme je vodou. Podstatou reakce je tvorba komplexních sloučenin fenolů s železitými ionty. 8. Bromace fenolu Ve zkumavce připravíme vodný roztok fenolu. Přidáme 3 cm^3 bromové vody. Dochází k okamžité reakci za tvorby bílé sraženiny tribromfenolu. Dotazy: 1) Který izomer tribromfenolu vzniká? 2) Probíhá bromace fenolu ochotněji nebo méně ochotně než bromace benzenu? Zdůvodněte. 3) Pokud bychom místo fenolu použili fenolát draselný, probíhala by reakce ochotněji? 4) Bromová voda je obvyklým činidlem ve středoškolské organické chemii. Vysvětlete rozdíl mezi reakcí bromové vody s cyklohexenem a s fenolem. 9. Redoxní vlastnosti vícesytných fenolů Reakcí roztoků AgNO[3] a KBr připravíme sraženinu bromidu stříbrného. Upravíme pH směsi přídavkem několika ml 10% roztoku uhličitanu sodného. Suspenzi převedeme do zkumavky a přidáme špetku hydrochinonu. Pozorujeme tmavnutí zkumavky (vylučuje se kovové stříbro). Dotazy: 1) Jaké je praktické uplatnění této reakce? 2) Jsou produkty oxidace vícesytných fenolů aromatické? 10. Odpařování etheru Na teploměr na baňku se rtutí namotáme smotek vaty. Vatu namočíme do diethyletheru a necháme jej z vaty odpařovat. Pozorujeme a vysvětlíme změnu teploty. Co se stane, když při opakování pokusu budeme vatu zahřívat foukáním vydechovaného vzduchu? 11. Rozpouštění etheru ve vodě Přestože diethylether a voda jsou nemísitelné kapaliny, dochází v malém množství k přechodu etheru do vody a naopak. To je známo jak z laboratorní praxe (pro některé syntézy je nutné připravovat vody prostá, tj. suchá rozpouštědla), tak i z průmyslu a životního prostředí (kontaminace vod nepolárními organickými látkami). Popsanou skutečnost lze demonstrovat: Do dělicí nálevky odměříme rozumné množství vody a etheru (po 10 – 15 cm^3). Baňku uzavřeme zátkou, směs protřepeme. Pozor, ether je velmi těkavá látka, při protřepávání vzniká v baňce přetlak. Ten je nutné pravidelně uvolňovat – na začátku ihned po prvním otočení baňkou, následně je možné intervaly prodlužovat. Po protřepání baňku necháme v klidu stát, aby se emulze rozdělila na vodnou a etherovou vrstvu (která je která?). Následně vrstvy oddělíme – vodnou vrstvu odpustíme na porcelánovou misku, etherovou vrstvu do kádinky. Z vodné vrstvy je cítit ether, hořící zápalkou tuto „vodu“ zapálíme, čímž prokážeme přítomnost etheru. Vodu v etherové vrstvě prokážeme vložením malého množství bezvodého síranu měďnatého (připravíme přežíháním modré skalice nebo získáme od skupiny, která vypracovává 6. cvičení). Likvidace: etherovou vrstvu lijeme do organického odpadu, máme-li malé množství etheru, je možné jej nechat volně odpařit v digestoři. Dotazy: 1) Kam zařadíte tento experiment? 2) Jaké látky se v laboratoři používají k sušení (rozpouštědel, plynů, produktů)? Vysvětlete včetně principu sušícího efektu. 12. Zápalnost par etheru (k provedení přivolejte vedoucího cvičení) Z filtračního papíru si vyrobíme korýtko alespoň 20 cm dlouhé. Do porcelánové misky vložíme několik krystalů manganistanu draselného, zalijeme je 3 – 5 cm^3 konc. kyseliny sírové. Vzniká zelený roztok obsahující oxid manganistý. Do malé Erlenmeyerovy baňky si odlijeme velmi malé množství (ne více než 2 cm^3!) etheru, baňku zahříváme v rukou, dokud se ether neodpaří. Nyní pomocí korýtka naléváme páry etheru z baňky do misky s oxidem manganistým. Ether vzplane. Při likvidaci obsahu porcelánové misky postupujte opatrně. Obsah misky spláchněte do výlevky, pozor na jeho rozstříknutí po okolí nešetrným proudem vody. Dotazy: 1) Čím se vysvětluje nízká teplota varu etherů v porovnání s alkoholy? Proč se ethery srovnávají s alkoholy? 2) Jakým sledem reakcí se v misce tvoří oxid manganistý? 3) Pokusem také ukazujeme, že páry etheru jsou těžší než vzduch. Vysvětlete proč. 9. Cvičení: Zmýdelnění tuků, pokusy s mýdlem Zmýdelnění oleje Do Erlenmeyerovy baňky objemu 250 cm^3 odměříme 23 cm^3 rostlinného oleje, přidáme 20 cm^3 ethanolu a 25 cm^3 25% roztoku NaOH. Baňku s reakční směsí umístíme do vodní lázně a uchytíme do stojanu. Vodní lázeň zahříváme k varu. Reakční směs udržujeme za stálého míchání při teplotě varu vodní lázně po dobu nejméně 20 min. Vzniká pastovitá hmota obsahující mýdlo, glycerol a nezreagovaný NaOH. Baňku se směsí ochladíme vodou a v ledové lázni. Po ochlazení přidáme 10 cm^3 nasyceného roztoku NaCl, důkladně promícháme. Dojde k vysolení mýdla. Podle času je možné použít nepročištěnou suspenzi mýdla, nebo jej odfiltrovat na Büchnerově nálevce, promýt minimálním množstvím ledové vody a použít k dalším experimentům takto získaný produkt. Pokusy s mýdlem: Část mýdla rozpustíme v destilované vodě tak, aby vznikl téměř čirý roztok. Pro následující experimenty bereme vždy malé množství roztoku mýdla do zkumavky: a) Roztok mýdla ve zkumavce důkladně protřepeme. Tvoří se pěna. b) K roztoku mýdla ve zkumavce přidáme 3 – 5 kapek oleje. Protřepeme. Tvoří se emulze. Srovnáme s emulzí stejného počtu kapek oleje ve vodě (bez mýdla) – po protřepání se rychle obnovuje fázové rozhraní. c) K roztoku mýdla přikapáváme zředěnou (ca 20%) kys. sírovou. Vylučují se mastné kyseliny v podobě bílé sraženiny. d) Roztok mýdla necháme reagovat s roztoky vápenaté soli a zinečnaté soli. Tvoří se sraženiny. Jaké je jejich složení? Poznámky: Větší velikost Erlenmeyerovy baňky volíme kvůli možnému pěnění reakční směsi. Nádobí po přípravě mýdla je nutné dobře odmastit organickými rozpouštědly (ethanol, aceton, případně diethylether), a to včetně odměrného válce na nabrání oleje (na ten žáci zapomínají). Příprava mýdla je v literatuře popsána v různých provedeních. Místo oleje je možné vycházet ze sádla, reakční směs ale více pění a manipulace se sádlem je méně komfortní. Podle podmínek ve škole je možné provádět pouze pokusy s mýdlem bez jeho vlastní přípravy. Pro tyto účely je vhodné nastrouhat klasické prací mýdlo (typově „mýdlo s jelenem“) a rozpustit ve vodě. Moderní, obzvláště tekutá mýdla často obsahují další příměsi či jiné účinné látky, které negativně ovlivňují průběh reakcí. Dotazy: 1) Proč se do reakční směsi přidává ethanol? 2) Co je to vysolení mýdla? Na jakém principu funguje? Podobně lze vysolovat i jiné látky, používá se např. vysolení bílkovin – mechanismus je obdobný. Vysolení lze demonstrovat i s roztokem připraveného mýdla přídavkem nasyceného roztoku či pevného NaCl k roztoku mýdla. 3) Vysvětlete chemický princip vyloučení mastných kyselin pomocí kys. sírové. Proč jsou mastné kyseliny nerozpustné ve vodě? 4) Vysvětlete, v čem spočívá prací účinek mýdla. 5) Má mýdlo lepší prací schopnosti ve tvrdé nebo měkké vodě? Zdůvodněte. 6) Mýdlo je uváděno jako běžný prostředek domácí první pomoci při poleptání kyselinou. Zdůvodněte tuto skutečnost, včetně chemické rovnice. 10. Cvičení: Deriváty uhlovodíků II 1. Beilsteinova zkouška Měděný drát ponoříme do chloroformu či dichlormethanu a vložíme jej do plamene kahanu. Zelené zbarvení plamene je důkazem přítomnosti halogenu v molekule zkoumané látky – plamen je obarvený díky tvořícímu se halogenidu mědi. Poznámky: Pokud měděný drát není čistý a sám barví plamen, krátce jej ponoříme do konc. kyseliny dusičné a vyžíháme. Opakujeme, dokud není drát čistý. Zkoušku lze použít i pro další halogenderiváty, pevné (jodoform) se nanesou na měděný drát obdobně jako kapaliny. Plynné můžeme odvádět z reakční soustavy měděnou trubičkou a na jejím konci zapálit. 2. Oxidace benzaldehydu Do růžového roztoku manganistanu draselného kápneme několik kapek benzaldehydu. Obsah zkumavky protřepeme. Ihned se tvoří hnědé zbarvení burelu. Na hodinové sklíčko kápneme několik kapek benzaldehydu a necháme stát na vzduchu při laboratorní teplotě. Benzaldehyd se oxiduje vzdušným kyslíkem, po delší době (20 min) se na sklíčku vylučují krystalky kyseliny benzoové. 3. Soli anilinia Ve zkumavce připravíme emulzi 1 cm^3 anilinu v 10 cm^3 vody. Rozdělíme na dvě poloviny. K první přilijeme 1 cm^3 konc. HCl, emulze mizí. K druhé části přikapáváme 1 cm^3 kys. sírové, tvoří se bílá sraženina hydrogensíranu anilinia, který se v nadbytku kyseliny rozpouští. 4. Bromace anilinu Ve zkumavce promícháme 2 cm^3 anilinu se stejným množstvím bromové vody. Po rozdělení fází pozorujeme odbarvení bromové vody. Dotazy: 1) Rozepište mechanismus bromační reakce. 2) Popsanou reakcí vzniká tribromanilinium-bromid. Vysvětlete, kde se vzal. Jak bychom z něj získali čistý tribromanilin? 5. Příprava azobarviva Ve zkumavce rozpustíme 2 kapky anilinu v 1 cm^3 konc. HCl, přidáme 3 cm^3 vody. Vzniklý roztok ochladíme v ledové lázni na teplotu nižší než 5 °C. Přidáme několik kapek 20% roztoku dusitanu sodného. Takto připravenou diazoniovou sůl přilijeme k roztoku 0,2 g fenolu v 1 cm^3 20% roztoku NaOH, který jsme před tím také vychladili v ledové lázni. Vzniká oranžové azobarvivo (p-hydroxyazobenzen). Poznámky: Fenol je možné nahradit za jiné aromatické deriváty s elektrondonorními skupinami, jako např. naftol, N,N-dimethylanilin, kys. salicylovou, jsou-li k dispozici. Dotazy: 1) Jakým mechanismem probíhá kopulační reakce? Objasněte roli jednotlivých částic. 2) Proč rozpouštíme fenol v hydroxidu? 3) Proč je nutné reakční směs chladit? 4) Jaké strukturní uspořádání je zodpovědné za oranžové zbarvení produktu? 6. Vznik plastu z anilinu V kádince smícháme 2,5 cm^3 anilinu s 4 cm^3 vody a 3 cm^3 konc HCl. Přidáme 7,5 cm^3 38% roztoku formaldehydu (koncentrovaný formaldehyd). Za stálého míchání reakční směs zčervená a během několika minut tuhne. Ztuhlou hmotu lze z kádinky vyjmout. Poznámky: Pozor, při tuhnutí směsi může při neopatrné manipulaci dojít ke zlomení tyčinky a pořezání. Poměry reaktantů musí být pečlivě dodrženy, aby došlo k dokonalému zesíťování makromolekuly. 7. Redoxní vlastnosti formaldehydu Formaldehyd poskytuje pozitivní Tollensovu i Fehlingovu zkoušku. Malé množství (0,5 cm^3) 10% roztoku formaldehydu smícháme s Tollensovým činidlem, zahřejeme na vodní lázni. Pozorujeme vznik stříbrného zrcátka. Fehlingovu zkoušku provedeme obdobně (vyberte si jedno nebo druhé provedení). Dotazy: 1) Popište chemismus obou zkoušek. 2) K čemu je ve Fehlingově činidle vinan sodno-draselný? 3) Jaká částice je zodpovědná za oxidační účinky Tollensova činidla? 8. Příprava aminoplastu Ve zkumavce se 3 cm^3 koncentrovaného (40%) formaldehydu rozpustíme 1 g močoviny. Přidáme kapku konc. HCl a zkumavku zahříváme ve vodní lázni na 80 °C. Po chvíli obsah zkumavky tuhne, dochází ke kondenzační reakci, vzniká aminoplast. 9. Aldolová kondenzace Ve zkumavce rozpustíme ve 3 cm^3 vody 1 cm^3 acetonu a 0,5 cm^3 20% roztoku NaOH. Směs protřepeme a zahříváme na vodní lázni. Obsah zkumavky zhnědne, případně zhoustne. Dotazy: 1) Rozepište mechanismus popsané aldolové kondenzace. 2) Vysvětlete, proč jsou příslušné vodíky acetonu odštěpitelné působením baze. 10. Příprava jodoformu Do zkumavky nalijeme 5 cm^3 10% roztoku NaOH a 1 – 2 cm^3 ethanolického roztoku jodu. Zkumavku mírně zahřejeme, zbarvení jodu mizí. Po ochlazení se vylučují žluté krystaly jodoformu. Dotazy: 1) Tato tzv. jodoformová reakce je použitelná i analyticky jako důkazová reakce. Jaké další látky jí podléhají? 2) Za normálních podmínek je jodoform pevná látka, zatímco jeho obdoba, chloroform, je kapalný. Vysvětlete tuto skutečnost. 11. Cvičení: Titrace II Argentometrie: standardizace odměrného roztoku AgNO[3] Do odměrné baňky připravíme roztok AgNO[3] o koncentraci 0,02 mol×dm^–3. Primárním standardem pro určení přesné koncentrace roztoku dusičnanu stríbrného je chlorid sodný. Vypočtené množství NaCl navážíme na analytických vahách, rozpustíme v odměrné baňce objemu 100 cm^3. Pro vlastní titraci pipetujeme do titrační baňky 10 cm^3 roztoku NaCl. Navážku NaCl vypočteme tak, aby se spotřeba 0,02M-AgNO[3] pohybovala okolo 15 cm^3. Jako indikátor slouží několik kapek 5% roztoku chromanu draselného. Titrujeme odměrným roztokem dusičnanu stříbrného ze žlutého do prvního stálého červenohnědého zbarvení. Titraci opakujeme třikrát, z průměru spotřeb vypočteme přesnou koncentraci odměrného roztoku. Chelatometrie: stanovení celkové tvrdosti vody Celkovou tvrdostí rozumíme sumu vápenatých a hořečnatých iontů. Do titrační baňky pipetujeme 100 cm^3 pitné vody, pH roztoku upravíme přídavkem 20 cm^3 Schwarzenbachova pufru (jeho příprava: 5,4 g NH[4]Cl rozpustíme v 35 cm^3 konc. amoniaku a doplníme vodou na celkový objem 100 cm^3). Přidáme na špičku špachtle indikátoru Eriochromová čerň T (je k dispozici jako směs 1:100 s NaCl). Vínově zbarvený roztok titrujeme roztokem Chelatonu III koncentrace 0,05 mol×dm^–3 do modrého zbarvení. Titraci opakujeme třikrát, z průměru spotřeb vypočteme celkovou tvrdost vody v mmol×dm^–3. Poznámky: Učitel/ka chemie by měl/a mít přehled o základních typech titračních stanovení. Volbu a počet konkrétních laboratorních cvičení přizpůsobuje podmínkám svého pracoviště (hodinová dotace, vybavení, požadavky ŠVP, zájem žáků atd.). Existuje mnoho atraktivních stanovení použitelných na střední škole, od analýzy vody, potravinářské, farmaceutické analýzy apod. Jejich počet značně převyšuje rozsah našeho cvičení. Účelem praktika je seznámení se základními titračními metodami a jejich provedením. Proto jsou úlohy obsažené v dnešním cvičení zdánlivě neúplné – na standardizaci roztoku AgNO[3] může navazovat stanovení salinity mořské vody, určení obsahu chloridů v pitné vodě či stanovení obsahu soli v bramborových chipsech. Chelatometricky se ve vodě stanovuje obvykle nejen celková tvrdost, ale i obsah jednotlivých iontů – po stanovení celkové tvrdosti se další chelatometrickou titrací stanoví obash vápenatých iontů, obsah hořečnatých iontů se dopočítá z rozdílu získaných hodnot. Obecně jsou pro žáky atraktivní stanovení látek v předmětech denní potřeby. Titračně lze stanovovat například kyselinu mléčnou v mléce, kyselinu boritou v očních kapkách (borové vodě), kyselinu fosforečnou v Coca-Cole, vitamin C v tabletách, kyselinu acetylsalicylovou v Aspirinu (tato úloha bude obsažena ve Školních pokusech 1), kyselinu octovou v octu (běžná jednoduchá úloha na seznámení s titrací) a mnohé další. Inspiraci lze kromě literatury zaměřené na analytickou chemii hledat i v praktických částech Chemické olympiády, kde se autoři často snaží nabízet zajímavá stanovení a zároveň lze návody považovat za úplné a důvěryhodné (úlohy podléhají recenzi, tudíž „chodí“ tak, jak jsou popsány). Dotazy: 1) Jaké základní látky lze použít pro standardizaci roztoků chelatonu III a manganistanu? 2) Proč je „vhodná“ spotřeba pro argentometrii 15 cm^3 (to neplatí jen pro argentometrii)? Uvažujte v souvislosti s chybami měření. 3) Vysvětlete podstatu indikace bodu ekvivalence u argentometrického i chelatometrického stanovení. 4) Co jsou to normanaly, k čemu jsou dobré? 5) Chloridové ionty lze srážecí reakcí s dusičnanem stříbrným stanovit dvěma odlišnými metodami: gravimetricky a argentometricky. Vysvětlete, v čem spočívá rozdíl mezi těmito stanoveními. 6) Zapište vzorec chelatonu III. 7) Z jakého důvodu se při chelatometrickém stanovení přidává amoniakální pufr? 12. Cvičení: Přírodní látky I 1. Důkaz uhlíku a vodíku v organických látkách (sacharose) Důkaz uhlíku a vodíku spočívá v oxidaci sacharosy oxidem měďnatým a následném důkazu produktů reakce – oxidu uhličitého a vodní páry. Do zkumavky vpravíme směs sacharosy a práškového CuO v poměru 1:2. Zkumavku upevníme vodorovně do stojanu, do jejího ústí vložíme několik krystalů bezvodého síranu měďnatého (ten připravíme přežíháním modré skalice nebo získáme od skupiny, která vypracovává 6. Cvičení). Zkumavku uzavřeme zátkou s odvodnou trubičkou (tvaru L), která je zavedena do druhé zkumavky s vápennou nebo barytovou vodou (připravíme přefiltrováním suspenze hydroxidu vápenatého, resp. barnatého – viz 5. cvičení, pokus 2.). Zkumavku se sacharosou zahříváme kahanem, pozorujeme změny v aparatuře. Pozor, před přerušením zahřívání vyndáme zaváděcí trubičku z roztoku vápenné vody (viz obecné pokyny, bod 2). 2. Důkazové reakce bílkovin Připravíme si následující vodné roztoky: roztok albuminu, roztok želatiny (je vhodné želatinu déle louhovat či roztok zahřát), roztok kaseinu, jako negativní kontrolu lze použít roztok glycinu. Vzorky rozdělíme do příslušného počtu zkumavek. a) biuretová reakce Upravíme pH vzorku přídavkem 5 kapek 10% roztoku NaOH. Následně přidáme 2 kapky 5% roztoku modré skalice. Pozitivní reakci (fialové zbarvení roztoku) poskytují materiály obsahující peptidickou vazbu. b) xanthoproteinová reakce Ke vzorku bílkoviny přilijeme 0,5 cm^3 konc. kyseliny dusičné, zkumavku zahřejeme na vodní lázni. Pozitivní reakci (žluté zbarvení) poskytují materiály obsahující aromatické aminokyseliny. V některých případech je důkaz patrný i bez zahřátí. Silně kyselé prostředí obvykle vyvolává i denaturaci bílkovin. Poznámky: Pro důkazy je možné použít různé zdroje bílkovin, např. vaječný bílek (ředíme 1:10 vodou), mléko či kasein vlastnoručně izolovaný z mléka, extrakty z různých luštěnin apod. Jednotlivé postupy je vhodné před užitím ve třídě vyzkoušet, aby byla zajištěna dostatečná koncentrace vzorků. Chcete-li, přineste si do praktika vlastní vzorky potravin, se kterými si reakce otestujete. Při provádění pokusů tohoto typu je vhodné zařazovat různé vzorky pro srovnání – „laboratorní“ (zde např. albumin, zároveň slouží jako ukázka izolované čisté bílkoviny), běžnou potravinu a vhodná je i nějaká negativní kontrola, s jejíž pomocí doložíme vysvětlený chemismus důkazu. S roztoky bílkovin je možné demonstrovat i různé typy denaturace – teplem, vlivem kyseliny, přídavkem ethanolu, roztoku soli těžkého kovu apod. Dotazy: 1) Vysvětlete chemickou podstatu důkazů včetně toho, jaké látky poskytují a jaké neposkytují pozitivní reakci. 3. Vliv různých faktorů na enzymatickou reakci Nakrájíme a oloupeme čtyři plátky brambory. Jeden z nich ponoříme na několik minut do roztoku rtuťnaté soli na Petriho misce. Druhý plátek krátce povaříme. Zbývající ponecháme beze změny. Připravíme si další čtyři Petriho misky, do každé nalijeme 20 % roztok peroxidu vodíku. Do každé misky nyní vložíme jeden plátek brambory – dva neošetřené, jeden uvařený, jeden máčený v roztoku rtuťnaté soli. Pozorujeme. K jednomu z neošetřených plátků přilijeme malé množství konc. kys. sírové (reakce se zpomalí nebo zastaví podle množství kyseliny). Poznámky: Pozorujeme účinky enzymu katalasy na peroxid vodíku. Katalasa se nevyskytuje jen v bramborách, ale i v mnoha dalších potravinách (viz Školní pokusy 2). Experiment je možné upravit a sledovat např. vliv koncentrace na aktivitu enzymu – použijeme 3% peroxid vodíku pro srovnání. Dotazy: 1) Rovnicí popište reakci, kterou katalasa katalyzuje. Vysvětlete, k čemu je tento enzym organismům prospěšný. 2) Vysvětlete pozorování v jednotlivých Petriho miskách. 3) Do které třídy enzymů katalasa patří? 4. Rozklad močoviny ureasou Do zkumavky odměříme asi 3 cm^3 2% roztoku močoviny, přidáme několik kapek fenolftaleinu. Za míchání přidáme asi 0,5 g sójové mouky či rozetřených sójových bobů. Po několika minutách pozorujeme katalytický účinek enzymu, indikátor mění barvu vlivem tvorby zásaditého amoniaku. Poznámky: V některých případech je patrný zápach amoniaku ze soustavy. Změna pH je patrná vždy. Přírodní materiál je třeba předem odzkoušet, některé druhy sojové mouky patrně prošly úpravami, které vyvolaly denaturaci a jejich ureasa již není aktivní. Dotazy: 1) Do které třídy enzymů patří ureasa? 2) Fenolftalein dokazuje pouze přítomnost zásaditého prostředí, ne specificky amoniaku. Jaké činidlo lze použít pro jeho důkaz? 5. Odhalení kuřáka Do zkumavky nasbíráme asi 1 cm^3 slin. Sliny zředíme stejným objemem vody. Ke zředěným slinám přidáme 1 kapku 10% roztoku HCl a 1 kapku 10% roztoku chloridu železitého. Pozorujeme změny zbarvení proti bílému pozadí. Poznámky: Pro sběr slin se ve třídě obvykle najde několik dobrovolníků, obzvlášť mezi chlapci. Pro zdárný průběh experimentu je vhodné srovnávat sliny silného kuřáka (třeba někdo z pedagogického sboru) a nekuřáka. Podstata experimentu spočívá ve zvýšeném obsahu rhodanidů ve slinách kuřáka. Při kouření se totiž do těla uvolňuje malé množství kyanidů, které tělo okamžitě působením enzymu rhodanasy transformuje na méně nebezpečné thiokyanatany (rhodanidy). Z tohoto důvodu je výhodné odebírat sliny krátce po kouření, je-li to možné. Obecně ale kuřáci z důvodu časté expozice mají ve slinách trvale zvýšený obsah rhodanidů. To lze prokázat reakcí s železitými ionty, tvoří se krvavě červený rhodanid železitý (resp. hexarhodanoželezitan) známý z důkazových reakcí železitých iontů. Je nutné poznamenat, že provádí-li experiment více žáků, tak následné porovnávání výsledků a jejich diskuse trvá obvykle déle než vlastní provedení experimentu. Zbarvení jednotlivých vzorků se také může lišit v rámci skupiny kuřáků i nekuřáků – fyziologická hladina rhodanidů je u každého jednotlivce jiná, záleží i na aktuálních podmínkách, zdravotním stavu, příp. tom, zda člověk je/není pasivní kuřák apod. Pro alespoň nějakou možnost srovnání je nutné zachovat stejný postup úpravy všech vzorků (stejný počet kapek činidla). Dotazy: 1) Systematický název rhodanasy je thiosulfat-sulfurtransferasa. „Přeložte“ tento název do naznačení mechanismu jejího účinku. 6. Odbarvení kečupu Ve zkumavce zředíme malé množství kečupu vodou v poměru 1:1. Přilijeme několik cm^3 Sava. Promícháme a pozorujeme odbarvení kečupu. Poznámky: Obdobně lze odbarvovat rajčatový džus. Pokud jej odbarvujeme ve vyšším sloupci a za použití bromové vody místo Sava, tvoří se barevná „duha“. Dochází k postupnému odbarvování – brom reaguje pomaleji než chlornan, dochází k postupnému zkracování konjugovaného systému dvojných vazeb. Dotazy: 1) Do jaké skupiny látek patří lykopen (červené barvivo rajčat)? 2) Jakou reakci prokazujeme? 7. Důkaz nenasycených vazeb v oleji Ve zkumavce protřepeme 2 cm^3 oleje se 4 cm^3 bromové vody. Dochází k jejímu odbarvení. 8. Pokusy s vitaminem C Vitamin C vystupuje jako redukční činidlo. To lze kvalitativně dokázat následujícími experimenty, případně využít i v jeho kvantitativním stanovení (např. jodometricky). 3 tablety vitaminu C (obsah 250 mg) rozetřeme ve třecí misce na jemný prášek, rozpustíme v 50 cm^3 vody. Směs zůstává kalná, protože tableta obsahuje aditiva nerozpustná ve vodě. Dekantujeme matečný roztok a použijeme jej k dalším pokusům. Prokážeme redukční účinky vitaminu C: a) Fehlingovou zkouškou: provedení viz dříve. b) Reakcí s železitou solí: Ve zkumavce smícháme několik kapek zředěného roztoku železité soli s roztokem rhodanidu draselného nebo amonného. Vzniká krvavě červený roztok, který se přídavkem roztoku vitaminu C odbarvuje. Přítomnost Fe(II) ve vzniklém roztoku prokážeme přídavkem roztoku červené krevní soli. c) Reakcí s Lugolovým roztokem: roztok vitaminu C odbarvuje Lugolův roztok. Poznámky: Uvedené experimenty lze zkoušet i se vzorky potravin (citrusy) – máte-li zájem, přineste si do praktika vlastní vzorky a vyzkoušejte. Dotazy: 1) Popište všechny pozorované děje rovnicemi. 2) Objasněte, jak je to s důkazovými reakcemi železnaté a železité soli pomocí žluté a červené krevní soli. V čem se liší vznikající produkty? 3) Zapište vzorec vitaminu C a vysvětlete, proč se nazývá kyselina askorbová, když vzorec neobsahuje funkční skupinu -COOH.