MASARYKOVA UNIVERZITA
Přírodovědecká fakulta
C7651 ŠKOLNÍ POKUSY 2 – NÁVODY
K PRAKTIKU
BRNO 2021
poslední úprava: 15. prosince 2024
Zpracovatelé nebo autoři úloh a fotografií:
• Vladimír Bláha
• Kristýna Dohnalová
• Petra Elblová
• Aneta Farková (Benešová)
• Zuzana Fasorová
• Aneta Fuksová
• Ivo Gábriš
• Simona Hanzlíková
• Tereza Holcmanová (Kvasničková)
• Hana Kacetlová
• Jan Kolář, Ústav experimentální botaniky AV ČR (úloha Experimenty s antokyany,
Třpytivé žížaly z pektinu, Papírky pro indikaci Al3+ ze slupek cibule)
• Zdenka Kolářová
• Šárka Kotasová
• Veronika Krapež (Podešvová)
• Jaromír Literák
• Radek Matuška
• Jakub Nečas
• Klára Nevřelová (Baková)
• Tomáš Pinka
• Václav Piskač
• Leoš Sáblík
• Petr Stadlbauer
• Veronika Švandová
• Petra Tesařová (Jarošová)
• Martin Uchnár
• Magda Zemánková (Jurčíková)
2
Rozpis úloh pro pondělní skupiny
23. 9. 2024 Kyanotypie a anthotypie.
30. 9. 2024 Příprava trihydrátu tris(oxaláto)železitanu draselného a šťavelanu železna-
tého.
7. 10. 2024 Tajný inkoust z červeného zelí, papírky pro indikaci Al3+ z červeného zelí
a slupek cibule, neklasické provedení čpavkové a chlorovodíkové fontány, experimenty
s antokyany, příprava pyroforického železa, plamenové zkoušky.
14. 10. 2024 Výroba šumivé koule do koupele, hoření ocelové vlny na vzduchu, izolace
DNA z banánu, demonstrace závislosti rychlosti chemické reakce na teplotě.
21. 10. 2024 TLC analýza barviv podzimního listí (jen TLC a rozdělování mezi vodu
a lipofilní fázi), TLC α-aminokyselin, dělení plastů podle hustoty, plast
z mléka, pozorování mikroplastů, hasicí přístroj.
4. 11. 2024 Paramagnetismus kyslíku, chemiluminiscence singletového kyslíku
(Trautzova-Schoriginova reakce), paramagnetický roztok, chemický semafor,
modrá baňka, příprava anorganických pigmentů (berlínská modř nebo
malachit).
11. 11. 2024 Důkaz přítomnosti rostlinných proteas, sledování hydrolýzy škrobu za katalýzy
amylasou z naklíčené pšenice a medu, výroba temperové barvy z pigmentu,
sublimace kofeinu z čaje nebo kávy.
18. 11. 2024 Syntéza uhlíkových kvantových teček, tajný inkoust na bázi CQD, příprava
fluoresceinu, luminiscence fluoresceinu ve skle kyseliny borité, demonstrační
příprava ethyl-formiátu, hopsací kulička z vodního skla.
25. 11. 2024 Leošovy a Jakubovy vymazlené badatelské úlohy (elektrochemie, potenciometrická
a konduktometrická titrace – pracovní listy jsou vloženy jako
samostatné dokumenty do studijních materiálův ISu).
2. 12. 2024 Ovlivnění chemické rovnováhy podmínkami (pracovní list je vložen jako samostatný
dokument do studijních materiálův ISu), jednoduchá elektrolýza
roztoku NaCl na grafitových elektrodách, experimenty se superabsorbenty
(jen vliv solí na absorpční schopnost), plast ze škrobu, tajný inkoust z kyseliny
salicylové.
9. 12. 2024 Leošovy a Haniny vymazlené badatelské úlohy (stanovení rozpouštěcí entalpie,
Hessovy zákony, stanovení antioxidační aktivity potravin – pracovní
listy budou vloženy jako samostatné dokumenty do studijních materiálův
ISu).
16. 12. 2024 Stanovení kyseliny mléčné v mléčných výrobcích, výroba plastelíny
z mouky, výroba inkoustu ze zeleného čaje, důkaz bilkovin v žampionech,
důkaz vitaminu C v ovoci a zelenině (ne kvantitativní stanovení), přeměna
mědi ve stříbro a zlato.
3
Obsah
Kyanotypie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Antotypie s využitím kurkuminu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Antotypie s využitím červené papriky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Příprava trihydrátu tris(oxaláto)železitanu draselného . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Alternativní příprava trihydrátu tris(oxaláto)železitanu draselného . . . . . . . . . . 15
Příprava šťavelanu železnatého a pyroforického železa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Izolace DNA z jahod/banánů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Neklasické provedení čpavkové a chlorovodíkové fontány . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Experimenty s antokyany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Výroba barevné limonády . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tajný inkoust z červeného zelí – indikátor Al3+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Výroba papírků pro indikaci Al3+ z cibulových slupek . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Adsorpce barviv z červeného vína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Stanovení obsahu kyseliny mléčné v mléce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Plamenové zkoušky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Plamenové zkoušky s rozprašovačem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Plamenové zkoušky s hořícím alkoholem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Hopsací kulička z vodního skla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Důkaz přítomnosti rostlinných proteas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Kapalina nebo pevná látka? (nenewtonovská kapalina) . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Tajné písmo na bázi jedlé sody a kurkuminu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Experimenty se superabsorbenty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Mizející voda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Vliv soli na absorpční kapacitu superabsorbentu . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Hasicí přístroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Přeměna mědi ve stříbro a zlato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Chemický semafor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Modrá baňka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Dělení α-aminokyselin pomocí tenkovrstvé chromatografie . . . . . . . . . . . . . . . 47
Dělení lipidů pomocí tenkovrstvé chromatografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Dělení a identifikace rostlinných listových barviv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Analýza barviv podzimního listí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Plastelína z mouky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Izolace lepku z mouky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Roztančené rozinky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Paramagnetismus kyslíku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Paramagnetický roztok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Syntéza uhlíkových kvantových teček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Tajný inkoust na bázi CQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4
Základní chemické zákony – hoření ocelové vlny na vzduchu . . . . . . . . . . . . . . 71
Jodové hodiny – stanovení řádu reakce a rychlostní konstanty . . . . . . . . . . . . . 72
Demonstrační příprava ethyl-formiátu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Preparativní příprava ethyl-formiátu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Příprava fluoresceinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Luminiscence fluoresceinu ve skle kyseliny borité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Chemiluminiscence singletového kyslíku (1∆g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Generování singletového kyslíku reakcí NaClO s H2O2 . . . . . . . . . . . . . . 82
Trautzova-Schoriginova reakce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Stanovení obsahu vitaminu C v přírodním materiálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Bělící složky pracích prášků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Příprava peroxouhličitanu sodného . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Analýza připraveného peroxohličitanu a pracích prášků . . . . . . . . . . . . . . 92
Elektrolýza v pipetě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Jednoduchá elektrolýza roztoku NaCl na grafitových elektrodách . . . . . . . . . . . 96
Pozorování mikroplastů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Výroba plastu z mléka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Biodegradabilní plasty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Alginátové špagety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Plast ze škrobu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Výroba plastu ze směsi alginát-chitosan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Třpytivé žížaly z pektinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Zkoumání fyzikálně-chemických vlastností syntetických polymerů . . . . . . . . . . . 106
Dělení plastů podle hustoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Obří bubliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Snímání otisků prstů z předmětu pomocí prášku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Výroba šumivé koule do koupele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Demonstrace závislosti rychlosti chemické reakce na teplotě . . . . . . . . . . . . . . 113
Destilace rostlinných silic s vodní parou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Analýza tonicu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Stanovení kyseliny citronové v tonicu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Sublimace kofeinu z kávy nebo čaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Domácí výroba mýdla na studené cestě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Výroba mýdla z rostlinných tuků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Výroba mýdla z avokáda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Změna barvy květů po vystavení párám amoniaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Důkaz kvality doplňku stravy s ω-3-nenasycenými mastnými kyselinami . . . . . . . 127
Barvení vlněného vlákna syntetickými barvivy z potravin . . . . . . . . . . . . . . . 129
Extrakce syntetických barviv z potravin a jejich analýza pomocí TLC . . . . . . . . 131
Izolace kaseinu z mléka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Přesýpací hodiny v krystalu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Příprava indiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Jodometrické stanovení siřičitanů ve víně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Není barva jako barva, aneb hrátky s chromatografií . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Výroba krému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Ovlivnění chemické rovnováhy podmínkami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Příprava alternativního inkoustu ze zeleného čaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Experimenty s polyfenoloxidasami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Sledování hydrolýzy škrobu za katalýzy amylasou z pšenice . . . . . . . . . . . . . . 151
5
Amylasa v medu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Tajný inkoust z kyseliny salicylové . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Příprava berlínské modři . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Příprava malachitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Výroba barev z pigmentů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Výpočet molární rozpouštěcí entalpie solí ve vodě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Návod pro obsluhu programu Graphical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Stanovení pKa karboxylových kyselin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Zařazení kovů do Beketovovy řady kovů – měření napětí elektrochemických článků . 179
Důkaz ureasy v sojových bobech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Enzymatická příprava divanilinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Důkaz přítomnosti proteinu v žampionu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Test přítomnosti vitaminu C v ovoci, zelenině a houbách . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6
Kyanotypie
Kyanotypie (fotochemický modrotisk, κυανóς = modrý) patří spolu s daguerrotypii a talbotypii
mezi nejstarší fotografické techniky. Působením světla na fotocitlivé sloučeniny železa
vzniká stabilní modrý obraz. Papír nebo jiný materiál je napuštěn směsí hexakyanoželezitanu
draselného a vhodné železité soli obsahující organický anion. Chemickou podstatou děje
je světlem vyvolaná redukce železitého kationtu organickým aniontem na kation železnatý,
který ihned tvoří s hexakyanoželezitanovým aniontem intenzivně modrou sraženinu berlínské
(Turnbullovy) modři. Složení vzniklého nerozpustného modrého pigmentu odpovídá vzorci
Fe4[Fe(CN)6]3·x H2O.
Původně byl v kyanotypii využíván citran železito-amonný jako fotocitlivá sůl, ukázalo se
však, že zvláště jeho roztoky jsou dobrou živnou půdou pro plísně. Proto k našim experimentům
využijeme tris(oxaláto)železitan draselný, jehož menší citlivost ke světlu vyvažuje jeho
vyšší stabilita. V komplexním aniontu této soli dochází po absorpci modrého, fialového nebo
ultrafialové světla k přenosu jednoho elektronu ze šťavelanového aniontu na železitý kation.
Výsledkem je redukce Fe3+ na Fe2+ a oxidace ligandu na CO2.
2 K3[Fe(C2O4)3] 2 K2[Fe(C2O4)2] + K2C2O4 + 2 CO2
hν
Následuje reakce Fe2+ s [Fe(CN)6]3− za vzniku berlínské modři. V místech, kam nedopadlo
toto světlo, zůstává nezměněná směs výchozích solí. Aby nedošlo k nežádoucímu zmodrání
těchto oblastí, je potřeba obraz ihned po expozici opláchnout vodou a odstranit tak všechny
rozpustné soli.
Při dostatečné expozici směsi obsahující šťavelany vzniká v místě expozice tzv. berlínská
běl o složení Fe2[Fe(CN)6], která dává exponovanému místu modro-šedé zabarvení. Vznik
tohoto zbarvení je proto dobrým ukazatelem okamžiku, kdy by expozice měla být ukončena.
Po vymytí solí vodou z neexponovaných míst dochází k ustálení obrazu působením vzdušného
kyslíku – obraz postupně získává konečnou modrou barvu díky oxidaci berlínské běli. Proces
je možno urychlit opláchnutím obrazu zředěným roztokem peroxidu vodíku.
Berlínská modř je velmi odolná vůči působení světla, vzdušného kyslíku a zředěných slabých
kyselin. Zásady však způsobují naleptání berlínské modři a její zežloutnutí.
Příprava negativů:
• Nejlépe lze kyanotypií reprodukovat obrázky s ostrými přechody, ideální je kresba.
Vhodný obrázek. Obrázek, který se ke kyatotypii nehodí.
7
• Obrázek načteme do grafického programu, převedeme jej na černobílý obrázek a následně
invertujeme bílou a černou.
• Výsledný negativ vytiskneme pomocí laserové tiskárny na průsvitku formátu A4. Vhodné
průsvitky z PET lze zakoupit ve větších papírnictvích.
• Lze rovněž zhotovovat kyanotypy rostlin nebo jiných objektů.
Chemikálie:
Hexakyanoželezitan draselný, trihydrát tris(oxaláto)železitanu draselného, zředěný roztok peroxidu
vodíku (w ≈ 0,003), kyselina citronová.
Provedení kyanotypie:
• Do tmavých lahví připravíme roztoky solí pro provedení kyanotypie. Roztok A je 12%
vodný roztok tris(oxaláto)železitanu draselného, který obsahuje ještě 1 % kyseliny citronové.
Roztok B je 7% roztok hexakyanoželezitanu draselného ve vodě.
• V kádince smícháme stejné objemy roztoku A a B a směs důkladně promícháme. Od
tohoto okamžiku je vhodné všechny operace s roztokem a fotocitlivým papírem
provádět v prostorách s nízkou intenzitou osvětlení. Nevhodné je přímé
sluneční světlo nebo světlo fluorescenčních zářivek. Vhodné jsou žárovky nebo svítidla
s teplejšími tóny.
• Připravíme si kreslící karton, vhodné jsou levnější typy papíru, které obsahují menší
množství bazických plniv, které mohou proces kyanotypie komplikovat. Pomocí molitanové
houbičky naneseme tenkou vrstvu připraveného roztoku na papír, roztok necháme
vsáknout a mírně zvadnout. Spotřeba roztoku by měla být 2–3 cm3 na jeden papír formátu
A4. Impregnovaný papír vysušíme fénem nebo horkovzdušnou pistolí, dbáme na
to, aby došlo k rovnoměrnému vyschnutí na celé ploše papíru a také aby teplota vzduchu
nebyla příliš vysoká, protože by mohlo dojít k částečnému rozkladu solí. Papír by měl
mít sytě zeleno-žlutou barvu.
• K papíru přiložíme polyesterovou folii s vytištěným negativem, zatížíme tabulkou skla
a vystavíme slunečnímu světlu. Typická doba expozice se pohybuje v rozmezí jedné
a dvaceti minut. Během expozice pozorujeme změnu barvu světlu vystavených částí
papíru, měli bychom zaznamenat nejdříve zelené, později modré až nakonec šedomodré,
popřípadě šedohnědé zabarvení. Nejvhodnější okamžik pro ukončení expozice nastane,
když zřetelně pozorujeme počínající blednutí šedého zabarvení plně exponovaných ploch.
• Kyanotyp oplachujeme několik minut tekoucí vlažnou vodou tak, aby došlo k vymytí
nezreagovaných solí z papíru. Dobré vymytí poznáme podle vymizení žluté barvy papíru
v místech, která byla zakrytá. Nakonec papír s obrazem opláchneme zředěným roztokem
peroxidu vodíku.
• Vytvořený obraz vysušíme proudem teplého vzduchu.
Poznámky:
Při provádění kyanotypie je vhodné zakrýt pracovní stůl mikroténovou fólií. Pokud přeci
jen zůstane na nábytku nebo oblečení modrá skvrna berlínské modři, je možné ji odstranit
8
pomocí vodného roztoku sody (Na2CO3). Z tohoto důvodu nejsou vhodné k provádění kyanotypie
papíry s velkým obsahem plniv a alkalických aditiv. Podobně textilie s modrotiskem
nelze opakovaně prát s běžnými pracími prášky. V tomto případě se doporučuje ruční praní
s využitím mýdel na ruce nebo dětských šamponů.
Úspěch kyanotypie závisí také na kvalitě papíru. V papírnictvích se potkáme s kreslícími
a rýsovacími kartony (papíry). Kromě odlišné velikosti (rýsovací papír má větší rozměry, než
stanoví norma), se liší povrchem. Rýsovací papír má obvykle hladší povrch, je tedy teoreticky
méně vhodný pro kyanotypii. Ukazuje se také, že kvalita a obsah aditiv v kreslících papírech
kolísají. Pokud tedy chcete provádět s žáky kyanotypii, je vhodné si kyanotypii s daným
papírem vyzkoušet, abyste se vyhnuli nemilým překvapením.
Zkušenost také ukazuje, že čím lépe vysušený fotocitlivý papír je, tím lépe kyanotypie
funguje. Je proto vhodné fotocitlivé papíry na několik dní úložit v temnu v papírové složce
a až po této pauze je použít.
Barvu vzniklého modrého obrázku lze dodatečně chemicky změnit. Je možné rovněž kyanotypii
provádět na textilu nebo dřevěném prknu. Více se můžete dočíst na následující webové
stránce https://www.chemieasvetlo.cz/teorie/fotochemicky-modrotisk/.
Kyanotypie byla v minulosti oblíbenou metodou kopírování technických výkresů a plánů.
Doplňující otázky:
1. Vysvětlete chemickou podstatu klasické černobílé fotografie na bázi halogenidů stříbra.
Antotypie s využitím kurkuminu
Antotypie je technika, která využívá k tvorbě obrázku fotocitlivé barvivo vyextrahované z rostliny.
My v následujícím experimentu využijeme alkoholový extrakt z kurkumy, který obsahuje
žlutý kurkumin. Extrakt s barvivem je možné nanést na kreslící papír. Po odpaření alkoholu
vznikne fotocitlivý papír, protože kurkumin podléhá po ozáření slunečním světlem poměrně
rychlé fotochemické degradaci. Produkty fotochemické přeměny kurkuminu jsou bezbarvé.
Když k fotocitlivému papíru přiložíme pozitiv černobílého obrázku a papír následně exponujeme,
získáme pozitiv obrázku. Obrázek tvořený žlutým kurkuminem je ovšem málo
výrazný. Ke zvýraznění obrázku použijeme stejnou reakci jako v experimentu s tajným inkoustem
na bázi jedlé sody a kurkuminu. V bazickém prostředí je kurkumin deprotonován a
získává červeno-hnědou barvu.
Pozitivy obrázků lze vytisknout na běžných tiskárnách na plastové průsvitky.
9
Pomůcky:
Rozprašovač nebo vatové tyčinky (případně vata namotaná na konec špejle), nálevka, tabulová
skla, pozitivy obrázku nebo templáty.
Chemikálie a materiál:
Přibližně 10% roztok jedlé sody (NaHCO3) ve vodě, mletá kurkuma, ethanol nebo isopropylalkohol,
filtrační papír, kreslící nebo rysovací papíry.
Postup:
• Smíchejte velkou lžičku mleté kurkumy s 50–100 ml ethanolu a nechte za občasného
míchání extrahovat asi 30 minut. Výluh zfiltrujte nebo dekantujte.
• Extrakt nalijte do rozprašovače a aplikujte jej na povrch kreslícího papíru. Pokud nemáte
rozprašovač, je možné papír potřít roztokem s pomocí vatové tyčinky. Nechte papír
vyschnout.
• Fotocitlivý papír položte na skleněnou tabulku nebo jinou rovnou plochu. K papíru
přiložte polyesterovou folii s vytištěným pozitivem obrázku, případně vhodný templát, a
zatižte je tabulkou skla. Skla s papírem a pozitivem vystavte slunečnímu světlu. Typická
doba expozice závisí na ročním období a povětrnostních podmínkách, může se pohybovat
od jednotek minut do desítek minut. Během expozice můžete pozorovat změnu barvu
světlu vystavených částí papíru, kdy dochází ke světlání až vymizení žlutého zabarvení.
• Po skončení expozice vyjměte papír ze skel a potřete jej s využitím vatové tyčinky 10%
vodným roztokem hydrogenuhličitanu sodného. V důsledku reakce dojde ke změně barvy
kurkuminu a ke zvýraznění obrázku. To lze podpořit ještě zahřátím obrázku na přibližně
50 °C.
Poznámky:
Pokud nemáte k dispozici tabulky skla, je možné fotocitlivý papír a folii s pozitivem obrázku
vložit do průhledné plastové složky nebo euroobalu.
a) b) c)
Obr. 1: (a) Papír s naneseným extraktem z kurkumy; (b) fotocitlivý papír po expozici slunečnímu
záření; (c) zvýraznění obrázku potřením 10% roztokem hydrogenuhličitanu sodného.
10
Obr. 2: Antotypy po vizualizaci roztokem hydrogenuhličitanu sodného. Horní obrázek vznikl
s pomocí pozitivu vytištěného na průsvitku, dolní obrázek byl vytvořen s užitím přírodních
templátů.
Antotypie s využitím červené papriky
Podobně jako extraktu z kurkumy lze pro antotypii využít i ethanolický extrakt z červené
papriky. Za červené zbarvení jsou zodpovědné různé lipofilní karotenoidy, např. β-karoten
nebo kapsanthin, které jsou podobně jako kurkumin fotochemicky nestálé. Praktické provedení
antotypie je analogické jako u extraktu z kurkumy, jen výsledný obrázek bledne i v temnu
(vyblednutí je patrné už po několika týdnech).
11
HO CH3
H3C CH3
O
CH3 CH3
CH3 CH3
OH
CH3
H3C
H3C
Kapsanthin
CH3
H3C CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
β-Karoten
H3C
H3C CH3
Pomůcky:
Rozprašovač nebo vatové tyčinky (případně vata namotaná na konec špejle), nálevka, tabulová
skla, pozitivy obrázku nebo templáty.
Chemikálie a materiál:
Mletá sušená červená paprika, ethanol nebo isopropylalkohol, filtrační papír, kreslící nebo
rysovací papíry.
Postup:
• Smíchejte velkou lžičku mleté červené papriky s 50–100 ml alkoholu a nechte za občasného
míchání extrahovat alespoň 30 minut. Výluh zfiltrujte nebo dekantujte.
• Extrakt nalijte do rozprašovače a aplikujte jej na povrch kreslícího papíru. Pokud nemáte
rozprašovač, je možné papír potřít roztokem s pomocí vatové tyčinky. Nechte papír
vyschnout.
• Fotocitlivý papír položte na skleněnou tabulku nebo jinou rovnou plochu. K papíru
přiložte polyesterovou folii s vytištěným pozitivem obrázku, případně vhodný templát, a
zatižte je tabulkou skla. Skla s papírem a pozitivem vystavte slunečnímu světlu. Typická
doba expozice se pohybuje v nízkých desítkách minut. Během expozice můžete pozorovat
změnu barvu světlu vystavených částí papíru, kdy dochází ke světlání až vymizení žlutočerveného
zabarvení.
• Po skončení expozice, kdy došlo k téměř úplnému vybělení plně exponovaných částí
papíru, vyjměte papír ze skel a uložte jej do temna.
12
Obr. 3: Antotypy vzniklé expozicí papíru impregnovaného ethanolickým extraktem z červené
papriky.
Doplňující otázky:
1. Karotenoidy se dělí na karoteny a xanthofyly. Příkladem karotenů je β-karoten, příkladem
xanthofylů je kapsanthin. Vysvětlete, čím se karoteny a xanthofyly liší.
13
Příprava trihydrátu tris(oxaláto)železitanu draselného
Reakce:
Reakcí železité soli se šťavelanem draselným vzniká komplexní anion tris(oxaláto)železitanový.
Draselná sůl tohoto aniontu vykazuje silnou závislost rozpustnosti ve vodě na teplotě. Ochlazením
koncentrovaného roztoku proto dojde k vyloučení trihydrátu tris(oxaláto)železitanu
draselného.
FeCl3 + 3 K2C2O4 K3[Fe(C2O4)3] + 3 KCl
Roztok tris(oxaláto)železitanu draselného je používán jako tzv. chemický aktinometr k chemickému
stanovení intenzity světla. Komplexní anion absorbuje světlo a následně dochází
k přenosu jednoho elektronu ze šťavelanového aniontu na železitý kation. Výsledkem je redukce
Fe3+ na Fe2+ a oxidace ligandu na CO2.
2 K3[Fe(C2O4)3] 2 K2[Fe(C2O4)2] + K2C2O4 + 2 CO2
hν
Množství uvolněného železnatého kationtu lze pak různými analytickými metodami stanovit.
Uvolňování Fe2+ světlem a jeho následné reakce s K3[Fe(CN)6] za vzniku modré sraženiny
se také využívá v tzv. kyanotypii.
Chemikálie:
K2C2O4·H2O, FeCl3 · 6 H2O.
Postup:
V kádince o objemu 100 cm3 rozpusťte 40 mmol hexahydrátu chloridu železitého v 16 cm3
demineralizované vody. Dále v kádince o objemu 250 cm3 rozpusťte za horka 132 mmol monohydrátu
šťavelanu draselného ve 40 cm3 demineralizované vody. K zahřívání použijte vařič
nebo elektromagnetickou míchačku. Následně za míchání přilijte roztok chloridu železitého
k roztoku šťavelanu draselného. Zbytky roztoku, které ulpěly na stěnách kádinky, spláchněte
několika cm3 vody. Po smíchání roztoků dojde ke změně zbarvení na zelenou. Kádinku s roztokem
vložte do ledové lázně a za míchání nechte směs ochladit. Vyloučené krystaly produktu
odsajte na fritě.
Surový produkt přemístěte do kádinky o objemu 150 cm3, přidejte 40 cm3 vody a směs
v kádince zahřívejte na vařiči a míchejte, až dojde k rozpuštění krystalů. Horký roztok přefiltrujte
přes papírový filtr do kádinky a nechte ochladnout v ledové lázni za občasného promíchání.
Krystaly odsajte na fritě, odpojte od odsávačky zdroj vakua, ke krystalům přidejte cca
5 cm3 ledové vody, směs promíchejte a vodu opět odsajte. Poté promytí krystalů opakujte
s 10 cm3 ethanolu.
Rekrystalizovaný produkt sušte ve vakuové sušárně za laboratorní teploty. Poté stanovte
výtěžek reakce.
Vlastnosti:
Trihydrát tris(oxaláto)železitanu draselného krystalizuje v podobě smaragdově zelených krystalů.
V měkkém ultrafialovém záření sloučenina zeleně fluoreskuje.
Pomalým odpařováním koncentrovaného vodného roztoku této sloučeniny lze připravit
velké smaragdově zelené krystaly. Proces však negativně ovlivňují přítomné nečistoty.
14
Fe
O
O
OO
OO
O
O
O
O
O
O 3−
3K+
Fyzikálně-chemické charakteristiky výchozích látek a produktů:
Látka M/(g mol−1)
K2C2O4·H2O 184,23
FeCl3 · 6 H2O 270,30
K3[Fe(C2O4)3] · 3 H2O 491,24
Navážky reaktantů a teoretický výtěžek produktu:
K2C2O4·H2O FeCl3 · 6 H2O K3[Fe(C2O4)3] · 3 H2O
m/g
%
Alternativní příprava trihydrátu tris(oxaláto)železitanu drasel-
ného
Tris(oxaláto)železitan draselný je možné připravit alternativním způsobem z kyseliny šťavelové,
hydroxidu draselného a chloridu železitého. Přidáním roztoku chloridu železitého do
roztoku šestinásobného látkového množství hydroxidu draselného dojde k vysrážení hydroxidu
železitého.
FeCl3 + 3 KOH −→ Fe(OH)3 + 3 KCl
Po přidání roztoku kyseliny šťavelové dojde k neutralizaci zbývajícího hydroxidu draselného
za vzniku šťavelanu draselného a k rozpuštění sraženiny hydroxidu železitého. Reakcí
železitých iontů se šťavelanem draselným vznikne zelený roztok tris(oxaláto)železitanu draselného,
který po ochlazení vykrystalizuje jako trihydrát.
Fe(OH)3 + 3 KOH + 3 H2C2O4 −→ K3[Fe(C2O4)3] + 6 H2O
Chemikálie:
Dihydrát kyseliny šťavelové, FeCl3 · 6 H2O, KOH.
Postup:
• V kádince o objemu 50–100 ml rozpusťte 0,040 mol hexahydrátu chloridu železitého
v 15 ml demineralizované vody.
15
• V kádince o objemu 250 ml rozpusťte 0,267 mol KOH ve 40 ml demineralizované
vody. Následně k tomuto roztoku za míchání přilijte vodný roztok FeCl3 ·6 H2O. Zbytky
roztoku roztoku chloridu železitého spláchněte několika mililitry vody. Vznikne hnědočerná
hustá sraženina.
• Kádinku se suspenzí postavte na elekromagnetickou míchačku s ohřevem nebo vařič
a zahřejte na přibližně 80 °C.
• V kádince o objemu 100–150 ml připravte směs 0,133 mol dihydrátu kyseliny šťavelové
a 25 ml demineralizované vody a směs následně za míchání zahřejte na přibližně 80 °C,
až dojde k rozpuštění krystalů kyseliny šťavelové.
• Roztok kyseliny šťavelové za míchání přidejte k ohřáté suspenzi Fe(OH)3 a kádinku
spláchněte několika ml vody. Směs v kádince intenzivně míchejte, až dojde k rozpuštění
sraženiny a vznikne zelený roztok.
• Kádinku s roztokem za míchání chlaďte v ledové lázni, až dojde k vyloučení zelených
krystalů produktu. Krystaly odsajte na Büchnerově nálevce nebo fritě.
• Surový produkt přemístěte do kádinky o objemu 150 ml a přidejte 40 ml demineralizované
vody. Směs za míchání zahřívejte, až dojde k rozpuštění krystalů. Horký roztok
přefiltrujte přes hladký filtr. Filtrát v kádince vložte do ledové lázně a za občasného
míchání nechte vyloučit krystaly rekrystalovaného produktu.
• Krystaly odsajte na Büchnerově nálevce nebo fritě a nakonec je promyjte cca 30 ml
ethanolu. Rekrystalizovaný produkt sušte ve vakuové sušárně za laboratorní teploty.
Poté stanovte výtěžek reakce.
Fyzikálně-chemické charakteristiky výchozích látek a produktů:
Látka M/(g mol−1)
H2C2O4·2 H2O 126,07
KOH 56,1056
FeCl3 · 6 H2O 270,30
K3[Fe(C2O4)3] · 3 H2O 491,24
Navážky reaktantů a teoretický výtěžek produktu:
H2C2O4·2 H2O FeCl3 · 6 H2O KOH K3[Fe(C2O4)3] · 3 H2O
m/g
%
16
Příprava šťavelanu železnatého a pyroforického železa
Reakce:
Šťavelan železnatý získáme srážecí reakcí mezi vodným roztokem zelené skalice (heptahydrát
síranu železnatého) a kyselinou šťavelovou.
FeSO4 + H2C2O4 FeC2O4 + H2SO4
Zahřátím vzniklého produktu v nepřítomnosti vzduchu vzniknou jemné částice železa,
které jsou na vzduchu samozápalné (pyroforické).
FeC2O4 Fe + 2 CO2
V tomto experimentu bude malé množství žlutě zbarveného šťavelanu železnatého zahříváno
ve zkumavce. Vznikající oxid uhličitý, který je těžší než vzduch, bude částečnou ochranou
pyroforického železa před oxidací.
Chemikálie:
H2C2O4·2H2O, FeSO4·7H2O, roztok H2SO4 (c = 1 mol dm−3).
Příprava šťavelanu železnatého:
• V kádince připravte roztok 6 g heptahydrátu síranu železnatého ve 20 cm3 demineralizované
vody okyselené 2–3 kapkami 1M-H2SO4.
• Ve druhé kádince připravte roztok 4 g dihydrátu kyseliny šťavelové ve 35 cm3 demineralizované
vody.
• Za stálého míchání přilijte roztok kyseliny šťavelové k roztoku síranu železnatého.
• Suspenzi produktu zahřejte k varu, dojde ke sbalení sraženiny.
• Po vychladnutí suspenze produkt odfiltrujte na Büchnerově nálevce, promyjte vodou a
ethanolem. Produkt nechte vyschnout na vzduchu.
Příprava pyroforického železa:
• Na dno zkumavky nasypte malé množství šťavelanu železnatého, konec zkumavky opatrně
rovnoměrně zahřívejte a její obsah opatrně protřepávejte. Obsah postupně přechází
na šedou práškovou látku a dochází k vývoji plynu.
• Obsah zkumavky po skončení reakce rychle vysypejte do misky s pískem nebo do jiné
nehořlavé nádoby.
17
Obr. 4: Hoření čerstvě připraveného pyroforického železa
Doplňující otázky:
1. Jakou jinou železnatou sůl byste mohli použít pro přípravu šťavelanu železnatého?
2. Bylo by možné místo kyseliny šťavelové pro srážecí reakci použít roztok šťavelanu draselného
nebo šťavelanu vápenatého? Vysvětlete.
3. Jemně dispergované železo tvoří náplň některých typů ohřívačů rukou. Proč v případě
ohřívačů rukou nehrozí sebevznícení náplně, když dochází ke stejné reakci jako v případě
pyroforického železa?
18
Izolace DNA z jahod/banánů
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je obsažena v každé buňce a zodpovídá za správný přenos
genetické informace z generace na generaci. DNA je chemicky poměrně stabilní, a právě proto
je vhodným informačním úložištěm. V minulosti pravděpodobně sloužila k ukládání genetické
informace molekula ribonukleové kyseliny (RNA), ale díky jejímu snadnému štěpení sebou
samou se pravděpodobně vyvinula DNA, která tuto sebeštěpící schopnost nemá. U eukaryotických
organismů je DNA uložena v jádře buňky. DNA je rozdělena do několika chromozomů.
Počet unikátních chromozomů je v každé buňce stejný a je charakteristický pro daný organismus.
Například u člověka je to 23. Tato tzv. sada chromozomů bývá v buňkách často ve
více kopiích. Většina tělních buněk člověka je diploidní, což znamená, že buňky obsahují dvě
homologní sady chromosomů, celkem tedy 46. Polyploidie (triploidie, tetraploidie atd.) je pro
živočichy obvykle smrtelná, ale u rostlin se vyskytuje často. U hospodářsky významných rostlin
se někdy záměrně šlechtí polyploidní odrůdy, protože dosahují vyšších výnosů než původní
diploidní odrůdy. A to je i případ triploidních a tetraploidních banánů a oktaploidních jahod.
Pro nás to znamená nejen vyšší výnos na poli a plantáži, ale také vyšší výnos DNA při izolaci.
DNA je polymer skládající se z navzájem spojených nukleotidů. Nukleotid je sloučenina
kyseliny fosforečné, sacharidu deoxyribosy a dusíkaté heterocyklické báze. DNA obsahuje čtyři
základní báze (obrázek níže). Genetická informace je v molekule DNA nesena v podobě pořadí
těchto bází.
N
N N
N
NH2
H
N
N N
N
O
H
H2N N
N
NH2
H
O
H
N
N
O
H
O
H3C H
adenin guanin cytosin thymin
Nejprve bude třeba jahody/banány rozmačkat a rozrušit buněčné a jaderné membrány.
Poté se přistoupí k samotné izolaci DNA.
Chemikálie a materiál:
Ovoce (banán nebo jahody), tekuté mýdlo, chlorid sodný, ethanol, filtrační papír (nebo filtry
pro překapávače kávy).
Postup:
Příprava extrakčního pufru:
• Jedna skupina připraví extrakční pufr pro všechny – 100 ml vody smíchejte s 1 ml (1 g)
mýdla a 1 g NaCl. Směs by neměla být příliš kalná. Rozdělte si pufr mezi všechny
skupiny pracující na extrakci DNA, každá skupina bude potřebovat 25 ml tohoto pufru.
Před samotným použitím během extrakce pufr znovu promíchejte.
Extrakce:
• Vezměte 1 jahodu/čtvrtku banánu a velmi důkladně ji rozmačkejte ve vhodné nádobě.
Poté k ní přilijte 25 ml extrakčního pufru a směs důkladně promíchejte. Pak směs přefiltrujte
přes papírový filtr do 250 ml kádinky. Pokud se vám při filtraci protrhne papír,
ustřihněte si nový filtr a filtraci opakujte.
• V jiné nádobě vychlaďte přibližně 80 ml ledového ethanolu.
19
• Opatrně nalijte ethanol k jahodovému extraktu po stěně kádinky tak, aby vytvořil oddělenou
vrstvu na jahodové vrstvě. Na rozhraní extrakt-ethanol se začne srážet DNA.
Nechte probíhat srážení po dobu 10 minut.
• Vysráženou DNA vyjměte z kádinky pomocí skleněné tyčinky nebo jiného podobného
nástroje a vložte ji do zkumavky. Pomocí pipety nebo savé látky odstraňte ze zkumavky
přebytečný ethanol. Pochlubte se se svým výsledkem.
Doplňující otázky:
1. Následující obrázek je jednou z nejslavnějších vědeckých fotografií dvacátého století.
Uveďte, co snímek zachycuje a kdo tento snímek pořídil. Co jej činí tak významným?
Znali jste již jméno nebo jména těchto osob, případně historický význam tohoto experi-
mentu?1
Neklasické provedení čpavkové a chlorovodíkové fontány
Amoniak a chlorovodík jsou plyny, které se velmi dobře rozpouštějí ve vodě. Výsledkem je
zmenšení objemu plynu a pokles tlaku (v baňce). V klasickém provedení experimentu se do
vody přidávají acidobazické indikátory. K indikaci kyselého a bazického pH roztoku však lze
využít snadno dostupný extrakt antokyanů z červeného zelí.
Chemikálie a materiál:
Červené zelí, baňka 500 ml s kulatým dnem, zátka s trubicí na konci zúženou, která zasahuje do
baňky, velká kádinka nebo akvárium, 25% vodný roztok amoniaku, 35% roztok chlorovodíku,
kahan.
Postup:
• Spařte listy červeného zelí horkou vodou a nechte barviva extrahovat přibližně 1 hodinu.
Extrakt barviv dekantujte do velké kádinky.
• Do silnostěnné baňky s kulatým dnem nalijte asi 2 ml koncentrovaného roztoku amoniaku
nebo chlorovodíku. Baňku uzavřete zátkou s trubicí.
• Zahřívejte opatrně baňku nad plamenem kahanu, až se vnitřní prostor baňky naplní
vyvařeným plynem.
• Ponořte trubici do kádinky s vodným extraktem barviv.
1
Velmi zdařilou interpretaci obrázku najdete v článku, který se skrývá pod následujícím odkazem:
https://doi.org/10.1021/ed076p378
20
Experimenty s antokyany
Růžové, červené, fialové a modré květy často obsahují ve vodě rozpustná barviva antokyany.
Antokyany najdete v rostlinném světě skoro na každém kroku. Kromě mnoha květů zbarvují
také plody – třeba jahody, borůvky a ostružiny – nebo červené podzimní listy. Zajímavé je, že
v kyselém prostředí mají tyto látky jinou barvu než v zásaditém. V kyselém prostředí (tedy
při pH nižším než 7) jsou obvykle růžové až červené. V zásaditém prostředí (při pH vyšším
než 7) jsou pak modré, modrozelené až zelené.
V přírodě existují desítky různých antokyanů, které se poněkud liší svou barvou a reakcí
na pH. Všechny ale mají podobnou chemickou strukturu, tvoří tedy jednu skupinu látek.
Některé rostliny obsahují místo antokyanů jiné typy barviv – karotenoidy nebo betakyany.
V takovém případě se barva se při různém pH nezmění.
V klasickém provedení se antokyany extrahují do vody (například je možné materiál spařit
horkou vodou) a následně se u extraktu například demonstruje změna jeho barvy v závislosti
na pH. Tento experiment vyžaduje poměrně velké množství rostlinného materiálu. Vy si vyzkoušíte
odlišný přístup – antokyany budou vymačkány do savého filtračního papíru a následně
bude zkoušena jejich reakce na pH.
Chemikálie a materiál:
Kyselina citronová, jedlá soda (NaHCO3), filtrační papír nebo jiný tuhý savý papír, folie nebo
euroobaly, kádinky (400–600 ml) nebo sklenice či kelímky o podobném objemu, savé papíry
(papírové ručníky, kapesníky. . . ).
Rostlinný materiál bohatý na antokyany:
• Červené zelí, černá mrkev, ředkvička, borůvky, jahody, maliny, ostružiny, granátové
jablko, červené bobule hroznového vína, ovocný čaj s ibiškem. . .
• Korunní lístky růžových, červených, fialových či modrých květů. Vhodné jsou třeba
modrofialová violka, růžová pivoňka a červené pelargónie.
• Červené a červeno-žluté podzimní listí rostlin.
Postup:
• Ve velkých kádinkách si připravte vodné roztoky jedlé sody (15 g NaHCO3 na 500 ml
vody) a kyseliny citronové (12 g na 500 ml vody).
• Z (filtračního) papíru vystřihněte proužky o rozměrech přibližně 7 × 10 cm, případně
velikost přizpůsobte velikosti rostlinného materiálu.
• Kousek rostliny vložte mezi dva proužky papíru a vše vložte mezi dvě plastové folie
(euroobaly). Následně rostlinu rozmačkejte vhodným předmětem (hříbkem na zašívání
ponožek, pevnou skleněnou lahví, lžící, v laboratoři se osvědčila skleněná baňka s kulatým
dnem). Pokud je folie průhledná, můžete sledovat, jak barevný roztok vsakuje do
papíru).
• Když vidíte, že se barvivo z květů vsálo do papíru, vyndejte papírové proužky z desek
a odstraňte z nich rozmačkané zbytky rostliny.
• Jeden ze dvojice papírků ponořte na 2–3 sekundy do roztoku kyseliny citronové, druhý
do roztoku jedlé sody. Nemáčejte papírek příliš dlouho, aby se z něj barvivo nevymylo
do roztoku. Papírky následně lehce osušte mezi dvěma papírovými kapesníky nebo
ubrousky.
21
• Proužky papírku položte na vhodnou podložku a pozorujte barevnou změnu. V některých
případech trvá několik minut, než se vodný roztok dostane k barvivu zachyceném
v papíru.
Komentář:
Některé listy rostlin barví intenzivněji jen proužek papíru přiléhající ke spodní straně listu.
Proto je potřeba proceduru opakovat, abyste pro experiment dostali dva papírky s podobným
množstvím barviva.
V některých květech jsou kromě antokyanů také jiné barevné sloučeniny. Ty můžou ovlivnit
výslednou barvu po namočení do roztoku.
Papírky můžete po skončení pokusu usušit a schovat si je. Barvy ovšem nejsou úplně stálé.
Zvlášť u papírků ponořených do roztoku jedlé sody probíhají na vzduchu ještě další chemické
reakce a původní modrá nebo zelená barva postupně přecházejí do žluté až hnědé.
Domácí alternativou filtračního papíru mohou být pa papírové filtry do překapávače kávy
a čaje. Pokud je nemáte, zkuste použít jiný savý papír, který je dostatečně pevný.
Doplňující otázky:
1. Pořiďte fotodokumentaci výsledků svých experimentů a fotografie v podobě jednoho
dokumentu odevzdejte.
2. Co způsobuje dobrou rozpustnost antokyanů ve vodě?
3. Vyhledejte, jaké antokyany jsou obsaženy v rostlinách, se kterými jste experimentovali
a uveďte jejich strukturní vzorce.
4. Listy některých rostlin na podzim červenají, protože se v nich nově syntetizují antokyany.
Pokuste se odhadnout, jakou funkci tato barviva v listech plní.
Obr. 5: Vodný extrakt antokyanů vzniklý spařením červeného zelí a jeho reakce na pH. Vlevo
je okyselený extrakt, uprostřed neutrální extrakt a vpravo extrakt s přidanou zásadou.
22
A B
C D
Obr. 6: Reakce antokyanů obsažených v červeném zelí (A), ředkvičce (B), červeném listu
rostliny (C) a modré bobuli stejné rostliny (D) na pH. Papírek vlevo má kyselou reakci,
uprostřed je neutrální pH, vpravo bazické pH.
Obr. 7: Květ, který neobsahuje antokyany a jeho barva se s pH nemění. Papírek vlevo má
kyselou reakci, vpravo má papírek bazické pH.
23
Obr. 8: Reakce antokyanů obsažených v různých květech na pH. Papírek vlevo má kyselou
reakci, vpravo má papírek bazické pH.
Výroba barevné limonády
Experiment popisuje výrobu šumivého nápoje barveného přírodními rostlinnými barvivy,
která jsou extrahována například z červeného zelí nebo borůvek. Smícháním zásaditého roztoku
hydrogenuhličitanu sodného s kyselým roztokem kyseliny citrónové dochází k neutralizaci
a k uvolňování oxidu uhličitého, který zajišťuje charakteristické šumění. Červené zelí a borůvky
obsahují mnoho anthokyanů, které jsou charakteristické závislostí barvy na pH.
Pomůcky:
Kádinky, skleněné tyčinky, nůž, odměrný válec, laboratorní váhy.
Chemikálie a suroviny:
Jedlá soda, kyselina citronová, destilovaná voda, červené zelí, borůvky (borůvkový kompot).
Provedení:
Nakrájejte listy červeného zelí na malé kousky a zalijte je horkou vodou. Po cca 20 minutách
extrakt dekantujte. První kádinku naplňte asi 10 ml extraktu a doplňte do jedné třetiny
vodou. Dále k extraktu přidejte malé množství jedlé sody; asi tolik, aby roztok získal po jejím
rozpuštění světle modrou barvu. Druhou kádinku do poloviny naplňte vodou a rozpusťte v ní
asi 0,5 g kyseliny citronové. Následně roztoky z obou kádinek smíchejte, čímž vznikne růžový
šumivý nápoj (výsledná barva závisí na pH roztoku po neutralizaci, pokud byste použili větší
množství zásady bude modrá). V případě borůvek bude postup velmi podobný. Zajímavého
24
efektu lze dosáhnout, když roztoky nejsou dokonale smíseny v celém objemu a jsou patrné
barevné přechody.
Obr. 6: Extrakt z červeného zelí ve vodě voda + jedlá soda (nahoře); efekt přidání vodného
roztoku kyseliny citronové (dole).
Komentář:
Takto (mimo laboratoř) připravená limonáda je zdravotně nezávadná a je možno ji ochutnat.
Pro lepší chuť je možné do roztoků přidat malé množství cukru. Extraktem z antokyanů
lze barvit i jiné potraviny, zajímavého efektu například dosáhneme obarvením jogurtu nebo
kysané smetany.
Pro zajímavost byly změřeny i absorpční spektra některých roztoků.
Obr. 9: Závislost absorpčního spektra extraktu ze zelí na pH.
Tajný inkoust z červeného zelí – indikátor Al3+
Antokyany obsažené v rostlinném extraktu mohou být odbarveny působením vodného roztoku
hydrogensiřičitanu sodného. Podstatou děje je adice hydrogensiřičitanového anionu na
25
antokyan ve formě flavyliové soli. Při adici dochází k zániku části konjugovaného systému
v molekule, což vede k posunu absorpčního maxima do UV oblasti.
OHO
OR1
OR2
OH
OH OHO
OR1
OR2
OH
OH
flavyliová forma
antokyanu
R1 = H nebo cukr vázaný glykosidovou vazbou
R2 = H nebo cukr vázaný glykosidovou vazbou
SO3Na
− HSO3
+ HSO3
Působením kyseliny na tento adukt může dojít ke zpětné eliminaci hydrogensiřičitanového
anionu a obnovení barevné formy antokyanu. Těchto reakcí můžeme využít jako podstaty
tajného inkoustu. Tajný vzkaz může být napsán roztokem odbarveného antokyanu. Nápis je
následně vyvolán 10% vodným roztokem kyseliny citronové.
Jinou metodou vizualizace skrytého nápisu je reakce a hlinitými kationty. Při této reakci
dochází rovněž k eliminaci hydrogensiřičitanu, dochází však také ke vzniku chelátu Al3+ interakcí
kationu s dvěma -OH skupinami v ortho-pozici na benzenovém jádře. Tento komplex
má modro-fialovou barvu.
OHO
OR1
OR2
O
O
Al
2
My uvedené reakce využijeme rovněž k výrobě papírku indikujícího přítomnost hlinitých
kationtů, například v kosmetice. Řada lidí nechce používat kosmetiku obsahující soli hliníku.
Takto připravený indikátorový papírek je může ujistit, že kosmetika hlinité soli skutečně
neobsahuje.
V rámci úlohy bude provedena extrakce antokyanů z červeného zelí. Experiment vyžaduje
poměrně hodně koncentrovaný roztok antokyanů.
Chemikálie:
Červené zelí, disiřičitan sodný, kyselina citronová, dodekahydrát síranu draselno-hlinitého (ka-
menec).
Postup:
• Připravte roztok kyseliny citronové rozpuštěním 10 g kyseliny citronové ve 100 cm3
demineralizované vody.
• Připravte vodný roztok hydrogensiřičitanu sodného rozpuštěním 1 g disiřičitanu sodného
v 10 cm3 demineralizované vody.
• Připravte roztok hlinité soli rozpuštěním 10 g dodekahydrátu síranu draselno-hlinitého
ve 100 cm3 demineralizované vody.
26
• Listy červeného zelí nařežte/natrhejte na menší kousky a spařte je horkou vodou ve
vhodné nádobě. Nechte extrahovat minimálně 1 hodinu. Následně intenzivně modro-fialově
zbarvený extrakt dekantujte/odfiltrujte.
• K extrakci lze rovněž použít vodný roztok saponátu na mytí nádobí. Extrakce ale vyžaduje
4 hodiny.
• Odměřte do kádinky 10 cm3 extraktu antokyanu. Po kapkách k extraktu přidávejte
roztok hydrogensiřičitanu sodného, až dojde k odbarvení roztoku, případně roztok získá
slámovou barvu.
• Pomocí smotku vaty nebo štětce naneste na filtrační papír odbarvený roztok a papír
vysušte.
• Nápis je možné vyvolat potřením papíru 10% vodným roztokem kyseliny citronové.
• Nápis lze vyvolat rovněž potřením papíru vodným roztokem hlinité soli. Plného vyvinutí
nápisu je dosaženo za několik minut.
• Odbarveným roztokem můžete impregnovat větší kus filtračního papíru (je vhodné jej
impregnovat vícekrát), filtrační papír pak rozstříhat a použít jako indikátorové papírky
na hlinité kationty. Na připravený indikátorový papírek kápněte čistou vodu (kontrolní
vzorek), vodný roztok hlinité soli a kousek deodorantu nebo vzorek jiné kosmetiky.
Barevná změna nastane do několika minut.
a) b) c)
Obr. 10: (a) Vodný extrakt z červeného zelí (levá kádinka) odbarvený roztokem disiřičitanu
sodného (pravá kádinka); (b) suchý nápis odbarveným extraktem na filtračním papíře; (c)
vizualizace nápisů 10% roztokem kyseliny citronové (vlevo) a 10% roztokem síranu draselno-
-hlinitého.
a) b)
Obr. 11: (a) Vodný extrakt z červeného zelí odbarvený roztokem disiřičitanu sodného a
filtrační papír impregnovaný tímto roztokem; (b) indikátorové papírky s naneseným vzorkem
vody, vodného roztoku hlinité soli a deodorantu obsahujícího Al3+.
27
Poznámka
Experiment lze dobře provádět s filtračním papírem. Běžný psací papír nebo papír do tiskáren
nemá dostatečnou savost, obsahuje také aditiva, které s experimentem interferují.
Disiřičitan sodný (nebo draselný) je relativně levná chemikálie, která se používá k síření a
dezinfekci. Látku lze koupit např. ve specializovaných drogeriích nebo obchodech s potřebami
pro vinaře.
Doplňující otázky:
1. V úloze připravujeme roztok z pevného disiřičitanu sodného, v roztoku ale s antokyany
reaguje hydrogensiřičitan sodný. Vysvětlete tuto zdánlivou nesrovnalost.
Výroba papírků pro indikaci Al3+
z cibulových slupek
Slupky z cibule nejsou dobré jen k barvení vajíček. Můžete se s jejich pomocí také přesvědčit,
zda je přítomen hliník (nebo zda se už odstěhoval do Humpolce). Stačí si připravit odvar
z cibulových slupek a ponořit do něj kus filtračního papíru. Cibulové slupky obsahují látku
kvercetin ze skupiny takzvaných flavonoidů. Kvercetin tvoří komplexní sloučeninu s hlinitými
ionty, která silně fluoreskuje. Prostě svítí, když na ni posvítíte ultrafialovým zářením nebo
fialovým světlem.
kvercetin
OHO
OH O
OH
OH
OH Al3+ OHO
OH O
O
O
O
Al
2
Al
komplex kvercetinu
s hlinitými kationty
Zdrojem hlinitých kationtů nemusí být pouze hlinité soli, ale i kosmetika, do které se
hlinité soli přidávají, protože omezují pocení.
Chemikálie:
Slupky cibule, ve vodě rozpustné hlinité soli, deodoranty (např. Nivea Men Cool Kick), tyčinka
na zastavení krvácení při holení (tvořená síranem hlinitým).
Postup:
• Horkou vodou spařte v kádince cibulové slupky a koncentrovaný extrakt po 30 minutách
odfiltrujte nebo dekantujte.
• Ponořte do odvaru filtrační papír. Zhruba po 5 minutách papír vyndejte a nechte
uschnout. Opakujte postup celkem třikrát.
• Papír vysušte. Impregnovaný papír můžete rozstříhat na menší kousky a připravit si tak
jakési indikátorové papírky.
• Na připravený indikátorový papírek kápněte čistou vodu (kontrolní vzorek), vodný roztok
hlinité soli a kousek deodorantu nebo vzorek jiné kosmetiky. Někdy je potřeba papírek
s deodorantem slabě navlhčit, aby proběhla reakce.
28
• Pozorujte indikátorové papírky pod UV lampou při 366 nm.
Obr. 12: Vodný extrakt ze slupek cibule a kus filtračního papíru impregnovaný tímto extrak-
tem.
a) b) c)
Obr. 13: (a) Indikační papírky impregnované vodným extraktem ze slupek cibule pod UV
lampou (λ = 366 nm); (b) indikátorové papírky s naneseným vzorkem vody, vodného roztoku
hlinité soli a deodorantu obsahujícího Al3+ ve viditelném světle; (c) papírky se stejnými vzorky
pod UV lampou (λ = 366 nm).
Adsorpce barviv z červeného vína
Červené víno obsahuje relativně velké množství barviv (zejména tzv. antokyany). Barviva
obsažená v červeném víně jsou relativně velké molekuly, které se mohou adsorbovat na látky
s velkým povrchem.
Aktivní uhlí je modifikace uhlíku, která má velký povrch. Proto je aktivní uhlí schopno
na svůj povrch „vázat“ (tzv. adsorbovat) některé látky – v našem případě třeba barviva
z červeného vína.
Chemikálie a materiál:
Aktivní uhlí a červené víno.
Postup:
• Do kádinky o objemu 400 ml nalijte 100 ml červeného vína nevalné kvality a přidejte
varné kamínky.
• Kádinku s vínem zahřejte. Za horka (ale ne za varu) přidejte asi 2 lžičky aktivního uhlí.
• Následně zahřejte k varu a vařte ještě asi 5 minut a pak nechte ochladit (nejlépe v misce
se studenou vodou).
29
• Víno dekantujte, abyste jej oddělili od většiny aktivního uhlí.
• Sestavte si filtrační aparaturu a víno se zbytky aktivního uhlí přefiltrujte přes hladký
nebo skládaný filtr. Pozorujte barvu filtrátu.
• Filtrát vylijte do odpadu a v žádném případě jej nekonzumujte.
Komentář:
Aktivní uhlí je podstatnou složkou léků, které se používají při zažívacích problémech („živočišné
uhlí“). Proto by se tyto léky nabízely jako alternativní zdroj aktivního uhlí. Ukazuje se však,
že léky jsou poměrně drahé a obsažené částečky uhlíku jsou velmi malé a mají tendenci procházet
přes filtrační papír.
Doplňující otázky:
1. Antokyany jsou barviva, která jsou obsažena i v jiných potravinách. Jmenujte alespoň
tři další příklady.
30
Stanovení obsahu kyseliny mléčné v mléce a mléčných výrobcích
Jak již bylo zmíněno v úvodu, mléko obsahuje přirozeně kyselinu mléčnou (CH3CH(OH)COOH).
Její obsah by se v čerstvém nezkaženém mléce měl pohybovat do 0,2 % hm. V kysaných mléčných
výrobcích se její obsah pohybuje od 0,5 % do 1,0 % hm.
Kontrolu obsahu kyseliny mléčné v mléce a kysaných mléčných výrobcích budeme provádět
pomocí acidobazické titrace. Kyselina mléčná (jako ostatně každá kyselina) může reagovat se
zásadami a podléhat tak neutralizaci za vzniku soli kyseliny mléčné (tzv. laktát) a vody:
CH3CH(OH)COOH + NaOH −→ CH3CH(OH)COO− Na+ + H2O
Ke stanovení bude použit 0,1M-NaOH, k indikaci bodu ekvivalence lze použít fenolftalein.
Odměrný roztok NaOH lze standardizovat pomocí roztoku dihydrátu kyseliny šťavelové
o známé koncentraci. Kyselina šťavelová reaguje s hydroxidem sodným podle rovnice:
(COOH)2 + 2 NaOH −→ (COONa)2 + 2 H2O
K indikaci bodu ekvivalence lze použít indikátor methyloranž. Těsně před dosažením bodu
ekvivalence je do roztoku přidán 20% roztok chloridu vápenatého a následně je roztok kyseliny
dotitrován.
Chemikálie a materiál:
NaOH, 1% roztok fenolftaleinu v ethanolu, dihydrát kyseliny šťavelové (p.a.), 20% vodný
roztok CaCl2, 0,1% roztok methyloranže v ethanolu, mléko a kysané mléčné výrobky.
Příprava odměrného roztoku 0,1M-NaOH:
• Na předvážkách do kádinky navažte vypočítané množství NaOH.
• Pevný NaOH se rozpusťte v destilované vodě a roztok poté převeďte do odměrné baňky
o příslušném objemu. Roztok v odměrné baňce doplňte po rysku destilovanou vodou.
Roztok důkladně promíchejte.
M(NaOH) = 40,00 g mol−1
Standardizace odměrného roztoku 0,1M-NaOH:
• Na analytických vahách navažte přesně přibližně 1,26 g dihydrátu kyseliny šťavelové
o čistotě p.a. a naváženou látku kvantitativně převeďte do odměrné baňky o objemu 100
ml.
• Kyselinu rozpusťte v menším objemu destilované vody a následně vzniklý roztok doplňte
vodou po rysku. Roztok důkladně promíchejte.
• Do titrační baňky napipetujte 10,00 ml připraveného roztoku kyseliny šťavelové, přidejte
50 ml destilované vody a tři kapky roztoku methyloranže.
• Následně roztok titrujte 0,1M-NaOH. Roztok hydroxidu přidávejte až do okamžiku,
kdy se barva změní z červené na oranžově-žlutou. V tomto okamžiku přidejte 10 ml 20%
roztoku CaCl2, což vyvolá opětovné zčervenání směsi. Kyselinu v roztoku dotitrujte
roztokem NaOH do vzniku oranžově-žlutého zbarvení.
• Standardizaci opakujte nejméně 2×. Z průměrné spotřeby vypočítejte přesnou koncentraci
odměrného roztoku NaOH.
M(C2O4H2 · 2H2O) = 126,07 g mol−1
31
Stanovení koncentrace kyseliny mléčné v mléce a kysaných mléčných výrobcích:
• Do titrační baňky si odpipetujte 20,00 ml vybraného mléka a zřeďte jej cca 80 ml destilované
vody. Následně do titrační baňky přidejte 3–5 kapek 1% ethanolického roztoku
fenolftaleinu. Titraci proveďte nejméně 3×.
• Pro stanovení obsahu kyseliny mléčné v kysaném mléčném výrobku si odvažte na předvážkách
přibližně 5 g kysaného výrobku přímo do titrační baňky. Obsah titrační baňky
zřeďte cca 100 ml vody a dále postupujte jako u stanovení kyseliny mléčné v mléce.
U kysaného mléčného výrobku postačí, když provedete jednu titraci.
• Všechny odpady můžete likvidovat do výlevky.
M(CH3CH(OH)COOH) = 90,08 g mol−1
Doplňující otázky:
1. Zapište chemickou rovnicí reakci kyseliny šťavelové s chloridem vápenatým. Pokuste se
následně vysvětlit, proč je CaCl2 do směsi před dosažením ekvivalence přidáván.
2. Vypočítejte, jaké bylo látkové množství kyseliny mléčné v titrační baňce v odpipetovaných
20 ml mléka.
3. Vypočítejte hmotnostní zlomek kyseliny mléčné v mléce. Hustota polotučného mléka
činí 1,030 g cm−3.
4. Vypočítejte hmotnostní zlomek kyseliny mléčné v kysaném mléčném výrobku.
5. Proč kysané mléčné výrobky vážíme a nepoužíváme k jejich odměření pipetu?
Plamenové zkoušky
Plamenové zkoušky slouží k důkazu přítomnosti některých kovů. Prakticky se nejčastěji provádějí
tak, že se roztok látky vnese na platinovém drátku do plamene, kde vysokou teplotou
dojde k atomizaci a emisi atomů kovu. Barva (vlnová délka) emitovaného světla je charakteristická
pro daný kov. Typicky se plamenovými zkouškami prokazují alkalické kovy a kovy
alkalických zemin. Plamen však barví i řada dalších kovů.
Tradiční provedení s očkem platinového drátu je nepraktické a nehodí se příliš pro demonstrační
provedení ve třídě. Existuje praktičtější způsob vnesení velkého množství roztoku látky
do plamene, jehož podstatou je rozptýlení relativně velkého objemu roztoku do plamene pomocí
běžného rozprašovače kapalin. Pro demonstraci plamenových zkoušek alkalických kovů
a kovů alkalických zemin lze využít roztoku solí v methanolu, který sám hoří málo svítivým
plamenem.
Plamenové zkoušky s rozprašovačem
Chemikálie a materiál:
Chloridy kovů alkalických zemin a alkalických kovů, methanol.
Pomůcky:
Rozprašovač kapalin, kahan.
32
Postup:
• Připravte nasycené roztoky zvolených solí v methanolu.
• Připravenými roztoky naplňte zásobní nádobky rozprašovačů. Při demonstraci rozprašujte
roztok do plamene. Pozor, dbejte na to, aby se většina roztoku dostala do
plamene a methanol shořel! Pokud se do plamene netrefíte, může dojít ke
kumulaci methanolu na pracovní desce a jeho následnému vznícení.
Komentář:
Běžně lze zakoupit rozprašovače různých druhů. Jako nejodolnější se ukazují rozprašovače
z úklidových dezinfekčních prostředků na bázi chlorananu sodného (Savo).
Plamenové zkoušky s hořícím alkoholem
Chemikálie a materiál:
Lithná, sodná, vápenatá, draselná, strontnatá, cesná, rubidná sůl, methanol, ethanol, vata.
Pomůcky:
Kádinka, porcelánová miska, chemická lžička, skleněná tyčinka, odměrný válec, zápalky.
Postup:
• V kádince částečně rozpusťte jednu malou lžičku NaCl v malém množství (cca 1 cm3)
vody (popřípadě přímo v používaném alkoholu, v tomto případě ovšem rozpouštění trvá
déle).
• K roztoku přilijte 5 ml CH3OH (alternativně CH3CH2OH).
• Do porcelánové misky dejte malý smotek vaty.
• Roztok v kádince promíchejte a rychle ho přelijte na vatu v porcelánové misce.
• Pomocí zápalky roztok zapalte a pozorujte.
• Stejný postup opakujte pro ostatní soli.
Komentář:
Je vhodné si připravit větší počet misek vedle sebe, následně vaty nasáklé methanolovými
roztoky daných solí zapálit ve stejném okamžiku.
Doplňující otázky:
1. Z praktického života známe ještě jedno provedení plamenových zkoušek, které je dokonce
starší než sama chemie. Víte, při jaké aktivitě jsme rovněž svědky plamenových zkoušek?
33
Hopsací kulička z vodního skla
Vodný roztok křemičitanu sodného (vodní sklo) reaguje s ethanolem za vzniku zesíťovaného
polymeru, který má vlastnosti gumy. Při reakci dochází k náhradě atomů kyslíku ethoxy
skupinami alkoholu a zesíťování řetězců.
O
Si
O
ONa Na
CH3CH2OH
− NaOH
Si
O
O
O
CH2CH3
CH2CH3
n
Pomůcky:
Odměrné válce (100 ml a 10 ml), kádinka (150 ml) nebo plastový kelímek, skleněná tyčinka,
latexové rukavice, papírové ručníky.
Chemikálie:
Vodný roztok křemičitanu sodného (40 %) – vodní sklo, ethanol.
Postup:
1. Do kádinky odměřte 20 ml roztoku vodního skla, přidejte k němu 5 ml ethanolu za
intenzívního míchání. Pokud směs úplně neztuhne, přidejte dalších 5 ml ethanolu.
2. Až směs ztuhne, hmotu z kádinky vyjměte (chraňte si ruce rukavicemi) a vymodelujte ji
do podoby kuličky. V případě potřeby je možné kuličku navlhčit několika kapkami vody
ze střičky. Hmotu příliš nemačkejte, aby nedošlo k jejímu rozdrobení. Nakonec použijte
papírové ručníky nebo ubrousky k vysušení kuličky.
3. Pusťte kuličku na podlahu a pozorujte, jak se odráží.
Obr. 14: Hopsací kulička z vodního skla obarvená potravinářským barvivem.
Poznámka:
Vodní sklo je silně alkalické, podobně vzniklá kulička obsahuje alkalicky reagující roztok. Proto
není vhodné se kuličky dotýkat nechráněnou rukou. Hopsací kuličku lze zabalit například do
prstu ustřiženého z jednorázové latexové rukavice.
Kuličku je vhodné uchovávat v mikrotenovém sáčku. Pokud ji necháme vyschnout, ztratí
svou pružnost a může se rozdrobit.
34
Vodní sklo lze před přidáním ethanolu obarvit potravinářským barvivem. Vzniklá kulička
pak bude také barevná.
Vodní sklo a hmota po vysrážení zanechává na laboratorním skle a pracovní desce obtížně
odstranitelné skvrny a cákance. Proto je vhodné experiment provádět v plastovém kelímku,
který lze následně vyhodit, a chránit pracovní plochu krycí folií.
35
Důkaz přítomnosti rostlinných proteas
Proteasy jsou enzymy, které štěpí bílkoviny. Těmito enzymy disponují jak živočichové, tak
rostliny. Živočichové je využívají jen pro trávení bílkovin a získávání potřebných aminokyselin.
Masožravé rostliny je využívají pro zisk cenného dusíku, kterého je v písčitých půdách
nebo kyselých bažinách nedostatek, ale také jako obranu proti hmyzu. Proteasy se nacházejí
například v plodech kiwi, plodech a stonku ananasu, v oddencích zázvoru, listech brambor,
papáji (zvláště jejím latexu) a latexu fíků. Tyto proteasy slouží pravděpodobně jako obrana
proti býložravému hmyzu. Naopak chybějí v jablkách, citronech nebo pomerančích. Mezi nejčastěji
prakticky používané rostlinné proteasy patří bromelain, papain a fikain.
Chemikálie a materiál:
Ovoce a zelenina obsahující proteasy, potravina bohatá na proteiny (želatinové bonbony, šunka
s vysokým obsahem masa, vařené vejce).
Postup:
• Odšťavněte vybrané ovoce. Kiwi a citrusové plody můžete vymačkat pomocí lisu na
citrusové plody a vzniklou šťávu přefiltrovat (propasírovat) přes kuchyňské sítko. Jemně
nastrouhaný zázvor vymačkejte.
• Vzorky potravin bohatých na proteiny ponořte do ovocné šťávy ve zkumavce nebo
vhodné lahvičce. Jeden vzorek ponořte také do čisté vody pro kontrolu.
• Vzorky po 20, 40 a 60 minutách vyjměte a pozorujte nastalé změny.
Komentář:
V závislosti na koncentraci enzymu ve šťávě může být efekt na želatinové bonbony patrný už
během několika desítek minut. Hydrolýza želatinových bonbonů (medvídků) se projeví jejich
zmenšením a ztrátou tvaru, jak ukazuje obrázek 1. V čisté vodě želatinový bonbon pouze
bobtná. Úplné rozpuštění medvídka si může vyžádat až 12 hodin. Efekt proteas na šunku
není tak dobře patrný jako v případě želatinových bonbonů. Změny v textuře se projeví po
zásahu tyčinkou do vzorku. Vzorky, v nichž účinkovaly proteasy, neměly po rozmíchání stálý
identifikovatelný tvar – v podstatě vznikala trávenina, kaše.
Rychlost enzymatické reakce závisí na teplotě. To lze demonstrovat provedením experimentu
v lednici, kdy medvídci budou ubývat pomaleji než za pokojové teploty. Není vhodné
pokus provádět při teplotě vyšší, než je pokojová teplota, protože dochází k rychlému rozpouštění
samotné želatiny v čisté vodě.
Obr. 15: Hydrolýza želatinového bonbonu působením různých ovocných šťáv po dobu 160
minut – a) voda (kontrola); b) citronová šťáva; c) šťáva z kiwi a d) šťáva ze zázvoru.
36
Doplňující otázky:
1. Může obsahovat ananasový džus aktivní proteasu (bromelain)? Pokuste se svou odpověď
krátce zdůvodnit.
2. Co je zdrojem bílkovin obsažených v želatině?
3. Želatina je zvláště bohatá na některé aminokyseliny. O které aminokyseliny se jedná?
Kapalina nebo pevná látka? (nenewtonovská kapalina)
Vedle newtonovských kapalin (látky, které se deformují působením tlaku průběžně, nezávisle
na jeho velikosti) existují i kapaliny reologicky složitější, které se Newtonovým zákonem neřídí.
Označují se proto jako nenewtonovské kapaliny a jsou to např. roztoky a taveniny polymerů,
suspenze, různé pasty apod. Platí pro ně analogicky s Newtonovým zákonem rovnice
τ = η
dv
dy
kde τ je tečné napětí, η je ovšem součinitel viskozity, který není látkovou konstantou,
ale závisí na rychlosti deformace nebo tečném napětí, a dv/dy je gradient (růst) rychlosti ve
směru kolmém na rychlost.
K charakterizaci toku nenewtonovských kapalin je proto nutno znát průběh závislosti η
na gradientu rychlosti v širším intervalu.
Rozdělení nenewtonovských kapalin:
• Zobecněné nenewtonovské tekutiny:
– Binghamské tekutiny – tečou až od určitého napětí (suspenze křídy či vápna).
– Pseudoplastické tekutiny – viskozita klesá s rychlostí deformace (kečup).
– Dilatantní tekutiny – viskozita roste s rychlostí deformace.
• Viskoelastické tekutiny – tečou, ale zároveň si do určité míry „pamatují“ tvar a po
odstranění napětí se částečně vrátí do původního tvaru:
• S časovou závislostí – vlastnosti tekutiny jsou závislé na době působení napětí.
– Tixotropní tekutiny – s dobou působení napětí viskozita klesá (nátěrové hmoty,
laky).
– Reopexní tekutiny – s dobou působení napětí viskozita roste.
Pomůcky:
Plastová miska.
Chemikálie:
Škrob (250 g), voda.
37
Postup:
• Do misky nasypejte škrob a za míchání rukou přidávejte po malých částech vodu tak
dlouho, až vznikne hustá kapalina. Pokud jste přidali příliš mnoho vody, přidejte menší
množství škrobu.
• Ponořte do kapaliny prst a prstem vodorovně pohybujte, nejdříve pomalu, pak rychle.
Co pozorujete?
• Naberte část kapaliny do rukou a zmačkejte ji do podoby kuličky. Pak nechte kuličku
stát na dlani. Co se s kuličkou stalo?
• Zkuste do kapaliny v misce udeřit sevřenou pěstí a pak zkuste pěstí do kapaliny jen
lehce zatlačit. Co pozorujete?
Komentář:
Kapalinu je možné obarvit potravinářským barvivem. Také je možné přidat tonic s chininen,
díky čemuž bude kapalina fluoreskovat v měkkém UV světle.
Zvláště děti si z experimentování se suspenzí škrobu ve vodě mohou odnést bílé škrobové
skvrny na oblečení. Tyto skvrny však mizí s prvním vypráním oblečení.
Doplňující otázky:
1. Pokuste se vystihnout, jaká vlastnost kapaliny vysvětlí pozorované chování. V čem se
vámi připravená kapalina liší od jiných kapalin, jako je například voda?
2. Na základě uvedeného dělení nenewtonovských kapalin určete, do které skupiny patří
suspenze škrobu ve vodě.
Tajné písmo na bázi jedlé sody a kurkuminu
Kurkuma je koření, které obsahuje barvivo kurkumin. Ten má za normálních podmínek žluto-oranžovou
barvu. V zásaditém prostředí kurkumin mění barvu do hnědo-červené. Proto místa,
kde byl nanesen roztok jedlé sody mají jinou barvu než okolí. Kurkuma se používá jako koření
buď samostatně, nebo jako součást koření kari.
O OH
HO
O
H3C
OH
O
CH3
kurkumin
Pomůcky:
Papíry, kelímek a vatové tyčinky (případně vata namotaná na konec špejle).
Chemikálie a materiál:
Přibližně 5% roztok jedlé sody (NaHCO3) ve vodě, mletá kurkuma a ethanol.
38
Postup:
• Smíchejte velkou lžičku mleté kurkumy s 50–100 ml ethanolu a nechte za občasného
míchání extrahovat asi 30 minut. Výluh zfiltrujte nebo dekantujte.
• Do kelímků si připravte roztok jedlé sody.
• Namočte vatovou tyčinku v tajném inkoustu a napište na papír vzkaz.
• Počkejte až písmo na papíru zaschne a zmizí. Vyschnutí urychlíte například fénem.
• Pomocí vatové tyčinky natřete papír extraktem z kurkumy.
• Nechte papír zaschnout a počkejte jaký vzkaz odhalí.
Obr. 16: Nápis provedený roztokem jedlé sody na filtračním papíru (vlevo nahoře) a kreslícím
kartonu (vlevo dole) po vizualizaci pomocí extraktu z kurkumy (vpravo).
Komentář:
Kurkumin lze z mleté kurkumy extrahovat i jinými netoxickými těkavými alkoholy, které
jsou běžně k dostání, jako je například isopropylalkohol. V případě nouze lze použít i směs
ethanolu s vodou (destilát), nedojde však k vymytí tak velkého množství barviva a vizualizace
je následně méně efektní.
Doplňující otázky:
1. Existuje řada návodů na tajný inkoust. Uveďte alespoň dva další příklady a pokuste se
stručně vysvětlit, na jakém principu vizualizace funguje.
2. Kterou z následujících solí by bylo možné také vizualizovat pomocí kurkuminu? Svou
odpověď stručně zdůvodněte.
NaHSO4, NH4Cl, KNO3, Na2CO3, NaCl a Na2HPO4
3. Na obrázku je uvedena enol-forma kurkuminu. Pokuste se napsat vzorec jeho keto-formy.
4. Příčinou změny barvy kurkuminu je jeho deprotonace bazickým hydrogenuhličitanem.
Pokuste se identifikovat v molekule kurkuminu atom vodíku, který se působením báze
nejsnadněji odštěpí jako proton (je nejkyselejší).
39
Experimenty se superabsorbenty
Polyakrylát patří mezi tzv. superabsorbenty, což jsou zesíťované polymery, které jsou schopny
nasávat (sorbovat) velké množství kapaliny a bobtnat. Společným znakem těchto látek je přítomnost
mnoha nabitých skupin a volných iontů ve vnitřní struktuře. Polární molekuly vody
jsou proto vtahovány dovnitř polymeru, kde se váží silnými vazbami k přítomným iontům.
Současně s tím dochází ke vzdalování řetězců polymeru od sebe, což se makroskopicky projeví
bobtnáním zrnek. Některé superbasorbenty jsou schopny pojmout množství čisté vody,
které odpovídá 300 násobku hmotnosti polymeru. Sorpční schopnost superabsorbentů však
významně klesá s rostoucí koncentrací solí rozpuštěných ve vodě. Ionty v roztoku oslabují
přitažlivé síly mezi ionty (a polárními molekulami).
CH2 CH
C
OO
Na
n
polyakrylát sodný
Polyakrylát sodný podobně jako další superabsorbenty našel uplatnění například v dětských
plenách nebo hygienických vložkách pro ženy. Velkou nevýhodou suprasorbentů je, že
nejsou biologicky odbouratelné a lze je velice obtížně recyklovat.
Mizející voda
Pomůcky:
Několik (4–6 ks) plastových kelímků od jogurtu nebo kávy, lžička.
Chemikálie a materiál:
Polyakrylát sodný (instantní sníh).
Postup:
• Do jednoho kelímku před provedením pokusu nasypejte lžičku instantního sněhu.
• Následně do všech kelímků přidejte 20–30 ml vody a postupně na stole slévejte dohromady
za současného zaměňování pořadí kelímků, ale vždy tak, abyste jednou za cca 10
sekund do kelímku s polyakrylátem sodným nalili další vodu.
• Po nalití vody do kelímku s polyakrylátem s ním vždy lehce zamícháme, aby se obsah
promíchal a tuhnul. K překvapení publika po slití veškeré vody do kelímku s polyakrylátem
složíme kelímky na sebe a otočíme vzhůru nohama. Voda nevyteče.
Vliv soli na absorpční kapacitu superabsorbentu
Iontovou sílu lidské moči nebo krve lze modelovat přibližně 2% vodným roztokem NaCl.
Roztok můžeme také obarvit pomocí žlutého a oranžového potravinářského barviva (moč)
nebo červeného potravinářského barviva (krev).
Pomůcky:
Petriho miska, kapátka nebo pasteurovy pipety.
40
Chemikálie a materiál:
Polyakrylát sodný (instantní sníh), NaCl, potravinářská barviva (žluté, oranžové a červené),
destilovaná/demineralizovaná voda.
Postup:
• Do Petriho misky dejte dvě stejně velké hromádky polyakrylátu sodného (asi velikosti
slunečnicového semínka)
• Do jedné kádinky si nalijte destilovanou/demineralizovanou vodu (případně kohoutkovou
vodu), do druhé si připravte cca 2% vodný roztok NaCl. Roztok můžete obarvit
potravinářským barvivem.
• K jednomu ze vzorků sorbentu přidávejte postupně po kapkách pipetou čistou vodu, k
druhému pak připravený roztok soli. K oběma vzorkům přidávejte kapalinu po stejných
dávkách, dokud nezpozorujete, že polymer už další kapalinu nenasává. Poznamenejte si,
kolik kapek vody a roztoku soli vzorky přijaly.
Komentář:
Polyakrylát sodný lze zakoupit jako tzv. instantní sníh, který se používá k dekorativním účelům,
nebo jej lze izolovat z dětských plen. V plenkách Pampers jsou jeho granule v nejspodnější
vrstvě.
Polyakrylát sodný nasáklý čistou vodou můžeme nechat vyschnout na volné ploše a opětovně
použít.
Hasicí přístroj
V této úloze si sami zkonstruujete jednoduchý hasicí přístroj, jehož hnací silou bude reakce
kyseliny octové (octa) s jedlou sodou (hydrogenuhličitanem sodným).
Chemikálie:
Hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda), 50% kyselina octová nebo nasycený vodný roztok kyseliny
citronové, saponát na mytí nádobí.
Postup:
• Do odsávací baňky navažte 20 g jedlé sody (hydrogenuhličitanu sodného) a k soli přidejte
200 ml vody.
• Ke směsi přidejte dále několik kapek saponátu a obsah baňky zamíchejte, aby došlo
k rozpuštění látek ve vodě.
• Do zkumavky nalijte zředěný roztok kyseliny octové (nebo nasycený roztok kyseliny
citronové), hladina by měla být asi 1 cm pod okrajem zkumavky
• Zkumavku pomocí pinzety opatrně vložte do odsávací baňky a opřete ji o stěnu. Dávejte
pozor, aby se obsah zkumavky nevylil do roztoku v baňce.
• Odsávací baňku zazátkujte pryžovým špuntem.
• Uchopte baňku do obou rukou, jednou rukou ji držte za hrdlo se špuntem.
41
• Nasměrujte vývod z baňky do výlevky a baňku rychle otočte dnem vzhůru a protřepejte.
Doplňující otázka:
1. Při reakci kyseliny octové s jedlou sodou se prudce uvolňuje plyn, který následně vytlačuje
obsah baňky ven a způsobuje pěnění směsi. Víte, o jaký plyn se jedná?
42
Přeměna mědi ve stříbro a zlato
Pomůcky:
Lžička na chemikálie, kádinka 150 ml, tyčinka, kleště nebo pinzeta, kahan, zápalky, vodní
lázeň.
Chemikálie a materiál:
Měděná mince (10 Kč) nebo měděný plíšek, zinek práškový, vodný 20% roztok NaOH, kuchyňská
sůl, kyselina octová 20% až 8%, saponát nebo ethanol.
Postup:
• Ponořte měděnou minci do suspenze NaCl v kyselině octové a směs promíchejte. Následně
opláchněte minci vodou se saponátem nebo ethanolem a poté důkladně vodou.
• Mezitím si připravte do kádinky asi 50 ml 20% roztoku NaOH, do kterého nasypte 1–2
lžičky práškového zinku. Směs zahřejte na vodní lázni.
• Jakmile voda v lázni téměř vře, ponořte do kádinky se zinkem a roztokem NaOH očištěnou
minci a zahřívejte asi 2 minuty do doby, než je mince zřetelně potažena zinkem.
• Pozinkovanou minci vyjměte z kádinky a opláchněte ve studenou vodou. Můžete demonstrovat
„stříbrnou“ minci.
• Pozinkovanou minci lehce zahřejeme nad kahanem, dokud nedojde ke zbarvení dozlatova.
Komentář:
Zinek se rozpouští v hydroxidu sodném za vzniku komplexu Na2[Zn(OH)4], společně s tím se
uvolňuje vodík. Pokud je v roztoku přítomná měď, začne vylučovat na jejím povrchu vylučovat
zinek (dojde k tzv. pozinkování). Věrohodné teoretické vysvětlení tohoto děje se zatím
nepodařilo najít. Tím měď získá stříbrnou barvu. Při zahřívání v plameni zinek pronikne do
mědi a vytvoří s ní slitinu.
Zn + 2 NaOH + 2 H2O Na2[Zn(OH)4] + H2
Zn2+ + H2 + 2 OH− Zn + H2O
a) b) c) d)
Obr. 17: Původní desetikoruna (a), desetikoruna po vyčištění (b), desetikoruna pokrytá
vrstvou zinku (c) a desetikoruna pokrytá tenkou vrstvou slitiny mědí a zinku (d).
Doplňující otázky:
1. Jak se nazývá slitina zinku a mědi, která má zlatavou barvu?
43
Chemický semafor
Indigokarmín je modré barvivo, které lze připravit sulfonací indiga do druhého stupně. Díky
přítomnosti dvou sulfo skupin je toto barvivo, na rozdíl od indiga, poměrně dobře rozpustné
ve vodě. Indigokarmín našel využití jako potravinářské barvivo, v chemické laboratoři se pak
využívá jako acidobazický nebo redoxní indikátor.
V silně zásaditém prostředí dochází k deprotonaci indigokarmínu A za vzniku žlutě zbarvené
deprotonované formy B. Roztok indigokarmínu je modrý při pH menším než 11,4. Žlutá
deprotonovaná forma převládá při pH vyšším než 13. Dvouelektronová redukce indigokarmínu
probíhá ve dvou krocích. Přijetím jednoho elektronu vzniká červeně zbarvená forma C, jejíž
pravděpodobná struktura je na schématu. Přijetím dalšího elektronu vzniká žlutá redukovaná
forma barviva D.
N
N
O
O
H
H
S
S
O
O
O
O
O
O
Na
Na
redukce
oxidace
N
N
O
HO
H
H
S
S
O
O
O
O
O
O
Na
Na
redukce
oxidace
N
N
OH
HO
H
H
S
S
O
O
O
O
O
O
Na
Na
protonace
deprotonace
N
N
O
O
H
S
S
O
O
O
O
O
O
Na
Na
A BCD
V následujícím experimentu uvidíme všechny zmiňované formy indigokarmínu. V alkalickém
roztoku dochází k oxidaci glukosy rozpuštěným vzdušným kyslíkem na směs produktů,
mezi kterými jsou glukonová kyselina, glukuronová kyselina a další látky. Reakce je katalyzována
různými redoxními katalyzátory, v tomto případě indigokarmínem, který současně
funguje jako indikátor redoxního potenciálu reakční směsi. Předpokládá se, že podobné reakce
nastávají při analogickém experimentu s methylenovou modří, kdy barvivo funguje současně
jako katalyzátor reakce a jako redoxní indikátor.
O
H
HO
H
HO
H
H
OHH
OH
OH
OH
H
CH2OH
H OH
OHH
HO H
H OH
H O
CH2OH
H OH
OHH
HO H
O
H
O
H
CH2OH
H OH
OHH
HO H
O
ICox ICred
O2HO2
OH
OH HCOO
H2OHO2 CH2OH
H OH
OHH
HO H
O O
V bazickém roztoku glukosy, který není míchán, dojde rychle ke spotřebování rozpuštěného
kyslíku, čímž vznikne redukční prostředí, ve kterém indigokarmín přejde na svou žlutou
redukovanou formu. Protřepáním roztoku se vzduchem dojde ke zvýšení koncentrace kyslíku
v roztoku, což vede k oxidaci barviva na červenou a nakonec na modrou formu. Roztok však
po nasycení kyslíkem v tomto případě nezíská modrou barvu, protože pH směsi je nastaveno
na hodnotu, při které je modrý indigokarmín v rovnováze se svou žlutou deprotonovanou
formou. Kombinace modré a žluté barvy pak dává vzniknout zelenému zabarvení roztoku.
44
Pomůcky:
250 ml varná baňka se zábrusem a zátkou, lžičky na chemikálie.
Chemikálie a materiál:
Glukosa, NaOH, indigokarmín.
Postup:
• Připravte roztok 2 g NaOH s 2 g glukosy ve 100 ml vlažné vody (případně úměrně větší
množství) v baňce, kterou lze zazátkovat nebo jinak uzavřít.
• Roztok dobře promíchejte s velmi malým množstvím indigokarmínu tak, aby po smíchání
bylo zřetelné světle zelené zbarvení roztoku.
• Baňku zazátkujte. Protřepáním roztoku lze docílit změny barvy žlutého roztoku přes
červenooranžovou až do zelené, přičemž stáním roztok přechází zpět na žlutou barvu.
Komentář:
Při přípravě roztoku je potřeba dbát na pořadí přidávání složek. Při změně pořadí nemusí
pokus fungovat. Celý cyklus barevných přechodů při protřepání roztoku se vzduchem lze
několikrát opakovat.
Změnou pH reakční směsi (zvýšením nebo snížením koncentrace NaOH v roztoku) můžeme
výrazně ovlivnit podobu barevných přechodů, jak ukazuje následující schéma.
Indigokarmín se používá jako potravinářské barvivo a lze jej běžně zakoupit v obchodech
s potravinami. Pro tyto aplikace bývá zředěn síranem sodným, jehož přítomnost však
experimentu nevadí.
45
Doplňující otázka:
1. Indigo i indigokarmín jsou důležitá barviva. Uveďte příklad praktického použití indiga.
Modrá baňka
Pomůcky:
500 ml nebo 250 ml varná baňka se zábrusem a zátkou, 2× lahvička s kapátkem, 500 ml
odměrný válec.
Chemikálie a materiál:
NaOH, glukosa, roztok methylenové modři (0,2 g methylenové modři rozpustit ve 100 ml
destilované vody).
Postup:
• Do 250ml baňky nalijte 100 ml destilované vody a přidejte 2 g NaOH.
• Po jeho rozpuštění přidejte 2 g glukosy.
• Jakmile se roztok odbarví, přidejte 6–8 kapek roztoku methylenové modři. Baňku zazátkujte
a roztok nechte se odbarvit.
• Mírným protřepáním se roztok zabarví do červena. Dalším intenzivním protřepáváním
vznikne modře zbarvený roztok.
• Stáním se barva roztoku mění z modré na fialovou, pak červenou a nakonec se odbarví.
Dalším protřepáváním baňky se celý proces znovu opakuje.
Komentář:
Experiment je založen na různě zbarvených oxidovaných a redukovaných formách výše uvedených
organických barviv. Protřepáváním baňky se barviva dostávají do styku se vzduchem
a nastává proces oxidace (oxidovaná forma methylenové modři je modrá a resazurinu červená).
Stáním roztoku dochází k redukci barviv glukosou (redukovaná forma obou barviv je
bezbarvá). Barvivo také slouží jako katalyzátor oxidace glukosy vzdušným kyslíkem.
Experiment je analogický k experimentu s indigokarmínem (chemický semafor).
46
Dělení α-aminokyselin pomocí tenkovrstvé chromatografie
Biogenní α-aminokyseliny budeme dělit pomocí tenkovrstvé chromatografie (TLC) na silufolové
desce (silikagel jako stacionární fáze) s užitím směsi vodného amoniaku a isopropylalkoholu
jako mobilní fáze. Identifikace látky na TLC je založena na srovnání retenčních faktorů
složek vzorku a standardů.
Zkoumané aminokyseliny lze snadno vizualizovat jejich reakcí s ninhydrinem, která poskytuje
barevný produkt.
O
O
OH
OH
ninhydrin
+ H2N
R
COOH
H
− 2 H2O
O
O
N
R
H
COOH
− CO2
O
O
N CH2 R
O
O
N CH R
H2O
− RCHO
O
O
NH2
O
O
OH
OH
− 2 H2O
OH
O
N
O
O
Kyselina glutamová našla široké uplatnění jako ochucovadlo v různých druzích potravin.
Tenkovrstvou chromatografii použijeme k důkazu přítomnosti této látky v několika druzích
potravin.
Chemikálie:
Mobilní fáze – 3% vodný roztok NH3/isopropylalkohol 1:2 (V/V ), standardy aminokyselin,
1,5% roztok HCl, 2% roztok ninhydrinu v ethanolu.
Postup:
• Připravíme přibližně 1% roztoky standardů aminokyselin v 1,5% HCl. V 1,5% HCl také
rozpustíme vzorek polévky v sáčku, extrakt soli z chipsů nebo malé množství sójové
omáčky.
• Asi 0,5 cm od spodního okraje silufolové TLC desky narýsujeme měkkou tužkou startovní
čáru. Roztoky standardů i vzorků naneseme na startovní čáru pomocí skleněné
kapiláry. Destičku vložíme do komory s mobilní fází a necháme chromatogram vyvíjet.
• Po skončení vyvíjení chromatogram vyjmeme z komory, tužkou označíme vzdálenost do
které mobilní fáze vyvzlínala.
• Silufolovou desku položíme do upravené krabice umístěné v digestoři a postříkáme
2% roztokem ninhydrinu v ethanolu. Desku uchopíme pinzetou a opatrně zahřejeme
v proudu teplého vzduchu z horkovzdušné pistole. Označíme středy skvrn a vypočítáme
retenční faktory jednotlivých vzorků.
Komentář:
Pokud nemáme k dispozici silufolové destičky, lze tenkovrstvou chromatografii aminokyselin
provádět rovněž na filtračním papíře. Proužek filtračního papíru je možné nahoře přeložit, do
záhybu vložit špejli nebo skleněnou tučinku a zajistit kolíčkem na prádlo nebo kancelážským
klipem tak, aby spodní konec proužku zasahoval pod hladinu mobilní fáze v kádince (obrázek
47
11). Složení mobilní fáze je stejné jako v případě dělení na vrstvě silikagelu. Nevýhodou tohoto
experimentu je větší rozpíjení skvrn dělených látek.
a) b)
Obr. 18: Tenkovrstvá chromatografie aminokyselin na filtračním papíře. a) Uchycení proužku
papíru (kádinku je vhodné během dělení zakrýt například alobalem); b) vizualizace aminokyselin
pomocí ninhydrinu.
Doplňující otázky:
1. Pokuste se napsat strukturní vzorce použitých aminokyselin.
2. Na základě struktury odhadněte, která z aminokyselin bude mít v tomto experimentálním
uspořádání (normální fáze) nejvyšší retenční faktor.
3. Proč je kyselina glutamová tak často přidávána do potravin?
4. Řada spotřebitelů se snaží vyhýbat potravinám s uměle přidanou kyselinou glutamovou
(glutamátem). Výrobci proto do potravin místo čistého glutamátu přidávají jiná aditiva,
která však obsahuje velké množství glutamátu. Zkuste dohledat názvy aditiv, která se
užívají jako náhradní zdroj glutamátu.
5. Kyselina glutamová je biogenní aminokyselinou. Přesto konzumace velkého množství
této látky může vést k poškození zdraví. Na základě znalostí biochemie navrhněte mechanismus,
jakým kyselina glutamová může škodit.
Výsledky:
Látka Rf Barva skvrny
Asparagin
Leucin
Serin
Glutamová kyselina
48
OH
H2N
O
H3C
O
OH
NH2
O
OH
NH2
H3C
CH3
O
OH
NH2
HO
O
OH
NH2
H2N
O
O
OH
NH2
N
H
H2N
NH
O
OH
NH2
HO
O
O
OH
NH2
HO
Gly - glycin Ala - alanin
Leu - leucin
Ser - serin
Asn - asparaginArg - argininTyr - tyrosin
Glu - glutamová
kyselina
N
H
COOH
Pro − prolin
49
Dělení lipidů pomocí tenkovrstvé chromatografie
Lipidy jsou malé chemicky i funkčně nesourodé organické sloučeniny, produkované rostlinnými
i živočišnými organismy. Jejich nejvýraznější společnou vlastností je velmi omezená rozpustnost
ve vodě, která je způsobena přítomností velkých nepolárních uhlovodíkových struktur
v molekule. Současně ve svých molekulách obsahují jen velice málo heteroatomů (O, S, N
nebo P) schopných vytvářet polární vazby. Naopak dobře rozpustné jsou lipidy v organických
nepolárních rozpouštědlech např. v benzenu, etheru, methanolu nebo chloroformu.
Lipidy můžeme rozdělit např. tuky a oleje (což jsou estery vyšších mastných kyselin a glycerolu),
vosky (estery vyšších mastných kyselin a jednosytných vyšších mastných alkoholů),
některé isoprenoidy (cholesterol a jeho estery) atd.
Lipidy obsažené v běžných potravinářských tucích budeme dělit pomocí tenkovrstvé chromatografie
(TLC) s tzv. normální fází – stacionární fází bude silikagel a mobilní fáze směs
organických rozpouštědel.
Chemikálie:
Mobilní fáze: směs hexan/diethylether/kyselina octová 40:10:1 (V/V ), petrolether, standard
kyseliny palmitové, dekanové a cholesterolu, jod a roztok fosfomolybdenové kyseliny v etha-
nolu.
Postup:
• Malá množství různých potravinářských tuků (margarin, máslo, rostlinný olej, sádlo,
palmový olej atd.) rozpustíme v petroletheru. Ve stejném rozpouštědle také rozpustíme
standardy kyseliny palmitové, dekanové a cholesterolu.
• Z vejce uvařeného na tvrdo vyjmeme žloutek, přidáme k němu 1 g uhličitanu draselného
a směs v třecí misce rozetřeme s malým množstvím acetonu. Směs přefiltrujeme a filtrát
naneseme také jako vzorek na TLC desku.
• Asi 0,5 cm od spodního okraje silufolové TLC destičky narýsujeme měkkou tužkou podle
pravítka startovní čáru. Roztoky standardů i vzorků naneseme na startovní čáru pomocí
skleněné kapiláry. Destičku vložíme do komory s mobilní fází a necháme chromatogram
vyvíjet.
• Po skončení vyvíjení chromatogram vyjmeme z komory, tužkou označíme vzdálenost do
které mobilní fáze došla.
• Silufolovou desku vložíme na několik minut do komůrky naplněné párami jodu. Po vyjmutí
v komory tužkou obkreslíme barevné skvrny a vyznačíme jejich středy. Vypočítáme
retenční faktory jednotlivých složek vzorků a srovnáme je se standardy. Provedeme rovněž
vizualizaci pomocí fosfomolybdenové kyseliny – TLC chromatogram ponoříme do
roztoku fosfomolybdenové kyseliny a desku následně vyžíháme v proudu horkého vzduchu
z horkovzdušné pistole.
50
Retenční faktory lipidů:
Látka
Rf
estery cholesterolu
triacylglyceroly
volné mastné kyseliny
1,3-diacylglycerolycholesterol
1,2-diacylglyceroly
monoacylglyceroly
fosfolipidy
Tabelovaný Stanovený
Estery cholesterolu 0,78
Triacylglyceroly 0,53
Volné mastné kyseliny 0,34
1,3-diacylglyceroly 0,20
Cholesterol 0,18
1,2-Diacylglyceroly 0,14
Monoacylglyceroly 0,06
Fosfolipidy 0,00
Doplňující otázky:
1. Jaké jsou nejdůležitější funkce lipidů v lidském těle?
2. Kolik atomů uhlíku obsahuje v molekule kyselina palmitová?
3. Jak byste dokázali, že v tuku jsou přítomny nenasycené mastné kyseliny?
4. Pokuste se napsat strukturní vzorec 1,2-diacylglycerolu, ve kterém je jako acyl vázán
zbytek kyseliny palmitové.
5. Kolik atomů uhlíku má nejnižší mastná kyselina?
6. Jsou pro smažení vhodné tuky s nízkým nebo vysokým zastoupením nenasycených mastných
kyselin?
7. Určete, které z následujících strukturních vzorců reprezentují cholesterol, lecithin (fosfolipid)
a triacylglycerol.
O
O
O
O
O
O
H3C
CH3
CH3
O
O
O O
CH3
H3C O CH3
O
HO
H3C H
H3C H
CH3
CH3
CH3
HH H3C CH3
H2N
N
O
H
OH
O
O CH3
P
O
O
N
H3C
H3C
CH3
51
Tenkovrstvá chromatografie
Tenkovrstvá chromatografie (TLC – z anglického Thin Layer Chromatography) je rutinně užívanou
technikou v organické chemii, kde slouží jak ke sledování průběhu reakcí, tak k analýze
složení směsí látek nebo k potvrzení čistoty a identity látek. Jako stacionární fáze slouží tenká
vrstva sorbentu (především oxidu křemičitého, oxidu hlinitého nebo celulosy) a pojiva (škrob,
sádra) na podložní destičce ze skla, hliníku nebo plastu. Jako mobilní fáze se v tomto případě
používá směs organických rozpouštědel. Dělený vzorek se nanese nedaleko k jednomu okraji
destičky, poté se destička tímto okrajem ponoří do mobilní fáze tak, aby se vzorek neocitl
pod hladinou. Pohyb mobilní fáze (její vzlínání vzhůru) je zajištěn kapilárními silami, které
způsobují vsakování mobilní fáze do sorbentu.
Chromatografické dělení se ukončí vyjmutím destičky z mobilní fáze těsně před tím, než
čelo mobilní fáze dorazí k druhému okraji destičky. Podle své afinity k mobilní a stacionární
fázi doputují během proudění mobilní fáze jednotlivé složky směsi do různé vzdálenosti od
startu. Charakteristikou látky je u TLC tzv. retenční faktor Rf, což je podíl vzdálenosti středu
skvrny od startu ku vzdálenosti čela mobilní fáze od startu:
Rf =
A
B
Rf je pro látku charakteristická hodnota jen za shodných podmínek dělení tj. složení
mobilní a stacionární fáze, teploty.
Rozdělení a identifikace rostlinných listových barviv s využitím
tenkovrstvé chromatografie a spektrofotometrie
Barevné podzimní listí je fenoménem lesů mírného podnebí, který se stále nedaří detailně
popsat a vysvětlit. I přesto, že se o popsání tohoto jevu snažilo mnoho vědců stále nemáme
dostatek informací a dat, na kterých by šlo postavit jasné vysvětlení dějů, které během podzimu
v rostlinách probíhají a proč (Moy, Le, & Verhoeven, 2015).
Některá fakta jsou ale nepopiratelná. Změna barvy listů a jejich následný opad jsou procesy
spojené s životním cyklem. Poslední fáze, během které dochází ke zbarvení a je zakončena
opadem se nazývá Senescence a můžeme říct, že se jedná o formu „buněčné smrti“. Na rozdíl
od buněčné smrti je však senescence do určité fáze vratná, list se může znovu zazelenat (Moy,
Le, & Verhoeven, 2015).
Pomůcky:
Filtrační kruh (ideálně 2 na osobu), nálevka (ideálně 2 na osobu), silufolová destička, vyvíjecí
komora na TLC, váhy, lžička, filtrační papír, nůžky, zkumavky, kapiláry, zdroj UV (366 nm),
52
třecí miska s tloučkem, skleněná tyčinka, odměrný válec, kádinky, skleněné kyvety, Vernier
spektrofotometr s příslušenstvím.
Chemikálie a suroviny:
Destilovaná voda, uhličitan vápenatý, aceton, směs petrolether (nebo benzín) – isopropylalkohol
(propan-2-ol) – voda (v objemovém poměru 100:10:0,25), petrolether nebo benzin, ethanol,
podzimní listy – z daného stromu/keře ideálně barevný i zelený list.
Postup:
1. Navažte asi 4 g zeleného listu (cca jeden větší list) a nastříhejte ho na malé kousky
do třecí misky, přidejte lžičku mořského písku a lžičku uhličitanu vápenatého. Směs
rozetřete pomocí tloučku až do vzniku zelené kaše.
2. Směs rozdělte na stejné poloviny do dvou kádinek. Do jedné kádinky nalijte 10 ml
acetonu, pečlivě promíchejte a přefiltrujte, zbytek kaše promyjte dalšími 5 ml acetonu
a přefiltrujte.
3. Postupujte stejně u druhé kádinky jen za užití ethanolu.
4. Opakujte bod 1 až 3 se žlutým a červeným listem. Pokud je to možné, snažte se, aby
listy byly ze stejného rostlinného druhu, případně rodu. Pokud to není možné, jeden
z barevných listů nahraďte jiným druhem.
5. Jednotlivé ethanolové extrakty nalijte do samostatných zkumavek (výška sloupce by
měla být asi 1 cm) a přidejte k nim stejné množství petroletheru nebo technického
benzínu. Protřepte a počkejte, dokud se znovu nevytvoří 2 fáze. Pokud se dvě fáze nevytvoří,
přidejte ke směsi malé množství vody ze střičky. Porovnejte jednotlivé extrakty
a zaznamenejte si pozorování.
6. Ethanolový extrakt připravený z červeného listu nalijte do čisté zkumavky a přidejte
několik kapek kyseliny chlorovodíkové. Pozorujte změny následně přidejte malé množství
hydroxidu sodného. Zapište si veškeré pozorované změny a podmínky, při kterých
nastaly.
7. Připravte si 2 silufolové destičky. Na jednu naneste a na start pomocí kapiláry 10×
acetonový extrakt ze zeleného, žlutého a červeného listu (Obrázek 12). Snažte se, aby
byla linie co nejtenčí. Na druhou destičku naneste pouze jeden z extraktů, po celé šířce
destičky, stejným způsobem jako v předchozím případě. Každou silufolovou destičku
vložte kolmo do připravených vyvíjecích nádob s mobilní fází, přikryjte je a pozorujte
změny. V okamžiku, kdy se mobilní fáze dostane cca 0,5 cm od okraje silufolové destičky,
destičku z nádoby vyjměte a označte konečnou pozici čela mobilní fáze. Destičku ideálně
vystavte UV záření vlnové délce 366 nm. Zaznamenejte si, k jakým změnám došlo
a zaznačte je. U obou destiček vypočítejte a zapište si hodnoty retenčních faktorů jednotlivých
signálů.
8. Vezměte vyvinutou destičku, na které byl pouze jeden vzorek a sorbent s jedním barevným
pásem z destičky opatrně vyškrábejte pomocí malého nožíku. Získaný materiál
ve zkumavce smíchejte s asi 5 cm3 acetonu. Po několika minutách extrakce roztok přefiltrujeme
do zkumavky. Do spektrofotometrické kyvety napipetujeme vždy asi 2 cm3
extraktu.
53
9. Kyvetu vložíme do měřící cely spektrometru a proměříme absorpční spektrum ve viditelné
oblasti. Na základě porovnání pozice maxima a tvaru absorpčního spektra se
pokusíme rostlinná barviva identifikovat. Díky retenčním faktorům můžeme identifikovat
jednotlivá barviva na destičce se všemi vzorky a zjistit tak, k čemu v daných listech
dochází.
Obr. 19: TLC destička s naneseným acetonovým extraktem (1) zeleného, (2) žlutého a (3)
červeného listu.
Pozorování:
Číslo skvrny Retenční faktor Absorpční maxima (nm) Název barviva
1
2
3
4
5
6
7
8
54
Absorpční spektra listových barviv
55
Barvivo Vlnová délka
absorpčních maxim (nm)
Chlorofyl a 436; 663
Chlorofyl b 460; 646
Lutein 460; 490
Lykopen 443; 471; 502
Violaxanthin 436
Zeaxanthin 450
Přečtěte si text a odpovězte na otázky.
Senescence je koordinovaný proces skládající se z řady vysoce regulovaných biochemických
událostí. Během tohoto procesu jsou organely, membrány a makromolekuly rozloženy na jednodušší
látky jako jsou aminokyseliny, cukry a minerály, a exportovány do částí rostlin, které
stále rostou, zejména do orgánů reprodukčních a zásobních. Stěžejními látkami transportovanými
z listových buněčných struktur jsou především ty, které obsahují dusík a fosfor (Kraj,
2015).
56
Jelikož je více než 75 % dusíku, který se nachází v chloroplastech, součástí fotosyntetického
aparátu (RUBISCO zaujímá 20–30 % celkového množství dusíku v listech), je naprosto logické,
že dochází k jeho postupnému rozkladu. Prvním krokem tohoto procesu je odpojení chlorofylu
od světlosběrných antén (Kuai, Chen, & Hörtensteiner, 2018).
K resorpci živin je potřeba funkční metabolismus, a proto si musejí rostliny vytvářet
funkční ochranu před fotony, které nejsou z důvodu kompletního fotosyntetického aparátu
zachycovány a mohou tak společně s volnými molekulami chlorofylu produkovat volné radikály
a reaktivní formy kyslíku. Aby se předešlo předčasnému poškození rostlinným buňkám a tím
i zkrácení doby, kterou mají rostliny ke shromáždění potřebných živin, je nutné, aby byla
degradace chlorofylu přísně regulována (Kraj, 2015; Renner, & Zohner, 2019).
Kvůli své nebezpečnosti je volný chlorofyl aktivně degradován (Mattila et al., 2018). Degradační
dráha však existuje pouze pro chlorofyl a, proto se na něj chlorofyl b pomocí reduktas
převádí (Kuai, Chen, & Hörtensteiner, 2018). Chlorofyl a je pak rozložen až na bezbarvý lineární
tetrapyrol. Meziproduktem této degradační dráhy je však katabolit, který projevuje
fluorescenci, čímž mohou produkovat pro buňky nebezpečný singletový kyslík. Proto je tento
produkt transportován do vakuol, kde je kysele katabolizován. Výsledný produkt je bezbarvý
a také bez fluorescenčních vlastností (dochází k narušení konjugovaného systému dvojných
vazeb) (Matilla et al., 2018).
Degradace chlorofylu vede k bezbarvým produktům, čímž zelené zbarvení listů přechází
na jiné, a to v důsledku genetického pozadí a dalších faktorů daného rostlinného druhu. Díky
úbytku intenzivního zbarvení dochází ke zviditelnění mnoha dalších barviv a listy mohou
mít žlutou, oranžovou, červenou, růžovou nebo až fialovou barvu. Tato zbarvení jsou pak
způsobena především dvěma skupinami sloučenin, karotenoidy a antokyany (Ougham, Moris,
& Thomas, 2005).
Karotenoidy jsou vysoce hydrofobní látky, mající převážně žlutou nebo oranžovou barvu.
V chlorofylech zelených listů jsou nejvíce zastoupeny β-karoten, α-karoten a xantofyly (tzv.
okysličené karotenoidy), mezi ně patří violaxanthin, neoxanthin, antheraxantin, zeaxanthin
a lutein. Zastoupení karotenoidů závisí na druhu a stáří listů a také na podmínkách prostředí.
V listech se vyskytují jako doplňkové pigmenty fotosyntetického aparátu po celou dobu životního
cyklu listu, a kromě funkcí spojených s fotosyntézou vystupují jako antioxidanty,
které chrání buněčné struktury před poškozením. Karotenoidy jsou složeny téměř jen z uhlíku
a vodíku, neobsahují důležité prvky, a proto jsou z hlediska přeskupování živin bezvýznamné.
Během senescence se mohou rozkládat, přesouvat a chemicky modifikovat, ale nikdy nejsou
nově syntetizovány. Jejich příspěvek k vitalitě rostlin je proto závislý na jejich pre-existenci
(Ougham, Moris, & Thomas, 2005).
Další skupinou barviv jsou antokyany, které jsou po chlorofylu nejrozšířenějšími a nejznámějšími
barvivy. Jsou ve vodě rozpustné a způsobují rozmanité zbarvení listů, od růžové,
přes červenou až po modrou. Jejich základní strukturní jednotkou je flavyliový ion, který se
váže na cukernou složku. Vazba na cukr má stabilizační charakter. Ve vodném prostředí a při
rovnováze můžeme antokyany dle podmínek nalézt v jedné ze čtyř základních forem – flavyliový
kation, chinoidní báze, chalkon a karbinol. Množství těchto složek je dáno pH roztoku.
V kyselém prostředí převládá červený flavyliový kation a při vyšším pH dochází ke změně
barvi na modrou v případě chinoidní báze, žlutou až oranžovou v případě chalkonu nebo bezbarvou
u karbinolu. Antokyany se objevují v červených listech až v průběhu senescence, kdy
se syntetizují před, během nebo těsně po začátku degradace chlorofylu, doba začátku syntézy
antokyanů je druhově odlišná. Antokyany můžeme nalézt i v hnědých listech, jejichž zbarvení
je způsobeno kombinací barevnosti antokyanů a karotenoidů. Barevnost způsobená antokyany
je ovlivněna faktory jako je míra glykosylace, pH ve vakuolách a také přítomnost kopigmentů
jako jsou flavonoly a flavony (Ougham, Moris, & Thomas, 2005).
57
Antokyany mají antioxidační účinky a také absorbují záření v modrozelené oblasti spektra,
tím snižují množství reaktivních kyslíkových forem a poškození vyvolaná zářením. Díky této
ochraně je umožněn efektivní transport dusíku do dřevního pletiva kmene a zásobních nebo
reprodukčních orgánů. Antokyany jsou během senescence syntetizovány de novo a může se
proto zdát, že je jejich ochrana pro rostlinu nákladná. Avšak během podzimu není růst rostlin
tak velký, čímž se může z fotosyntézy získaná energie investovat do produkce ochranných
látek. Navíc antokyany ovlivňují optické vlastnosti již při nízké koncentraci, což jsou důvody,
proč se nakonec syntéza antokyanů rostlině vyplatí (Lee, 2002).
Proces senescence je důležitou fází v životním cyklu listů. Dochází při něm k transportu
důležitých živin z nepotřebných struktur a jejich ukládání do zásobních a reprodukčních orgánů.
Jedná se o proces, kdy dochází k rozkladu chlorofylu za účelem získání v jeho struktuře
vázaného dusíku. Tento proces je provázen zachováním nebo syntézou ochranných pigmentů,
které rostlinu chrání před případným poškozením. Fenomén senescence je dlouhodobě zkoumán
a stále není úplně vysvětlen. Nicméně se zdá, že jednotlivé druhy používají v průběhu
senescence rozdílné strategie foto-ochrany (Moy, Le, & Verhoeven, 2015).
Doplňující otázky.
1. Co je hlavní podstatou senescence, proč je senescence zahájena?
2. Jaká barviva se v listech na podzim nacházejí?
3. Do grafu vyneste naměřená spektra vámi izolovaných barviv a pokuste se je identifikovat.
4. Co je feofytin po chemické stránce? Má v rostlině nějakou funkci? Pokud ano, uveďte ji.
Zdroje
KRAJ, W. Chlorophyll degradation and the activity of chlorophyllase and Mg-dechelatase
during leaf senescence in Fagus sylvatica. Dendrobiology. 2015, 74, p. 43–57.
KUAI, B., CHEN, J., HÖRTENSTEINER, S. The biochemistry and molecular biology of
chlorophyll breakdown. Journal of Experimental botany. 2018, 69(4), p. 751–767.
LEE, D.W. Anthocynins in Autumn Leaf Senescence. Advances in Botanical Research. 2002,
37, p. 147–165.
MATTILA, H., VALEC, D., HAVURINNE, V., KHOROBRYKH, S., VIRTANEN, O., ANTINLUOMA,
M., MISHRA, K.B., TYYSTJÄRVI, E. Degradation of chlorophyll and synthesis
of flavonols during autumn senescence – the story told by individual leaves. AoB Plants.
2018, 10, p. 1–13.
MOY, A., LE, S., VERHOEVEN, A. Different strategies for photoprotection during autumn
senescence in maple oak. Physiologia Plantarum. 2015, 155, p. 205–216.
OUGHAM, H.J., MORIS, P., THOMAS, H. The colors of autumn leaves as symptoms of
cellular recycling and defenses against environmental stresses. Current Topics in Development
Biology. 2005, 66, p. 135–160.
RENNER, S.S., ZOHNER, C.M. The occurence of red and yellow autumn leaves explained
by regional differences in insolation and temperature. New Phytologist. 2019, 224, 1464–1471.
PODEŠVOVÁ, V. Rostlinná barviva, 2017, Masarykova univerzita, Brno.
58
Analýza barviv podzimního listí
Listy rostlin mají na podzim mnoho barev. Pomocí tenkovrstvé chromatografie na silufolové
destičce a rozdělování barviv mezi lipofilní a hydrofilní fázi můžeme určit, jaká barviva jsou
v listech různé barvy přítomná.
Pomůcky:
Filtrační kruh (ideálně 3 ks), nálevka (ideálně 3 ks), silufolová destička, vyvíjecí komora na
TLC, váhy, lžička, filtrační papír, nůžky, zkumavky se zátkou, kapiláry, zdroj UV (366 nm),
třecí miska s tloučkem, skleněná tyčinka, odměrný válec, kádinky.
Chemikálie a suroviny:
Destilovaná voda, uhličitan vápenatý, ethanol, směs petrolether (nebo benzín) – isopropylalkohol
(propan-2-ol) – voda (v objemovém poměru 100:10:0,25), petrolether nebo benzin,
podzimní listy – z daného stromu/keře ideálně barevný i zelený list.
Postup:
1. Navažte asi 6 g zeleného listu a nastříhejte ho na malé kousky do třecí misky, přidejte
lžičku mořského písku a lžičku uhličitanu vápenatého. Směs rozetřete pomocí tloučku
až do vzniku zelené kaše.
2. Ke směsi přidejte 10 ml ethanolu a pečlivě promíchejte. Směs přefiltrujte přes hladký
filtr.
3. Opakujte bod 1 až 2 se žlutým a červeným listem. Pokud je to možné, snažte se, aby
listy byly ze stejného rostlinného druhu, případně rodu. Pokud to není možné, jeden
z barevných listů nahraďte jiným druhem.
4. Do zkumavek nalijte o cca 4 ml jednotlivých extraktů a přidejte k nim stejné množství
petroletheru nebo technického benzínu. Protřepte a počkejte, dokud se znovu nevytvoří
dvě fáze. Pokud se dvě fáze nevytvoří, přidejte ke směsi malé množství vody ze střičky.
Porovnejte jednotlivé extrakty a zaznamenejte si pozorování.
5. Připravte si silufolovou destičku o rozměrech cca 5 × 3 cm. Pomocí tužky a pravítka
nakreslete startovací čáru rovnoběžnou s kratší hranou a vzdálenou asi 0,5 cm od této
hrany. Pomocí tří krátkých a pravidelně rozmístěných čárek kolmých k startovací čáře
vytvořte body pro nanesení vzorků extraktů. Na jednotlivé body naneste pomocí skleněné
kapiláry extrakty z jednotlivých druhů listů. Pokud je extrakt světlý a skvrna
nezřetelná, naneste extrakt do jednho místa opakovaně.
6. Silufolovou destičku vložte do připravené vyvíjecí nádoby s mobilní fází (petrolether/propan-2-ol
a voda v poměru 100:10:0,25), přikryjte je a pozorujte změny. V okamžiku,
kdy se mobilní fáze dostane cca 0,5 cm od okraje silufolové destičky, destičku z nádoby
vyjměte a označte konečnou pozici čela mobilní fáze.
7. Na základě retenčního chování a barvy se pokuste identifikovat jednotlivá barviva přítomná
v extraktu.
8. Destičku vložte pod UV lampu emitující světlo o vlnové délce 366 nm. Určete, které
skvrny fluoreskují (typická vlastnost chlorofylů).
59
Obr. 20: Retenční chování listových barviv na silufolové destičce při použití směsi petrolether,
propan-2-ol a voda v objemovém poměru 100:10:0,25.
Doplňující otázky:
1. Jaké barvy lipofilní a hydrofilní fáze jste pozorovali pro jednotlivé extrakty?
2. Uveďte, jaká barviva jste identifikovali v zelených, žlutých a červených listech. Která
z nich dominují?
3. Co je feofytin po chemické stránce? Má v rostlině nějakou funkci? Pokud ano, uveďte ji.
4. Jaká je chemická podstata červených barviv přítomných v červených podzimních listech?
Proč je rostliny syntetizují?2
2
Více informací můžete načerpat např. z článku: David W. Lee, Kevin Gould: Why Leaves Turn Red.
American Scientist, Vol. 90, 6, 524–531. https://doi.org/10.1511/2002.39.524
60
Plastelína z mouky
Pravděpodobně, každý z nás si vzpomene, jak jsme si v mateřské školce hráli s hmotou do
která když jsme dostatečně dlouho bušili a vynaložili velké množství síly, tak šla tvarovat
a vytvářet z ní různé věci. Říkali jsme jí modelína. V posledních pár letech se na český trh
dostává její alternativa, která je jmenuje Play-doh. Oproti modelíně, je velmi měkká, poddajná
a velmi dobře se s ní pracuje.
Hlavní složkou této modelíny je mouka, tedy konkrétněji škrob. Škrob se skládá z amylosy
a amylopektinu. Základní složkou těchto polysacharidů je α-d-glukopyranosa. V případě
amylosy dochází k řetězení glukos 1→4 glykosidickou vazkou za vzniku lineární makromolekuly.
Amylopektin má rozvětvený charakter a k větvení dochází skrze α(1→6) glykosidickou
vazbou.
Ve škrobovém zrnu se vlákna amylosy a amylopektinu usazují kolem krystalizačních jader.
Vodíkové vazby mezi vlákny dávají zrnu jeho tvar. Na základě původu škrobu se liší podíly
obsahu amylosy a amylopektinu.
Pokud se ke škrobu přidá voda, tak ji zrna absorbují a mírně nabobtnají. Pokud tuto směs
zahřejeme na tzv. teplotu želatinace, dojde k narušení amylopektinové matrice a k uvolnění
amylosy ze škrobových zrn. Tím vznikne sloučenina, která je pevná, ale poddajná.
Škroby s vyšším obsahem amylosy, tak vytvářejí pevnější gel.
Hlavním cílem dalších látek, které se do plastelíny přidávají, je vylepšit její vlastnosti
a zvýšit její trvanlivost.
Pomůcky:
Teflonová pánev, vařič nebo sporák, vařečka, lžíce, miska.
Chemikálie a suroviny:
Hladká mouka, sůl, ocet, olej, voda, potravinářská barviva a vonná esence (není nutná).
Postup:
• V misce smíchejte 150 g hladké mouky, 80 g soli, dvě lžíce octa, lžíci rostlinného oleje,
300 ml vody. Přidat také můžete potravinářské barvivo (obarvit také můžete až hotovou
plastelínu) a vonnou esenci (potlačí zápach octa a aroma mouky).
• Vzniklou směs nalijte na pánev a za stálého míchání vařečkou zahřívejte. Směs začne
poměrně rychle tuhnou. Stále ji vařečkou propracovávejte a obracejte, dokud nám nevznikne
jedna velká koule. Tu poté sundejte z pánve a nechte vychladnout.
Obr. 21: Postupné houstnutí hmoty na plastelínu.
61
Komentář:
Připravená hmota může na konci přípravy stále trochu lepit. V tomto případě je doporučováno
přidat více lubrikantu (rostlinného oleje). Vyrobená plastelína je slabě cítit octem. Proto
během přípravy můžeme do hmoty přidat vonnou esenci.
Také lze připravit větší várku bezbarvé plastelíny, rozdělit ji a pak jednotlivé části obarvit
různými potravinářskými barvami (hmotu je potřeba s barvou důkladně hníst). Velmi
vhodnými jsou pro barvení plastelinové hmoty gelové potravinářské barvy.
Plastelínu skladujte v uzavřené nádobě nejlépe v lednici. Za těchto podmínek plastelína
vydrží několik týdnů.
Obr. 22: Plastelína z mouky dodatečně obarvená různými potravinářskými barvivy (vlevo
nahoře) a objekty z plastelíny vyrobené.
Doplňující otázka:
1. Z připravené plastelíny (obarvené nebo neobarvené) zkuste něco vymodelovat a svůj
výtvor vyfoťte.
Izolace lepku z mouky
Lepek je společné označení pro skupinu zásobních proteinů zrn pšenice, žita, ječmene a ovsa.
Tyto proteiny mají v prostředí s dostatečným množstvím vody tendenci tvořit pružnou a
lepkavou hmotu, čehož s oblibou využíváme při výrobě pečiva.
62
Pšeničný lepek se skládá především ze dvou druhů bílkovin. První z nich jsou gluteniny,
jejichž vlákna se mezi sebou snadno a na mnoha místech propojují (nejčastěji vodíkovými a
disulfidovými vazbami) a vytvářejí tak tuhou, pevnou, elastickou síť. Druhým typem proteinů
v lepku jsou gliadiny. Ty společně s vodou vazby gluteninů znesnadňují a výsledná síť je tak
o něco méně houževnatá.
Při tvorbě těsta musí nejdříve dojít ke smísení mouky s vodou (aby mohly vznikat vodíkové
vazby). Následně těsto obvykle hněteme nebo mícháme, přičemž se vlákna gluteninů
přeuspořádávají a prodlužují ve směru namáhání. Pokud těsto nenamáháme pouze v jednom
směru, vlákna se postupně rozptýlí do všech směrů a navzájem pospojují, takže ve výsledku
by měla vzniknout téměř homogenní síť.
V následujícím experimentu z těsta vymyjeme z těsta proudem vody zrna škrobu. Zbylá
hmota bude tvořena lepkem.
Pomůcky:
Plastová miska.
Chemikálie a materiál:
Hladká mouka (200 g), voda.
Postup:
Smíchejte 200 g hladké mouky s cca 100 ml vody, abyste vytvořili těsto, které lze hníst.
Hněťte asi 10 až 20 minut, dokud nebude těsto pružné. Následně z těsta pod tekoucí vodou
opatrně vyplachujte škrob a přitom se snažte udržovat těsto pohromadě. (Malé kousky lepku
se možná budou drolit z povrchu těsta.) Pokračujte v promývání, dokud voda, kterou těsto
promýváte, není čirá (cca 30 min). Výsledkem by měla být našedlá pružná hmota.
Obr. 23: Uhnětené těsto (vlevo) a lepek zbylý po vymytí zrníček škrobu z těsta (vpravo).
Komentář:
Mouky z různých zdrojů se liší obsahem lepku. Můžeme zkusit stejný experiment také s rýžovou,
pohankovou nebo cizrnovou moukou a stanovit, kolik lepku nám po vymytí škrobových
zrn zůstane. Vymývání škrobu z těsta lze také usnadnit posolením těsta.
Ne ve všech těstech je však vznik lepku žádoucí, v sušenkách nebo křehkém těstě, po
kterých většinou chceme, aby byly drobivé, lepek obvykle nepotřebujeme a jeho vzniku (při
přípravě těsta z pšeničné mouky) zabraňujeme tím, že omezíme množství vody (obvykle pouze
z vejce), místo ní mouku promísíme s tukem (který navíc interaguje s hydrofobními úseky ve
63
struktuře lepku a brání tak interakci protein-protein) a suroviny pouze smícháme dohromady
(těsto nenamáháme) a necháme odpočinout. Můžeme také použít mouku s nižším obsahem
lepku (mouka určená pro sladké pečení).
Pokud pečeme litý koláč nebo dort, chceme, aby držel tvar a udržel v sobě bublinky vzduchu/vodní
páry/CO2, nechceme však, aby výsledný produkt byl gumový. Toho dosahujeme
například snížením koncentrace lepku (řídké těsto), přídavkem tuku/výběrem mouky (viz
výše) nebo tím, že těsto po přidání a rozptýlení mouky dál příliš nemícháme.
Doplňující otázka:
1. Izolovaný lepek vyfoťte. Pokud máte k dispozici váhu, pokuste se odhadnout, kolik
procent mouky tvoří lepek.
Roztančené rozinky
Při reakci kyseliny se sodou vzniká oxid uhličitý. Jeho bublinky se přichytí na povrch rozinky,
vynesou ji na hladinu, tam prasknou a rozinka zase klesne ke dnu.
Chemikálie a materiál:
NaHCO3, kuchyňský ocet, rozinky, voda.
Postup:
• Naplňte sklenici vodou a přidejte několik polévkových lžic octa.
• Zamíchejte a přidejte pár rozinek.
• Pak vsypte do roztoku polévkovou lžíci jedlé sody (nemíchejte) a sledujte, jak se rozinky
„dají do tance“.
Obr. 24: Roztančené rozinky.
Doplňující otázka:
1. Pořiďte fotografii experimentu.
64
Paramagnetismus kyslíku
Kyslík má velký význam pro veškerý život na Zemi – dikyslík O2, který je běžně přítomen ve
vzduchu kolem nás, je nezbytný pro dýchání a život většiny organismů, ozon O3 pak ve stratosféře
chrání zemský povrch před ionizujícím světelným zářením ze Slunce. Molekula dikyslíku
se vyznačuje neobvyklými vazebnými poměry. Molekula obsahuje sudý počet elektronů, přesto
dva z nich jsou v základním stavu molekuly nespárované a mají stejnou orientaci spinu, což je u
tak malé stabilní molekuly neobvyklé. Výsledkem je, že kyslík je paramagnetický, je vtahován
do magnetického pole.
Pro chování molekuly vzhledem k vnějšímu magnetickému poli je rozhodující počet nespárovaných
elektronů a vzájemná orientace spinů těchto elektronů. Počet nespárovaných elektronů
a orientace jejich spinů je vyjádřen tzv. multiplicitou, kterou lze vypočítat jako 2ns+1,
kde n je počet nespárovaných elektronů se stejnou orientací spinu a s je spinové kvantové
číslo. Multiplicita udává počet možných kombinací vzájemných orientací spinů částic (v tomto
případě elektronů). Pokud jsou orientace spinů všech elektronů vzájemně vypárovány, je multiplicita
1 a stav označíme jako tzv. singlet. Jeden nespárovaný elektron v molekule znamená
multiplicitu 2 a tento stav označíme jako dublet. Dva nespárované elektrony se souhlasnou
orientací spinu pak označíme jako triplet.
Molekula dikyslíku v základním stavu má tedy tripletovou multiplicitu.
Chemikálie a materiál:
Zdroj kyslíku (tlaková lahev nebo chemický vyvíječ kyslíku), kuchyňský saponát (Jar. . . )
Pomůcky:
Neodymový permanentní magnet s remanentní magnetickou indukci Br alespoň 0,25 T, pryžová
hadice, miska.
Postup:
Připravte do misky roztok saponátu ve vodě. Na hladině by neměla být pěna. Ze zdroje
kyslíku zavádějte pryžovou hadicí do roztoku saponátu čistý kyslík a nafoukněte mýdlovou
bublinu, která zůstane na hladině. Následně k této bublině přibližte silný permanentní magnet
a sledujte pohyb bubliny. Magnet můžete zkusit přiblížit z více různých směrů, čímž potvrdíte,
že se bublina pohybuje směrem k magnetu. Experiment vyžaduje klidný vzduch v místnosti.
Komentář:
Ještě efektnější je demonstrace paramagnetismu kapalného kyslíku.
Doplňující otázky:
1. Singletový stav molekuly O2 je nestabilní a reaktivní. Molekula dikyslíku může existovat
dokonce ve dvou singletových stavech. Jednou z možností, jak se singletový kyslík může
zbavit energie a přejít do základního stavu, je emise světla. V případě singletového kyslíku
se nachází vlnová délka tohoto záření v červené části viditelného spektra. Zmíněná
emise je podstatou jednoho zajímavého přírodního jevu. Dokážete uvést, o jaký jev se
jedná?
65
2. Následující schéma ukazuje molekulové orbitaly O2. Doplňte do rámečků, které reprezentují
atomové a molekulové orbitaly, elektrony, aby odpovídaly konfiguraci tripletového
dikyslíku.
2px 2py 2pz
2s
2px2py2pz
2s
σ2s
σ2s*
σ2pz
σ2pz*
π2px y
π2p
π2px y
π2p**
E
O O
O2
Paramagnetický roztok
Pomůcky:
Vialka o objemu 10 nebo 20 ml, filtrační papír, kapátko, lžička, kádinka, nálevka, neodymový
magnet.
Chemikálie a materiál:
Síran manganatý hydrát MnSO4·nH2O pevný, dichlormethan.
Postup:
• Nejprve si připravte nasycený roztok síranu manganatého rozpuštěním dostatečného
množství hydrátu (rozpustnost se liší podle použitého hydrátu) ve vodě. Nasycený roztok
přefiltrujte.
• Dokonale odmaštěnou a suchou vialku naplňte do 2/3 jejího objemu dichlormethanem.
Do dichlormethanu velmi opatrně pomocí kapátka vpravíme několik kapek (cca 2–3)
nasyceného vodného roztoku síranu manganatého.
• Pomocí neodymového magnetu pozorujeme paramagnetické vlastnosti roztoku MnSO4.
Komentář:
Manganatý kation je d5 iontem, který obsahuje 5 nepárových elektronů (elektronová konfigurace
valenční sféry je 4s0 3d5), jejich spin není kompenzován žádnými spárovanými elektrony.
Manganatý ion má vlivem těchto nepárových elektronů relativně velký magnetický moment
m, na který může působit silné externí magnetické pole, např. neodymového magnetu.
66
Hydrotermální syntéza fluoreskujících uhlíkových kvantových
teček
Nanotechnologie jsou právem považovány za perspektivní obor, který přinese lidstvu mnoho
užitečných objevů. Nanotechnologie jsou vymezeny velikostí částic nebo objektů, se kterými
pracují. Nanočástice mají velikost 1–100 nm, což odpovídá například velikosti molekul nebo
krystalů sestavených z desítek až tisíců atomů. Díky své velikosti vykazují nanočástice unikátní
vlastnosti, které nenajdeme u jednotlivých atomů nebo molekul ani u pevných látek.
Kvantové tečky jsou obecně polovodičové nanočástice, u kterých může dojít po absorpci
fotonu k excitaci elektronu z valenčního pásu do pásu vodivostního. Návrat excitovaného
elektronu zpět do valenčního pásu může být doprovázen emisí fotonu (luminiscencí). Vlnová
délka (barva) emitovaného záření je ovlivněna mnoha parametry, jako je například velikost
částic, přítomné funkční skupiny nebo modifikace povrchu částice.
Nanočástice lze připravovat rozrušováním větších struktur (molekul nebo krystalů) na
menší částice nebo skládáním z menších prekurzorů. V této praktické úloze si vyzkoušíte
druhý přístup. Zahříváním organických kyselin vznikají ve vodě rozpustné uhlíkové kvantové
tečky (CQD), reakce vyžaduje přítomnost močoviny3, která pravděpodobně vznikající částice
stabilizuje a chrání jejich povrch. Bez tohoto stabilizujícího vlivu by vzniklé částice nefluores-
kovaly.
Připravené nanočástice jsou s vysokou pravděpodobností netoxické a kompatibilní s živými
organismy.
Díky snadné přípravě CQD nacházejí tyto částice uplatnění v mnoha oblastech, například
jako chemo- nebo biosenzory, fluorescenční barviva, fotokatalyzátory nebo optoelektronické
materiály.
Chemikálie a materiál:
Kyselina citronová a močovina.
Pomůcky:
Kádinky (25 ml a 400 ml) a zdroj tepla (elektromagnetická míchačka s ohřevem, kahan,
mikrovlnná trouba).
Postup:
• Navažte 1 g močoviny a 1 g kyseliny citronové a rozpusťte látky v 2,5 ml demineralizované
vody.
• Vzniklý roztok zahřívejte v kádince tak, aby roztok intenzivně nevařil, ale aby se intenzivně
odpařovala voda. Po vypaření většiny vody a zhoustnutí směsi se začne ze směsi
uvolňovat malé množství amoniaku. Směs zahřívejte, dokud nevznikne žluto-hnědá medovitá
hmota.
• Do kádinky nalijte několik ml vody a za míchání v ní hustou hmotu rozpusťte. Následně
pozorujte fluorescenci roztoku pod UV lampou při excitační vlnové délce 366 nm.
• Na konec špejle namotejte malý smotek vaty a pomocí něj naneste roztok na papír.
Pozorujte pod UV lampou při 366 nm.
3
Songnan Qu, Xiaoyun Wang, Qipeng Lu, Xingyuan Liu, and Lijun Wang: A Biocompatible Fluorescent
Ink Based on Water-Soluble Luminescent Carbon Nanodots. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12215–12218.
67
• Velkou kádinku (400 ml nebo větší) naplňte vodu, umístěte UV lampu nad kádinku nebo
k její stěně a následně roztok CQD do vody v kádince nalijte. Pokus zvláště vynikne ve
ztemnělé místnosti.
Obr 25: Fluorescence připravených uhlíkových nanočástic při 366 nm.
Obr 26: Fluorescence připravených biokompatibilních uhlíkových nanočástic při 366 nm.
Obr 27: Nápis provedený roztokem CQD ve viditelném světle (vlevo) a pod UV lampou při
366 nm (vpravo).
68
Komentář:
Při zahřívání v mikrovlnné troubě je vhodné zkumavku vložit do kádinky a tuto kádinku
zakrýt ještě další kádinkou, která je dnem vzhůru.
Uvedenou metodou vznikají uhlíkové částice různé velikosti, od několika nanometrů po
velké aglomeráty. Analýzy ukazují, že částice obsahují přibližně 42 % uhlíku, 4 % vodíku,
21 % dusíku a 33 % kyslíku. Vnitřní struktura částic je nepravidelná s délkami vazeb C–C
podobnými grafitu.
Zajímavou vlastností těchto uhlíkových kvantových teček je závislost kvantového výtěžku
jejich fluorescence na prostředí. Částice deponované na kovu, skle, křemíku nebo plastech
nevykazují fluorescenci, na vláknech celulosy (bavlna nebo papír) naopak fluoreskují.
Zmiňovaná UV lampa emitující záření o vlnové délce 366 nm se prakticky používá např.
při ověřování pravosti bankovek.
Doplňující otázky:
1. Když roztok obsahuje nanočástice o velikosti 6 až 14 nm, jedná se o homogenní, nebo
koloidní roztok?
Tajný inkoust na bázi uhlíkových kvantových teček
Zahříváním směsi močoviny a kyseliny citronové vzniká žluto-hnědá směs uhlíkových částic,
přičemž přítomné nanočástice intenzivně fluoreskují. Toho lze využít jako tajného inkoustu.
Nápis je proveden vodným roztokem močoviny a kyseliny citronové, který je bezbarvý. Po
zahřátí papíru je možné nápis vizualizovat pod UV lampou.
Chemikálie a materiál:
Kyselina citronová a močovina.
Pomůcky:
Kádinka (100 ml), zdroj tepla (horkovzdušná pistole, plotýnkový vařič. . . ), špejle a vata.
Postup:
• Navažte 2 g močoviny a 2 g kyseliny citronové a rozpusťte látky v 5 ml demineralizované
vody.
• Malý kousek vaty namotejte na konec špejle, ponořte jej do připraveného roztoku a následně
napište utajovaný text na papír.
• Papír vysušte proudem teplého vzduchu.
• Papír s nápisem krátce zahřejte nad horkovzdušnou pistolí, vařičem nebo jiným zdrojem
tepla na přibližně 300 °C. Po ochlazení pozorujte nápis pod UV lampou při 366 nm.
69
a) b)
c)
Obr 28: a) Papír s nápisem před zahřátím pod UV lampou (366 nm); b) papír s vyvinutým
nápisem pod UV lampou (366 nm); c) vyvinutý nápis v běžném světle.
70
Základní chemické zákony – hoření ocelové vlny na vzduchu
Chemické reakce se řídí obecnými přírodními zákony. Jedná se zejména o zákon zachování
hmotnosti a energie a zákony o stálých a násobných poměrech slučovacích. Tyto zákony se
člověk ve škole slovo od slova učí se značným opovržením, nicméně, pro chemiky v raných
obdobích přeměny alchymie v chemii hrály obrovský význam.
Jedním ze základních experimentů, které vedly k destrukci tzv. flogistonové teorie, bylo
objasnění hoření. Pokud totiž ponecháme hořet jakýkoliv kov, jeho hmotnost se hořením
zvyšuje. Dochází totiž k jeho reakci s kyslíkem za vzniku oxidu daného kovu.
Železo může reagovat s kyslíkem ve třech různých poměrech za vzniku tří různých produktů,
jak ukazují následující reakce:
2 Fe + O2 2 FeO
3 Fe + 2 O2 Fe3O4
4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3
Chemikálie:
Ocelová vlna extra jemná (jemnost 0000).
Postup:
• Tento experiment provádějte na k tomu určených předvážkách v digestoři.
• Na hliníkovou misku nebo tácek vytvarovaný z alobalu si odvažte přesně přibližně 4 g
ocelové vlny. Přesnou hmotnost ocelové vlny si zaznamenejte. Vlnu načechrejte tak, aby
se k vláknům mohl dostat vzduch. Zároveň dbejte na to, aby byl chomáč kompaktní.
• Připravte si 9V baterii nebo zapalovač.
• Zapalte ocelovou vlnu na misce na několika místech. Vlnu lze pomocí 9V baterie zapálit
tak, že se oběma póly baterie dotknete vlny. Následně ústy nebo pomocí horkovzdušné
pistole či fénu na ocelovou vlnu foukejte tak, aby nezhasla, nerozfoukala se z misky, ale
aby celá prohořela. Pokud zhasne, zapalte ji znovu pomocí baterie nebo zapalovačem.
• Jakmile železo celé shoří, zaznamenejte si hmotnost zbytku na misce.
• Buďte opatrní při manipulaci s táckem po skončení reakce, může být horký. V tom
případě použijte kleště.
71
Komentář:
Ocelovou vlnu lze zakoupit v obchodech specializujících se na brusné materiály nebo zpracování
dřeva. Prodává se v řadě jemností od 2 do 0000.
Množství zachyceného kyslíku při hoření ocelové vlny závisí na teplotě hoření a přístupu
vzduchu, proto je potřeba použít cca 4 g vlny a při hoření do ní foukat. Pokus lze samozřejmě
provést i jako efektní demonstrační experiment bez stanovování stechiometrie reakce.
Fyzikálně-chemické charakteristiky látek:
Látka M/(g mol−1)
Fe 55,845
O 15,999
Doplňující otázky:
1. Určete, v jakém molárním poměru zreagovalo železo s kyslíkem a který z oxidů železa
vznikl.
2. Co způsobuje, že na rozdíl od jiných předmětů zhotovených z oceli ocelová vlna tak
snadno hoří?
3. Do jakého druhu odpadu je možné produkt vyhodit?
4. Vysvětlete, jakým způsobem dojde k zapálení ocelové vlny zapalovačem i 9V baterií.
Jodové hodiny – stanovení řádu reakce a rychlostní konstanty
Rychlostní rovnice popisuje závislost rychlosti reakce na koncentraci reagujících látek. Uvažme
obecnou chemickou rovnici:
a A + b B c C + d D
kde a, b, c a d jsou stechiometrické koeficienty látek A, B, C a D. Rychlostní rovnice má
obvykle pro reaktanty A a B následující podobu:
v = k (T) · [A]α
· [B]β
kde α a β jsou dílčí řády reakce a k(T) je rychlostní konstanta, která m.j. závisí na teplotě.
Obecně dílčí řády reakce nejsou totožné se stechiometrickými koeficienty. Rychlostní rovnice
rekce je stanovována experimentálně.
Rovnost a = α a b = β platí jen pro elementární reakční kroky. Pokud je v mechanismu reakce
více kroků, je souvislost mezi dílčími řády reakce a stechiometrickými koeficienty obvykle
složitější. Experimentálně stanovená rychlostní rovnice bývá proto pomůckou při odhalování
reakčního mechanismu studované reakce.
Řády reakce pro jednotlivé reaktanty se prakticky stanovují tak, že se měří počáteční
rychlost reakce pro různé koncentrace jednoho reaktantu při zachování koncentrace ostatních
reaktantů.
V této úloze stanovíme rychlostní rovnici reakce, která je známa jako tzv. jodové hodiny,
během které dochází k prudkému nárůstu koncentrace jodu a vzniku modrého zabarvení jeho
reakcí se škrobem. Existuje několik variant této reakce, v tomto experimentu využijeme reakce
jodidu s okyseleným roztokem peroxidu vodíku, která je vyjádřena následující rovnicí.
72
2 I- + 2 H+ + H2O2 I2 + 2 H2O
pomalu
V druhém kroku vzniklý jod reaguje rychle s thiosíranem sodným za obnovení jodidového
anionu.
rychle
I2 + 2 Na2S2O3 2 NaI + Na2S4O6
Protože je díky rychlé reakci s thiosíranem koncentrace vyloučeného jodu nízká, nevzniká
viditelné zabarvení roztoku. Teprve v okamžiku, kdy je všechen přítomný thiosíran spotřebován
reakcemi, dojde k rychlému vývoji jodu a rychlé změně zbarvení. Pokud stanovíme čas,
za který došlo po zahájení reakce k zabarvení, můžeme odhadnout počáteční reakční rychlost
(koncentrace thiosíranu musí být řádově nižší než koncentrace reagujících látek).
v =
∆[S2O2−
3 ]
2 · ∆t
kde ∆[S2O2−
3 ] je rovna počáteční koncentraci thiosíranu v roztoku a ∆t je stanovený časový
interval. Koeficient 2 ve jmenovateli reprezentuje stechiometrický koeficient thiosíranu v druhé
rovnici a vyjadřuje skutečnost, že molekula I2 vzniká dvakrát pomaleji než thiosíran zaniká.
Ze stanovených počátečních reakčních rychlostí pro různé koncentrace jodidu draselného
a konstantní koncentraci peroxidu vodíku můžeme využít následující rovnici pro výpočet β:
v1
vn
=
k · [H2O2]α · [KI]β
1
k · [H2O2]α · [KI]β
n
=
[KI]1
[KI]n
β
Zlogaritmováním levé a pravé strany rovnice získáme:
log
v1
vn
= log
[KI]1
[KI]n
β
= β log
[KI]1
[KI]n
Při vyhodnocení můžeme do grafu vynést závislost log v1
vn
na log [KI]1
[KI]n
, proložit body
přímku, která prochází středem souřadného systému. Směrnicí přímky je dílčí řád reakce β.
Ze stanovených počátečních reakčních rychlostí pro různé koncentrace peroxidu vodíku a
konstantní koncentraci jodidu draselného můžeme vypočítat analogicky α následující rovnici:
log
v1
vn
= log
[H2O2]1
[H2O2]n
α
= α log
[H2O2]1
[H2O2]n
Se znalostí rychlostní rovnice můžeme stanovit rychlostní konstantu reakce z počátečních
rychlostí reakce a počátečních koncentrací.
k =
vn
[H2O2]n · [KI]n
Chemikálie:
H2SO4 (96%), H2O2 (30%), KI, Na2S2O3 (bezvodý nebo pentahydrát), rozpustný škrob, kyselina
octová a octan sodný (bezvodý nebo trihydrát).
73
Příprava roztoků:
• Roztok kyseliny sírové (c = 0,6 mol dm−3): do odměrné baňky (1000 cm3) s přibližně
200 cm3 demineralizované vody odměřte 33,3 cm3 96% kyseliny sírové a doplňte
demineralizovanou vodou po rysku.
• Roztok acetátového pufru – kyselina octová (c = 1,56 mol dm−3) + octan
sodný (c = 0,15 mol dm−3): do odměrné baňky (1000 cm3) navažte 12,3 g bezvodého
octanu sodného nebo 20,4 g trihydrátu octanu sodného a odměřte 89,2 cm3 ledové
kyseliny octové. Rozpusťte sůl v demineralizované vodě a následně roztok doplňte demineralizovanou
vodou po rysku.
• Roztok peroxidu vodíku (c = 0,15 mol dm−3): Do odměrné baňky (1000 cm3)
odměřte 13,3 cm3 30% roztoku peroxidu vodíku a doplňte demineralizovanou vodou po
rysku.
• Roztok jodidu draselného (c = 0,3 mol dm−3): do odměrné baňky (1000 cm3)
odvažte 49,8 g jodidu draselného. Sůl rozpusťte v demineralizované vodě a následně
roztok doplňte vodou po rysku.
• Roztok thiosíranu sodného (c = 0,0168 mol dm−3) se škrobem (0,1%): do
odměrné baňky (1000 cm3) navažte 2,66 g bezvodého thiosíranu sodného (nebo 4,17 g
jeho pentahydrátu) a sůl rozpusťte v malém objemu demineralizované vody. Přidejte
100 cm3 1% roztoku škrobu, který vznikl vnesením pasty z 1 g rozpustného škrobu do
100 cm3 vroucí vody. Následně roztok doplňte vodou po rysku.
Postup měření:
• Zaznamenejte teplotu v místnosti.
• Připravte sedm roztoků A a B smísením zásobních roztoků a vody podle rozpisu uvedeného
v následujících tabulkách. Místo roztoku kyseliny sírové můžete také použít
acetátový pufr.
Číslo
Roztok A
V (Na2S2O3)/cm3 V (KI)/cm3 V (H2O)/cm3
1 5,0 10,0 0,0
2 5,0 8,0 2,0
3 5,0 6,0 4,0
4 5,0 4,0 6,0
5 5,0 10,0 0,0
6 5,0 10,0 0,0
7 5,0 10,0 0,0
74
Číslo
Roztok B
V (H2O2)/cm3 V (H2SO4)/cm3 V (H2O)/cm3
1 10,0 5,0 0,0
2 10,0 5,0 0,0
3 10,0 5,0 0,0
4 10,0 5,0 0,0
5 8,0 5,0 2,0
6 6,0 5,0 4,0
7 4,0 5,0 6,0
• Do Erlenmeyerovy baňky o objemu 50 nebo 100 cm3 napipetujte 15 cm3 roztoku A.
Do čisté kádinky napipetujte rovněž 15 cm3 roztoku B. Následně velmi rychle přidejte
k roztoku v Erlenmeyerově baňce roztok z kádinky a promíchejte. Ve stejný okamžik
spusťte časomíru na stopkách.
• V okamžiku, kdy dojde k modrému zabarvení roztoku, zastavte stopky a čas zaznamenejte
do tabulky.
• Erlenmeyerovu baňku důkladně opláchněte demineralizovanou vodou a proveďte znovu
měření. Snažte se zajistit, by všechny roztoky měly stejnou (laboratorní) teplotu.
• Doplňte koncentrace reaktantů v reakční směsi a vypočítejte odhad reakční rychlosti.
Předpokládejte, že pro tyto zředěné roztoky platí aditivita objemu. Odhadněte řád reakce
vzhledem k peroxidu vodíku i jodidu draselnému. Pokuste se také odhadnout rychlostní
konstantu reakce.
Číslo [KI]0/(mol dm−3) [H2O2]0/(mol dm−3) t/s v/(mol dm−3 s−1)
1
2
3
4
5
6
7
[Na2S2O3]0/(mol dm−3) =
Komentář:
Existuje několik variant jodových hodin, které se liší použitými výchozími látkami. Přehled
těchto reakčních systémů najdete na wikipedii:
https://en.wikipedia.org/wiki/Iodine_clock_reaction
V roztoku s acetátovým pufrem reakce probíhá pomaleji než ve směsí s kyselinou sírovou.
Reakce je ale lépe reprodukovatelná v puforvaném roztoku.
75
Fyzikálně-chemické charakteristiky látek:
Látka M/(g mol−1) ρ/(g cm−3)
KI 166,0028 –
H2O2 (30%) 34,0174 1,11
H2SO4 (96%) 98,079 1,84
CH3COOH 60,052 1,05
Na2S2O3 158,11 –
Na2S2O3 · 5H2O 248,18 –
CH3COONa 82,0343 –
CH3COONa · 3H2O 136,09 –
Doplňující otázky:
1. Určete dílčí řády reakce vzhledem k peroxidu vodíku a jodidu draselného.
2. Ze všech měření vypočítejte průměrnou rychlostní konstantu reakce.
3. Odhadněte, kolik procent peroxidu vodíku a jodidu draselného z počáteční koncentrace
ubylo v okamžiku, kdy došlo k barevné změně (vezměte v úvahu nejnižší a nejvyšší
použitou koncentraci výchozích látek). Myslíte si, že skutečně stanovujete počáteční
reakční rychlostí?
4. Vysvětlete, jak vzniká zabarvení roztoku jodu v přítomnosti škrobu.
5. S využitím stanovené rychlostní rovnice určete, jak se změní reakční rychlost, když bude
koncentrace jodidu poloviční.
6. S využitím stanovené rychlostní rovnice určete, jak se změní reakční rychlost, když bude
koncentrace peroxidu vodíku poloviční.
7. S využitím stanovené rychlostní rovnice určete, jak se změní reakční rychlost, když bude
koncentrace thiosíranu poloviční.
8. S využitím stanovené rychlostní rovnice určete, jak se změní reakční rychlost, když dojde
ke zředění reakční směsi na dvojnásobný objem.
9. Vysvětlete, jak závisí rychlostní konstanta k na teplotě.
10. Představte si, že byste chtěli své posluchače překvapit přesným načasováním barevné
změny roztoku. S využitím stanovené rychlostní konstanty navrhněte koncentraci peroxidu
vodíku a jodidu draselného, která by vedla k barevné změně po 32 sekundách
(zvolte si, zda v přítomnosti kyseliny sírové nebo acetátového pufru).
11. Nepovinná otázka: Příkladem reakce, u které se dílčí řády nerovnají stechiometrickým
koeficientům, je monomolekulární alifatická substituce SN1. Zopakujte si mechanismus
této reakce, zkuste pro jednotlivé reakce mechanismu napsat rychlostní rovnice a pak vysvětlete,
proč má celková rychlostní rovnice podobu známou z učebnic (rychlost nezávisí
na koncentraci nukleofilu).
76
Demonstrační příprava ethyl-formiátu
Ethyl-formiát, ethylester kyseliny mravenčí (HCOOCH2CH3) lze připravit reakcí kyseliny
mravenčí s ethanolem v přítomnosti bezvodého chloridu vápenatého, který může fungovat
jako Lewisova kyselina a současně odnímá vodu, čímž posunuje reakční rovnováhu ve prospěch
esteru. Reakce probíhá velmi snadno, protože kyselina mravenčí je ve srovnání s ostatními
karboxylovými kyselinami lepší elektrofil – atom uhlíku karbonylu je stericky méně bráněný
a současně více elektrondeficitní.
HCOOH + CH3CH2OH → HCOOCH2CH3 + H2O
Chemikálie:
Kyselina mravenčí (98%), ethanol (98%), bezvodý CaCl2 a 5% vodný roztok Na2CO3.
Pomůcky:
Dvě zkumavky, zátka, chladící prst (lze nahradit zátkou), Pasteurova pipeta nebo kapátko,
stojan na zkumavky a nádoba na vodní lázeň (větší kádinka, hrnec. . . ).
Postup:
• Do zkumavky navážíme 0,5 g práškového bezvodého chloridu vápenatého, přidáme
1,4 cm3 kyseliny mravenčí a 2,2 cm3 ethanolu. Přidáme varný kamínek.
• Zkumavku zazátkujeme nebo do ústí umístíme chladící prst (menší zkumavku naplněnou
studenou vodou). Směs promícháme a zkumavku vložíme na 5 minut do vodní lázně
vyhřáté na cca 60 ◦C. Během zahřívání směs občas promícháme. Pozorujeme, jak na
chladných stěnách zkumavky kondenzuje ester (t.v. = 54 ◦C).
• Přidáme 5 cm3 vody a směs promícháme. Pozorujeme, jak se ve zkumavce oddělují
dvě fáze, horní fáze je tvořena vzniklým esterem, který je nemísitelný s vodou (hustota
ethyl-formiátu je 0,921 g cm−3).
• Pokud chceme demonstrovat i vůni esteru, horní vrstvu ve zkumavce oddělíme pomocí
pasteurovy pipety nebo kapátka do druhé zkumavky a protřepeme s několika cm3 5%
vodného roztoku Na2CO3. Při protřepání dojde k neutralizaci zbytkové kyseliny mravenčí.
Oddělenou vrstvu esteru odebereme pomocí pasteurovy pipety nebo kapátka.
Takto připravený ester je poměrně čistý, obsahuje však vlhkost.
Postup lze modifikovat pro přípravu dalších esterů kyseliny mravenčí s dalšími primárními
stericky nebráněnými alkoholy.
77
Obr. 29: Aparatura pro jednoduchou přípravu ethyl-formiátu. Reakční směs je ve zkumavce
zahřívána vodní lázní. Do ústí zkumavky je vložena zkumavka naplněná studenou vodou, která
funguje jako zpětný chladič. Zkumavka má menším vnější průměr, než je vnitřní průměr větší
zkumavky, a je na ústí větší zkumavky držena ustřiženou pryžovou hadicí.
Fyzikálně-chemické charakteristiky reaktantů a produktů:
Látka Vzorec Mr ρ/(g cm−3) t.v./◦C nd
20
Ethanol C2H6O 46,069 0,789 78,2 1,3611
Kyselina mravenčí CH2O2 46,03 1,22 100–101 1,370
Ethyl-formiát C3H6O2 74,079 0,921 54,0 1,359
Preparativní příprava ethyl-formiátu
Chemikálie:
Kyselina mravenčí (98%), ethanol (98%), bezvodý CaCl2 a nasycený vodný roztok Na2CO3.
Pomůcky:
Destilační aparatury se zábrusy NZ 29 a NZ 14 (destilační nástavec, chladič a alonž), destilační
baňky o objemu 100 cm3, zábrusový teploměr, vodní lázeň (hrnec, krystalizační miska), elektromagnetická
míchačka nebo plotýnkový vařič, odměrný válec, dělicí nálevka, Erlenmeyerova
baňka o objemu 100 cm3, nálevka a varný kamínek (např. drobný porcelánový střep).
Postup:
• V baňce o objemu 100 cm3 s kulatým dnem smícháme 14 cm3 kyseliny mravenčí
s 22 cm3 ethanolu a 5,0 g bezvodého CaCl2. Nezapomeneme do baňky přidat varný
78
kamínek.
• Sestavíme destilační aparaturu dle obrázku, zapneme přívod vody a pozvolna zahříváme
tak, aby destilovala kapalina při teplotě kolem 55 ◦C.
• Destilaci ukončíme v okamžiku, kdy v destilační baňce zůstává destilační zbytek o objemu
cca 10 cm3.
• Destilát v předloze obsahuje malé množství vody a kyseliny mravenčí. Kyselinu mravenčí
odstraníme protřepáním produktu s 10 cm3 nasyceného vodného roztoku Na2CO3
v dělicí nálevce.
• Po oddělení vodné vrstvy vlijeme ester do malé Erlenmeyerovy baňky o objemu 100 cm3
a přisypeme malou lžičku bezvodého CaCl2, který slouží k vysušení produktu.
• Výsledný surový produkt oddělíme od sušidla filtrací a předestilujeme jej v destilační
aparatuře se zábrusy NZ 14.
79
Příprava fluoresceinu
Fluorescein je syntetická organická látka, která má podobu tmavěoranžového až červeného
prášku, který je omezeně rozpustný ve vodě a v alkoholech. Používá se běžně v různých
oborech jako fluorescenční značka, například se jako fluorofor používá běžně ve fluorescenční
mikroskopii, jako aktivní medium v laserech, k detekci krve v soudnictví a serologii a také
jako barvivo při odhalování toku kapalin.
HO OH
O
O
O
O
COOH
OHO
+
H+
resorcinol ftalanhydrid fluorescein
Chemikálie:
Resorcinol, ftalanhydrid, konc. kyselina sírová, vodný roztok NaOH nebo jiné zásady (KOH,
Na2CO3. . . ).
Postup:
V třecí misce rozetřete 200 mg ftalanhydridu s 150 mg resorcinolu a směs přeneste do
zkumavky. Směs ve zkumavce opatrně zahřejte kahanem, až dojde k jejímu rozpuštění (ústí
zkumavky směřujeme do digestoře). Následně opatrně přidejte několik kapek koncentrované
kyseliny sírové a směs promíchejte. Ihned po přidání kyseliny sírové dojde k barevné změně.
Po ochlazení ke směsi ve zkumavce přidejte několik ml roztoku zásady a mícháním reakční
směs v roztoku rozpusťte. Směs následně nalijte do velké nádoby naplněné vodou (velká
kádinka, akvárium). Zvláště experiment vynikne pod UV lampou, která emituje měkké UV
záření.
80
Doplňující otázky:
1. Identifikujte v molekule produktu všechny prekurzory.
2. Nakreslete vzorce forem, ve kterých fluorescein existuje v kyselém a bazickém prostředí.
3. Pozorovateli se může jevit, že roztok fluoresceinu má více barev v závislosti na způsobu
pozorování. Pokud pozorujeme světlo prošlém roztokem, roztok má žluto-hnědou
barvu. Při pozorování odraženého světla se naopak jeví jako jasně zelený. Vysvětlete
tuto proměnlivost barev.
Luminiscence fluoresceinu ve skle kyseliny borité
Kvantový výtěžek fluorescence (tj. podíl emitovaných a absorbovaných fotonů) je silně závislý
na chemickém okolí molekuly, protože vyzáření fotonu fluorescencí není jediná cesta jak se
excitovaná molekula může deexcitovat. Rigidní prostředí obvykle vede ke zvýšení kvantového
výtěžku emise světla a prodloužení doby života excitované molekuly.
O
O
OHHO
O
fluorescein
O
O
OHHO
O
eosin
Br
Br Br
Br
Chemikálie:
Kyselina boritá, fluorescein.
Postup:
Velmi malé množství fluoresceinu rozetřete s kyselinou boritou a vše roztavte nad kahanem
ve zkumavce na žlutozelené sklo. Pak zkumavku nechte vychladnout. Sklovitá hmota vždy po
nasvícení viditelným nebo ultrafialovým světlem několik sekund intenzívně emituje světlo.
Experiment můžete vyzkoušet i s eosinem.
81
Doplňující otázky:
1. Jedná se ve skutečnosti o fluorescenci, nebo fosforescenci?
Chemiluminiscence singletového kyslíku (1
∆g)
Kyslík má velký význam pro veškerý život na Zemi – dikyslík O2, který je běžně přítomen
ve vzduchu kolem nás, je nezbytný pro dýchání a život většiny organismů, ozon O3 pak ve
stratosféře chrání zemský povrch před ionizujícím světelným zářením ze Slunce. Základní
nejstabilnější stav dikyslíku O2 je tripletový, což znamená, že dikyslík je paramagnetický.
Naopak singletový dikyslík je excitovaná forma molekulárního kyslíku, která je i více reaktivní.
Další zajímavou vlastností je jeho schopnost chemiluminiscence, kdy excitované molekuly
vyzařují přebytek energie mimo jiné v podobě fotonů s vlnovou délkou 762 nm.4
Často využívanou metodou přípravy singletového kyslíku je reakce peroxidu vodíku s chlornanem
sodným. Prakticky se reakce provádí zaváděním plynného chloru do koncentrovaného
roztoku NaOH a H2O2 ve vodě. Chlor v roztoku podléhá následujícím reakcím:
Cl2 + 2 NaOH NaClO + NaCl + H2O
NaClO + H2O2 NaClO2 + H2O
Vzniká nestabilní chloritan sodný, který se rozkládá podle rovnice:
NaClO2 *O2 + NaCl
Jedním z možných postupů pro přípravu singletového kyslíku je také reakce polyfenolů
s H2O2 v přítomnosti formaldehydu v bazickém prostředí (Trautzova-Schoriginova reakce).
Jako přírodní zdroj polyfenolů může posloužit zelený čaj. Velkou výhodou tohoto experimentu
je možnost provádět jej mimo digestoř.5
Některé látky mají schopnost zabránit vzniku singletového kyslíku. Jednou z takových
látek je například kyselina askorbová, která je běžně označována jako vitamín C. Schopnost
zhášet chemiluminiscenci singletového kyslíku souvisí s její funkcí v lidském těle. Tato látka
kromě jiných funkcí slouží jako antioxidant, proto je nezbytnou složkou potravy.
Generování singletového kyslíku reakcí NaClO s H2O2
Pomůcky:
Dvouhrdlá (trojhrdlá) baňka, přikapávací nálevka, kádinky, pryžová hadice, skleněná trubička.
Chemikálie:
Manganistan draselný, konc. kyselina chlorovodíková, hydroxid sodný, peroxid vodíku (30 %).
4
Energetický rozdíl mezi singletovým a tripletovým stavem molekuly kyslíku odpovídá fotonu s vlnovou
délkou, která se nachází v infračervené, tudíž člověku neviditelné, části spektra. Aby došlo k vyzáření fotonu
s vlnovou délkou 762 nm, je potřeba, aby se dvě molekuly singletového kyslíku srazily a současně podlehly
zářivému přechodu do základního stavu. Tento mechanismus proto znamená, že intenzita viditelné chemiluminiscence
singletového kyslíku klesá se druhou mocninou jeho koncentrace (parciálního tlaku). Při nízké
koncentraci proto viditelná chemiluminiscence singletového kyslíku nemusí být vůbec patrná, i když při reakcí
vzniká.
5
Více se o mechanismu reakce dočtete v článku Guido Panzarasa and Katia Sparnacci: Glowing Teacup
Demonstration: Trautz–Schorigin Reaction of Natural Polyphenols. J. Chem. Educ. 2012, 89, 10, 1297–1300.
https://doi.org/10.1021/ed200810c
82
Postup:
1. Do dvojhrdlé baňka navažte 16 g KMnO4, na baňku nasaďte přikapávací nálevku, do
které odměřte 65 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Do baňky můžete vložit
rovněž teflonové míchadlo. Baňku umístěte na elektromagnetickou míchačku. Do druhého
hrdla vložte zábrusový nástavec, ke kterému připojte krátký kus pryžové hadice.
2. Do druhého konce pryžové hadice zasuňte skleněnou trubičku dlouhou cca 20 cm, kterou
budete zavádět chlor do směsi NaOH a H2O2.
3. Připravte 250 g 30% roztoku NaOH ve vodě a 50 ml 30% roztoku H2O2.
4. V kádince o objemu minimálně 600 ml smíchejte 100 ml 30% vodného roztoku NaOH
a 50 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Směs pomíchejte a vložte do ní skleněnou trubičku,
kterou budete do směsi zavádět Cl2
5. Z přikapávací nálevky kapejte kyselinu chlorovodíkovou na pevný manganistan draselný
a vznikající chlor zavádějte do připravené směsi. Pozorujte chemiluminiscenci kyslíku.
Poznámka:
Veškeré experimenty s chlorem je potřeba provádět v digestoři. Experiment nejlépe
vynikne v zatemněné místnosti.
Trautzova-Schoriginova reakce
Chemikálie:
Zelený čaj, roztok formaldehydu (36%), peroxid vodíku (30%), uhličitan sodný, kyselina askor-
bová.
Pomůcky:
Kádinky, vařič, tyčinka, indikátorový pH papírek.
Postup:
1. Do kádinky o objemu 400 ml dejte zahřát 250 ml vody na teplotu 100 °C. Do ohřáté
vody vhoďte sáček zeleného čaje, nebo můžete odvážit přibližně 2,5 g sypaného zeleného
čaje. Nechte čaj vylouhovat alespoň asi 5 minut a po uplynutí této doby odstraňte
čajový sáček, nebo v případě sypaného čaje roztok zbavte lístků filtrací, nebo dekantací.
2. Do připraveného čaje přidejte 21 ml roztoku formaldehydu (36%) a 20 g Na2CO3. Směs
nechte za stálého míchání vychladnout na teplotu laboratoře. Po vychladnutí zkontrolujte
hodnotu pH směsi pomocí indikátorového papírku. Hodnota pH by neměla být
nižší než 11.
3. Do dvou kádinek (objem 250 ml) odlijte asi 50 ml připraveného roztoku a do jedné kádinky
přidejte malé množství kyseliny askorbové. Přesuňte kádinky s roztoky tmavé
místnosti a přidejte do každého vzorku 5 ml 30% roztoku H2O2. Roztoky po přídavku
peroxidu pečlivě pozorujte, chemiluminiscence by se měla projevit během několika
sekund slabým červeným zářením (vizte obrázek), které přetrvá několik sekund.
83
Poznámka:
Lepších výsledků lze v Trautzově-Schoriginově reakci dosáhnout použitím sypaného zeleného
čaje oproti čajovému prachu, který je obsažen v čajových sáčcích. Pravděpodobně to souvisí
s vyšším obsahem polyfenolů v sypaném čaji.
Doplňující otázky:
1. Existenci stabilního (tripletového) kyslíku s nespárovanou dvojicí elektronů můžeme
snadno pochopit, když k popisu vazebných poměrů v molekule dikyslíku O2 použijeme
molekulové orbitaly, o nichž si můžeme představit, že vznikají překryvem (kombinací)
orbitalů atomových. Molekulové orbitaly O2 znázorňuje následující obrázek. Doplňte
nejdříve valenční elektrony kyslíku do odpovídajících atomových orbitalů jednoho a druhého
atomu kyslíku v levé a pravé části schématu. Následně těmito elektrony zaplňte
molekulové orbitaly, které vznikly kombinací atomových orbitalů. Označte rovněž orbital(y),
ve kterých lze nalézt nespárované elektrony. Při obsazování se držte pravidel,
která určitě znáte z hodin obecné chemie.
84
2px 2py 2pz
2s
2px2py2pz
2s
σ2s
σ2s*
σ2pz
σ2pz*
π2px y
π2p
π2px y
π2p**
E
O O
O2
2. Aby toho nebylo málo, existují dva singletové kyslíky – první, který se odborně označuje
jako 1∆g a leží 95 kJ mol−1 výše nad tripletovým stavem, a druhý (1Σ+
g ), který je ještě
„více excitován“, protože je bohatší o 158 kJ mol−1 oproti tripletovému kyslíku. Do
schématu molekulových orbitalů O2 z předchozího úkolu nakreslete elektronové konfigurace
(uspořádání elektronů) těchto dvou singletových kyslíků a konfiguracím správně
značky 1∆g a 1Σ+
g .
85
Stanovení obsahu vitaminu C v přírodním materiálu
Pomůcky:
Struhadlo, lžička, plastové kelímky, filtrační papír, sítko, kapátko, váhy.
Přírodní materiál:
Brambory, petržel, pomeranče, kiwi, jablka, banány, citrony a další přírodní materiál.
Chemikálie:
Jodová desinfekce Betadine, tabletky vitaminu C s obsahem 100 mg vitaminu C, 1% roztok
škrobu.
Než začnete pracovat
Vzpomeňte si, co jste slyšeli nebo víte o vitaminu C. Zapište do volného prostoru pod
otázkou aspoň dvě různé informace.
Vzpomeňte si, co jste slyšeli nebo víte o škrobu. Zapište do volného prostoru pod otázkou
aspoň dvě různé informace.
Test činidel
Pro dnešní badatelský počin máte k dispozici činidla uvedená výše na této stránce. Nyní
se pokuste provést vzájemné reakce mezi jednotlivými činidly. Výsledky reakcí popište.
• Do roztoku roztoku škrobu přikapejte několik kapek roztoku vitaminu C:
• Do roztoku škrobu přikapejte několik kapek dezinfekčního roztoku Betadine:
• Do roztoku vitaminu C přikapejte několik kapek dezinfekčního roztoku Betadine:
86
• Do roztoku vitaminu C přidejte roztok škrobu a následně přikapávejte dezinfekční roztok
Betadine, dokud nedojde k výrazné změně:
Pokuste se na základě předchozího pozorování vyslovit hypotézu, jak se chová jod k vitaminu
C:
Návrh a provedení experimentu s vitaminem C
Na základě předchozí hypotézy, jak reaguje vitamin C s jodem se pokuste navrhnout,
jak byste prakticky stanovili, kolika mg vitaminu C odpovídá jedna kapka jodové desinfekce
Betadine. Popište navrhovaný postup s pomůckami a činidly, které máte k dispozici:
Navrhněte experiment, kterým lze prokázat, že mezi množstvím vitaminu C ve vzorku a
počtem kapek existuje přímá úměra:
Prakticky proveďte navržený experiment a stanovte, kolika mg vitaminu C odpovídá jedna
kapka jodové desinfekce Betadine.
87
Zamyslete se, jak se vám stanovení podařilo a co byste podruhé udělali jinak.
Určení množství vitaminu C v přírodním materiálu
Na základě předchozích experimentů a pozorování se pokuste navrhnout, jak by se dal
stanovit obsah vitaminu C v ovoci a zelenině. Podívejte se rovněž velmi dobře na pomůcky,
které máte k dispozici. Návrh vašeho postupu popište níže.
Dohodněte se ve skupině a vyberte si 2 druhy ovoce či zeleniny, ve kterých se pokusíte
stanovit obsah vitaminu C za pomoci vašeho návrhu. Popište, jak experimenty proběhly a
k jakým výsledkům jste došli.
Zamyslete se, jak se vám stanovení podařilo a co byste podruhé udělali jinak.
88
Porovnejte vaše změřené obsahy vitaminu C s průměrnými hodnotami obsahu vitaminu
C v potravinách. Pokuste se vysvětlit, co by mohlo způsobit rozdíly mezi vašimi naměřenými
hodnotami a průměrnými hodnotami.
Závěr
Zformulujte závěr z dnešního laboratorního cvičení.
Průměrné obsahy vitaminu C v ovoci a zelenině
Ovoce nebo Obsah vitaminu C Ovoce nebo Obsah vitaminu C
zelenina (mg / 100 g plodiny) zelenina (mg / 100 g plodiny)
Zelí bílé 39 Pomeranč 51
Zelí červené 51 Meruňky 11
Květák 69 Kiwi 71
Paprika červená 150 Jahody 67
Pórek 24 Jablka 9
Rajčata 25 Grep 43
Křen 120 Citron 49
Cibule 43 Banány 11
Brokolice 114 Černý rybíz 166
Okurka 10 Červený rybíz 35
Nať celeru 89 Hrozny bílé 4
Petržel 67 Mandarinky 32
Brambory 30 Šípky 747
89
Komentář:
Roztok škrobu v domácích podmínkách připravte smísením zarovnané kávové lžičky škrobu
s cca 400 ml studené vody a následně zahřejte směs za míchání téměř k varu. Roztok škrobu
pak nechte vychladnout na pokojovou teplotu.
Počet kapek roztoku dezinfekce potřebných na „ztitrování“ vitaminu C obsaženého v jedné
tabletě celaskonu (100 mg) je poměrně velký. Proto je vhodné tabletku rozpustit v definovaném
objemu vody, roztok důkladně promíchat a následně k titraci odebrat alikvot.
Vlivem látek přítomných v rostlinné šťávě nemusí dojít po překročení bodu ekvivalence
k přechodu na typicky modré zabarvení. Přechod také nemusí být ostrý. Dojde však k výrazné
barevné změně.
Doplňující otázky:
1. Dezinfekce Betadine je poměrně drahá. Jakým činidlem byste ji mohli nahradit?
2. Jaké je chemické složení dezinfekčního roztoku Betadine?
90
Bělící složky pracích prášků
Prací prášky obsahují řadu chemických látek. Podle jejich funkce je můžeme rozdělit do následujících
kategorií:
• Plnidla (nejčastěji síran sodný, Na2SO4), která zaručují sypkost pracího prášku a navyšují
jeho objem, což má zejména marketingový důvod.
• Změkčovače, které odstraňují tvrdost vody a zajišťují tak lepší prací účinky (uhličitan
sodný, hydrogenuhličitan sodný, zeolity, případně fosforečnany).
• Bělicí látky (peroxouhličitan či peroxoboritan sodný), které zajišťují bělicí účinky pracího
prostředku.
• Aktivátory (nejčastěji TAED – tetraacetylethylendiamin), které aktivují peroxosloučeniny,
dochází tak k rovnoměrnějšímu rozkladu bělidel.
• Detergenty (alkylbenzensulfonáty apod.), které odstraňují nepolární nečistoty.
• Aromata, enzymy a další látky (například optické zjasňovače).
My se v úloze budeme věnovat bělidlům na bázi peroxosloučenin, konkrétně peroxouhličitanu
sodnému.
Příprava peroxouhličitanu sodného
Peroxouhličitan sodný je látka, která v roztoku uvolňuje peroxid vodíku a vyvíjí tak tzv.
aktivní kyslík, který je vlastně hlavním bělicím agens. Využívá se jí zejména v pracích a
bělicích prostředcích, jejichž působení je založeno právě na bělení aktivním kyslíkem.
Správný název peroxouhličitanu sodného, který reflektuje jeho strukturu, je seskviperoxohydrát
uhličitanu sodného (Na2CO3 · 3/2H2O2). Peroxouhličitan sodný je bílá, ve vodě
rozpustná látka, která se ve vodě rozkládá na své komponenty. Dá se jednoduše připravit
syntézou z roztoku peroxidu vodíku a uhličitanu sodného:
2 Na2CO3 + 3 H2O2 −→ 2 Na2CO3 · 3/2H2O2
Chemikálie a materiál:
Uhličitan sodný bezvodý Na2CO3, peroxid vodíku H2O2 (30% roztok), ethanol.
Postup:
1. Do kádinky o minimálním objemu 250 cm3 odměřte 50 cm3 destilované vody.
2. Do malé kádinky o objemu 250 cm3 odvažte 10,6 g uhličitanu sodného. Uhličitan následně
za stálého míchání rozpusťte v odměřeném množství vody.
3. Do odměrného válce si opatrně (za pomoci nálevky) odměřte 16 cm3 30% roztoku
peroxidu vodíku (Pozor! Koncentrovaný H2O2 je žíravina, která zanechává na
pokožce bolestivé bílé skvrny!).
4. Do připraveného roztoku uhličitanu sodného v kádince opatrně vlijte peroxid vodíku a
asi minutu intenzivně míchejte.
91
5. Připravenou směs, která již obsahuje peroxouhličitan sodný, ochlaďte nejdříve ve vodní
lázni a následně v lázni voda-led, dokud nebude mít směs v kádince teplotu ledové lázně.
6. Během chlazení si sestavte aparaturu pro filtraci za sníženého tlaku. Produkt odfiltrujte
na Büchnerově nálevce, promyjte cca 20 cm3 ethanolu a nechte cca 5–10 minut prosávat
vzduchem.
7. Nakonec produkt usušte na vzduchu nebo v sušárně při teplotě 40 °C a zvažte.
Doplňující otázky:
1. Stanovte praktický výtěžek produktu a vyjádřete jej také v procentech z teoretického
výtěžku.
2. Co je to tzv. aktivní kyslík a k čemu v pracích prostředcích slouží?
Látka Vzorec M/(g mol−1) ρ/(g cm−3)
Peroxid vodíku H2O2 34,01 1,11
Uhličitan sodný Na2CO3 105,99 –
Uhličitan sodný Na2CO3 · 3/2H2O2 157,01 –
seskviperoxohydrát
Analýza připraveného peroxohličitanu a pracích prášků
Peroxouhličitan sodný se poměrně dobře rozpouští ve vodě, v roztoku se pak pomalu rozkládá
na své komponenty:
2 Na2CO3 · 3 H2O2 −→ 2 Na2CO3 + 3 H2O2
Peroxid vodíku má oxidační i redukční účinky a pomocí těchto svých účinků se dá také
dokázat. Kápneme-li do roztoku, který obsahuje jodid draselný a škrob, oxiduje peroxid vodíku
I− na žlutý až hnědý roztok jodu.
H2O2 + 2 I− −→ I2 + 2 OH−
Jod lze v roztoku specificky dokázat tím, že tvoří s roztokem škrobu intenzivně modře
zbarvený inkluzní komplex. Důkaz lze provádět v roztoku, případně pomocí jodoškrobového
papírku.
Další možností, jak v produktu dokázat peroxid vodíku je jeho rozklad na kyslík pomocí
oxidu manganičitého. Ten katalyzuje rozklad peroxidu vodíku na vodu a kyslík.
2 H2O2 −→ 2 H2O + O2
Podobně se dá peroxouhličitan sodný dokázat i v běžném pracím prášku (např. Lanza).
Chemikálie a materiál:
Připravený peroxouhličitan sodný, prací prášek s bělícími účinky, oxid manganičitý MnO2
pevný (burel), jodid draselný KI (10% vodný roztok), 1% roztok rozpustného škrobu ve vodě.
92
Postup:
1. Připravte roztok přibližně 1 g vámi připraveného peroxouhličitanu sodného ve 20 cm3
demineralizované vody. Analogicky rozpusťte asi 1 g pracího prášku ve 20 cm3 demineralizované
vody.
2. Do tří zkumavek nalijte několik mililitrů roztoku škrobu a přibližně 1 ml 10% roztoku
KI. K roztoku v první zkumavce přidejte několik kapek roztoku pracího prášku, do druhé
roztok peroxouhličitanu sodného a do poslední přidejte několik kapek demineralizované
vody. Roztoky ve zkumavce promíchejte a pozorujte barevnou změnu.
3. Ke vzorku roztoku pracího prášku, peroxouhličitanu a do čisté vody ve zkumavce přidejte
špetku pevného MnO2. Roztok ve zkumavce promíchejte a pozorujte nastalou změnu.
Komentář:
Do pracích prášku se také přidávají tzv. optické zjasňovače. Jedná se o látky, které absorbují
UV složku slunečního záření a následně modře fluoreskují. Díky tomuto efektu se prádlo jeví
bělejší. Pokud máme k dispozici UV lampu emitující měkké ultrafialové záření (zkoušeč pravosti
bankovek, UV lampa používaná k iniciace gelových nehtů), lze pozorovat fluorescenci
optických zjasňovačů obsažených ve vzorku pracího prášku. Fluorescenci také můžeme pozorovat
na bílém oblečení, které bylo nedávno vypráno.
Doplňující otázky:
1. Je odbarvení roztoku roztoku manganistanu draselného v kyselém prostředí specifickým
důkazem peroxidu vodíku? Pokud není, uveďte látky, které by tuto reakci mohly také
poskytnout.
2. Jak byste prokázali, že rozkladem peroxidu vodíku za katalýzy oxidem manganičitým
vzniká kyslík?
3. Navrhněte, jakým způsobem byste mohli kvantitativně stanovit obsah peroxidu vodíku
ve vámi připraveném produktu?
Elektrolýza v pipetě
Následující experiment s elektrolýzou vodného roztoku NaCl pomocí železných elektrod je
nenáročný na vybavení, lze jej provést v učebně a zručnější žáci si jej mohou provést sami.
Elektrolýzou se uvolňuje vodík, který lze zapálit. Množství vodíku je však tak malé, že nehrozí
nebezpečí úrazu.
Pomůcky:
Dvě kádinky nebo kelímky, dražák na baterii a baterie (ideální je 9 V), dvě krokosvorky
s vodiči, plastová Pasteurova pipeta, dva kolíčky na prádlo, dva špendlíky, PVC hadička
(průměr cca 4 mm).
93
Chemikálie:
Chlorid sodný (kuchyňská sůl), saponát na mytí nádobí.
Postup:
1. Připravíme koncentrovaný roztok NaCl ve vodě a roztok saponátu ve vodě.
2. Plastovou pipetu naplníme roztokem NaCl ve vodě.
3. Pipetu propíchneme dvěma špendlíky cca 1 cm od sebe. Špendlíky by se neměly dotýkat.
94
4. Na konec pipety nasadíme přibližně 20 cm dlouhý kousek kousek PVC hadice. Ze dvou
kolíků na prádlo pak setrojíme stojan. Pipetu a stojan upravíme tak, aby konec hadičky
zasahoval pod hladinu roztoku saponátu v kádince nebo kelímku.
5. Na špendlíky připojíme pomocí krokosvorek zdroj napětí. Je vhodné, aby horní elektroda
byla katoda a níže byla anoda. V pipetě se začnou uvolňovat bubliny plynu. Plyn
hadičkou postupuje do roztoku saponátu a začne vytvářet pěnu.
6. Necháme elektrolýzu probíhat cca 3 minuty, než uvolněný vodík vytlačí zbyteky vzduchu
z trubičky a hadičky. Následně můžeme zkusit vodík nahromážděný v pěně zapálit hořící
špejlí nebo zápalkou. Bubliny slabě štěknou. Uvolněná energie je natolik malá, že však
nehrozí popálení žáků.
7. V pipětě můžeme pozorovat, že na katodě se vyvíjí plyn, kdežto kolem anody se tvoří
nažloutlý roztok, který stykem s horní částí náplně pipety tvoří šedo-zelenou sraženinu.
95
8. Na konci experimentu vytýhneme z pipety oba špendlíky, opláchneme je a pozorujeme.
Katoda je téměř by měla být téměř nezměněná, anoda se však během elektrolýzy roztoku
rozpouštěla.
Poznámka:
Součásti aparatury k tomuto experimentu lze zakoupit v obchodech s elektromateriálem
a hobbymarketu (plastová hadice). Následující tabulka shrnuje cenu materiálu pro jednu
aparaturu.
Součástka Cena
Krokosvorka (2 ks) 9,22 Kč
Držák baterie 9,11 Kč
Dvě svorky z lámací svorkovnice (14 Kč/12 svorek) 2,33 Kč
20 cm PVC hadice o průměru 4 mm, tloušťka stěny 1 mm (25 Kč/m) 5,00 Kč
Dva kolíčky na prádlo (45 Kč/24 ks) 3,75 Kč
Plastová Pasteurova pipeta (330,33 Kč/500 ks) 0,66 Kč
Celkem 30,07 Kč
Doplňující otázky:
1. Chemickými rovnicemi zapište děje, které se odehrávají při elektrolýze vodného roztoku
NaCl na železné katodě a anodě. Co je produktem rozpouštění anody?
2. Vysvětlete vznik žlutě zbarveného roztoku v prostoru anody a také vznik šedo-zelené
sraženiny.
Jednoduchá elektrolýza roztoku NaCl na grafitových elektro-
dách
Elektrolýzu vodného roztoku NaCl na grafitových elektrodách lze jednoduše uskutečnit s využitím
dvou tužek, 9V baterie a kousku vlnité lepenky. Experiment vyžaduje minimum vybavení,
je rychlý a také je poměrně bezpečný. Při elektrolýze tohoto roztoku dochází na záporně
nabité elektrodě k redukci H+ na molekulu H2:
2 H+ + 2 e− −→ H2
Na kladně nabité elektrodě dochází k oxidaci chloridových anionů za vývoje Cl2:
2 Cl− − 2 e− −→ Cl2
96
Chemikálie a materiál:
NaCl, dvě grafitové tužky, baterie 9V, kus vlnité lepenky.
Postup:
• Tužky ořežeme na obou koncích. Obě tužky by měly být přibližně stejně dlouhé.
• Do kusu kartonu uděláme dvě díry ve vzdálenosti přibližně 1,3 cm. Otvory by měly mít
menší průměr, než je vnější průměr tužky. Jednu i druhou tužku otvory prostrčíme.
• Do nádoby (kádinka, sklenice) nalijeme koncentrovaný nebo nasycený roztok NaCl ve
vodě. Na sklenici položíme kus lepenky a nastavíme výšku špiček tužek tak, aby zasahovaly
do roztoku a byly ve stejné výšce.
• Póly 9V baterie se dotkneme grafitových špiček tužek nad hladinou. Ihned pozorujeme
vznik bublinek plynu na jedné i druhé elektrodě.
• Chlor vznikající při elektrolýze lze prokázat i po krátké době elektrolýzy na základě jeho
charakteristického zápachu, případně jej lze prokázat pomocí navlhčeného jodoškrobového
papírku, který vložíme do prostoru pod lepenkou (případně do roztoku).
Doplňující otázky:
1. Uveďte, jak byste definovali anodu a katodu.
2. Jaké je znaménko náboje katody v elektrochemickém článku a při elektrolýze vnějším
zdrojem napětí?
97
Pozorování mikroplastů
Mikroplasty jsou plastové částice velké 1 µm–5 mm, které se do prostředí dostávají rozkladem
plastů, ale také ojížděním pneumatik, praním syntetického prádla nebo z kosmetiky. Dnes je
můžeme nalézt téměř všude – ve vodě, půdě, ale i v lidských orgánech. V tomto experimentu
budeme pozorovat mikroplasty vznikající při praní oděvů ze syntetických materiálů.
Pomůcky:
Kádinky, filtrační papír, nálevka, filtrační kruh, silonka, podložní a krycí sklíčko, mikroskop,
mobilní telefon, vzorek vody vytékající z pračky při praní oděvu ze syntetických vláken.
Postup:
1. Vzorky vody odeberte v průběhu praní polyesterového oblečení z odtoku pračky.
2. Vzorky poté filtrujte přes materiály s klesající velikostí otvorů – začněte silonkou, pak
zařaďte textilní kapesník a na závěr filtrační papír.
3. Zachycená vlákna přeneste na podložní sklíčko s kapkou vody, přiklopte vzorek krycím
sklíčkem a pozorujte jej pod mikroskopem.
4. Vlákna vyfoťte a pokuste se odhadnout jejich velikost. Pro určení velikosti vláken můžete
použít mikroskopové měřítko.
Obr. 30: Filtrační aparatura pro kaskádovou filtraci vzorku vody s mikroplasty. Vrchní filtr
je ze silonky, prostřední z látkového kapesníku a spodní z filtračního papíru.
98
Výroba plastu z mléka
Mléko se k výrobě plastu využívalo už od konce 19. století. Galalit, neboli mléčný kámen, se
vyráběl z kaseinu, který se máčel ve vodném roztoku formaldehydu.
Kaseiny jsou fosfoproteiny, které se nacházejí v savčím mléce ve formě kaseinových komplexů
a micel. Hlavní složkou jsou α-kaseiny, v menší míře pak β-kaseiny a κ-kaseiny, které
tvoří micely prostřednictvím vápenatých iontů a fosfátových skupin. Kasein, stejně jako ostatní
proteiny, může za určitých podmínek podléhat denaturaci. Tedy procesu, kdy zůstává zachována
primární struktura bílkovin (pořadí aminokyselin), ale dochází ke ztrátě prostorové
struktury molekuly a tím pádem její funkce. V tomto případě denaturace probíhá změnou pH
přidáním kyseliny (tedy změnou náboje, při pH = 4,6, což je izoelektrický bod kaseinu), což
způsobí rozpad kaseinových micel. Denaturovaný kasein vytváří sraženiny, které jsou ve vodě
nerozpustné, tím pádem snadno odfiltrovatelné.
Chemikálie:
Odtučněné mléko, citronová šťáva, případně potravinářské barvivo.
Pomůcky:
Kádinka (250 ml), elektromagnetická míchačka/kahan, skleněná tyčinka, teploměr, odměrný
válec, papírová utěrka/filtrační papír, formička/vykrajovátko, Petriho miska.
Postup:
1. 200 ml odtučněného mléka nalijte do 250ml kádinky.
2. Na elektromagnetické míchačce zahřívejte směs do 60 °C a míchejte ji.
3. Případně přidejte potravinářské barvivo.
4. Po dosažení 60 °C přerušte zahřívání mléka a přidejte 12 ml citronové šťávy.
5. Směs pomalu míchejte tyčinkou, dokud se nevyloučí sraženina.
6. Kádinku nechte stát několik minut, aby se sraženina usadila.
7. Směs poté dekantujte a přefiltrujte zbytek přes sítko/látku.
8. Z hmoty vymačkejte co nejvíce tekutiny a v rukou ji lehce promačkejte.
9. Rozprostřete si hmotu na stole a vytvořte z ní pomocí formičky výrobek o určitém tvaru.
10. Výrobky přeneste na Petriho misku, kterou dejte na teplé topení. Nechte výrobky sušit
asi 1 hodinu.
11. Poté výrobky sundejte z topení a nechte ještě další 2 dny schnout na vzduchu při pokojové
teplotě.
99
Biodegradabilní plasty
I přes všeobecnou prospěšnost plastů vyráběných z ropy jsou v poslední době důsledky jejich
produkce čím dál více patrné, příkladem může být velká pacifická skvrna z většiny vytvořená
právě plasty. Mnoho států se snaží předcházet znečištění prostředí plasty a snižují produkci
především jednorázových plastů již u zdroje. Důležité je také zamezit úniku plastů do prostředí
a správně nakládat s plastovým odpadem. V tomto směru má ekonomický i environmentální
smysl post-konzumní recyklace (Andrady, 2009; Andrady, 2015, s. 299; Alabi et al., 2019,
Thompson et al., 2009).
V poslední době se zvýšil zájem o polymery vyrobené z obnovitelných zdrojů, tzv. bio-plasty
a také materiály které jsou biodegradabilní, jsou citlivé na enzymatické působení dekompozičních
organismů. Tato tendence je částečně v souladu s konceptem molekulárního
redesignu zelené chemie a jedná se o cestu vedoucí k cirkulární ekonomice využívající odpad
jako vstupní surovinu další výroby nebo jako zdroj energie (Shogren et al., 2019). Jednou
z možností získávání bio-plastů je proto využití přírodních polymerů, které se chemicky nebo
fyzikálně dále upravují s cílem zlepšit nebo významně upravit jejich přirozené vlastnosti (Gandini,
& Lacerda, 2015; Kalia, Raizada, & Sonakya, 2000).
Obr. 21: Škrob zesíťovaný pomocí glycerolu a kyseliny citronové (vytvořeno dle Seligra et
al. 2016).
Jednou z využívaných surovin pro výrobu široké škály biomateriálů je snadno dostupný
polysacharid, škrob. U škrobu se využívá struktury jeho dvou hlavních složek amylopektinu
a amylosy. Tyto polysacharidy nesou hydroxylové skupiny, které umožňují tvorbu vodíkových
vazeb a tím vznik základní matrice. Její vznik může být podpořen přidáním zesíťujících látek.
Příkladem takové látky je kyselina citronová. V případě, že se k ní přidá glycerol vzniká nejdřív
ester kyseliny citronové a glycerolu, který pak reaguje s -OH skupinami polysacharidů, čímž
100
dochází k zesíťování a vylepšení vlastností výsledného materiálu, viz obrázek 28 (Seligra et al.,
2016). Další cestou, jak upravit některé vlastnosti škrobových plastů je přidáním organických
nebo anorganických plnidel, které zlepšují např. odolnost proti vodě, mechanickou odolnost,
pevnost v tahu aj. (Jiménez et al., 2012; Özdamar & Ates, 2018).
Dalším zajímavým polysacharidem je alginát. Je součástí buněčných stěn hnědých řas a
jeho základními stavebními jednotkami jsou α-d-mannuronát (M) a β-l-guluronát (G), které
jsou vzájemně spojovány 1→4 glykosidickou vazbou a společně se podílí na stavbě řetězce.
Alginát má schopnost reagovat s polyvalentními kovovými kationty, především kationtem
vápenatým, za vzniku málo rozpustných polymerů. Ty jsou netoxické, biodegradabilní a biokompatibilní
a vyrábí se z něj např. folie (Tavassoli-Kafrani, Shekarchizadeh, & MasoudpourBehabadi,
2015).
Alginátové špagety
Chemikálie a materiál:
2% vodný roztok alginátu sodného, 10% vodný roztok NaCl, 10% vodný roztok CaCl2 a 20%
vodný roztok Na2CO3.
Pomůcky:
Čtyři kádinky (50 ml), skleněná tyčinka, pipeta, lžíce a odměrný válec.
Postup:
• Do kádinek si připravte potřebné roztoky.
• Odměřte 10 ml roztoku alginátu a nalijte ho do roztoku NaCl.
• Stejný postup opakujte s CaCl2.
• V jednom případě vznikají alginátové „špagety“, pinzetou je vyjměte a přeneste je do
roztoku Na2CO3. Pozorujte a zapište co se děje. Vysvětlete to.
• V průběhu celého pokusu pozorujte změny a zapište je.
101
Doplňující otázky:
1. Navrhněte vysvětlení pozorovaného chování alginátu v NaCl a CaCl2. Při vysvětlení
použijte následující schéma, do kterého doplňte přístušné ionty.
Alginát v NaCl:
Alginát v CaCl2:
Plast ze škrobu
Chemikálie a materiál:
Škrob, kyselina citronová, glycerol, suchý kávový lógr.
Pomůcky:
Kádinka (400 ml), skleněná tyčinka, odměrný válec, Petriho misky (nebo lépe nádoba s teflonovým
povrchem), váhy, vařič nebo kahan s varným kruhem a azbestovou síťkou
Postup:
• Smíchejte v kádince 3 g škrobu a 57 ml vody.
• Do této směsi přidejte cca 1,8 g glycerolu a 0,3 g kyseliny citronové.
• Směs za stálého míchání zahřívejte (kahanem nebo na vařiči). Pozor na možné připečení
směsi na dno. V případě použití kahanu si dejte pozor na možnost vznícení rukávu
laboratorního pláště.
102
• V okamžiku, kdy směs začne vřít, zastavte zahřívání a nalijte ji do Petriho misky (nebo
lépe nádoby s teflonovým povrchem) ve vrstvě asi 1 cm.
• Směs v Petriho miskách nechte do příští hodiny vyschnout, při cca 50 °C (na topení).
• V případě zájmu můžete také prozkoumat vliv poměru vstupních komponent na vlastnosti
vzniklého produktu. Postup opakujte se stejným množstvím škrobu a vody, ale
rozlišným množstvím glycerolu a kyseliny citronové, případně připravte roztok pouze
ze škrobu a vody, případně do směsi přidejte kávový lógr. Přidané množství přídavných
látek si zapisujte a jednotlivé verze, nalité na Petriho misky, pečlivě označte.
• Zapište si změny, které jste pozorovali při zahřívání směsí.
• Nechte vyschnout a poté jednotlivé vzorky mezi sebou porovnejte.
• Namočte je do teplé vody, zkuste je roztrhnout, porovnejte je s jinými, na ropě založenými
plasty.
Výroba plastu ze směsi alginát-chitosan
Další přírodní polymery, které se mohou použít na výrobu plastu, jsou chitosan a alginát. Chitosan
vzniká deacetylací chitinu, což je polysacharid, který se nachází ve schránkách korýšů.
Alginát sodný se hojně vyskytuje v hnědých řasách, kde tvoří až 40 % jejich sušiny. Kromě
těchto dvou polymerů potřebujeme ještě kyselinu mléčnou, chlorid vápenatý, vodu a případně
potravinářské barvivo.
Chitosan díky působení slabé kyseliny (například kyseliny mléčné) protonuje své NH2
skupiny a vzniká amoniová skupina NH+
3 . Skupina NH+
3 pak tvoří vodíkové můstky s OH
skupinami na jiném řetězci chitosanu. Takto vzniklý polymer je velmi rozpustný ve vodě a
také pružný.
Alginát nese mnoho karboxylových skupin, je tak schopen tvořit vazby karboxylátů s vápenatými
kationty z prostředí. Vápenatý kation je schopen vázat více karboxylátových aniontů,
může tak dojít k zasíťování. Molekuly vody se zachytí mezi vlákna sítě a vzniká tak hydrogel.
Po odlití přebytku roztoku vápenatých iontů a po odpaření vody vznikne tvrdší a křehčí plast.
Chemikálie a materiál:
Chitosan, alginát sodný, kyselina mléčná (1% roztok), vodný roztok chloridu vápenatého
(0,1M-CaCl2), případně potravinářské barvivo.
Pomůcky:
Kádinka (250 ml), odměrný válec (100 ml), lžička, skleněná tyčinka, 4 Petriho misky, pipeta,
navažovací lodička, váhy.
Postup:
• Navážte si 1,5 g chitosanu a 1,5 g alginátu sodného, obě látky poté smíchejte.
• Do kádinky (250ml) nalijte 100 ml vody, případně přidejte potravinářské barvivo.
• Velmi pomalu přisypávejte směs chitosanu a alginátu do kádinky a míchejte směs skleněnou
tyčinkou (přisypávejte po dobu 4–5 minut).
103
• Po přisypání celého množství míchejte dalších 10 minut, dokud nebude všechen prášek
rozmíchán.
• Do dádinky se směsí přidejte 100 ml 1% kyseliny mléčné a pokračujte v míchání další
tři minuty.
• Směs nalijte do 4 Petriho misek (tloušťka hmoty 1 cm), s miskami naklánějte, aby se
gel dostal až k okrajům misky.
• Misky nechte 5 minut stát.
• Poté pomocí pipety nakapejte do každé misky takové množství 0,1M-CaCl2, aby byl
povrch celý pokrytý roztokem. Takto misky nechte stát přibližně 15 minut.
• Roztok chloridu vápenatého poté odlijte a misky dejte na místo, kde budou 4–6 dnů
schnout při pokojové teplotě.
• Vzniklou folii sloupněte a pozorujte
Poznámka:
Chitosan se prodává jako potravinový dopněk, alginát sodný nachází velké využití v potravinářství
a je možné jej zakoupit v obchodech zaměřených na potravinářskou chemii.
Při nalévání směsi do formy je důležité, aby byla směs rozlita až ke krajům (i do výšky),
jinak může dojít ke zkroucení výsledné folie.
Doplňující otázky:
1. Do obrázku níže zakreslete interakce, které během pokusu vznikají (doplňte vápenaté
kationty).
2. Vyrobenou folii srovnejte s folií z klasického plastu (HDPE, LDPE, měkčený PVC).
Zaměřte se na rozpustnost ve vodě, pevnost a průhlednost.
104
Třpytivé žížaly z pektinu
Tento hravý pokus ocení hlavně děti. Potravinářská surovina jménem pektin se vám před
očima změní z rozpuštěné látky na gel. Stačí k tomu roztok kyseliny citronové a trochu třpytek
pro obarvení.
S pektinem jste se už jistě potkali, dokonce jste ho nejspíš i jedli. Pektin získávaný z citrusových
plodů nebo jablek se totiž přidává do džemů, aby lépe tuhly. V přírodě je nesmírně
důležitý jako jedna z hlavních složek, které tvoří stěny rostlinných buněk.
Chemicky je pektin směs několika složitých polysacharidů, jejichž řetězce jsou poskládané
z různých jednoduchých cukrů. Zajímavé je, že roztok pektinu ve vodě můžeme snadno změnit
na tuhou hmotu – takzvaný gel. V kyselém prostředí se změní chemické vlastnosti molekul
pektinu a z roztoku vznikne pevný gel. Ten je nejdřív poměrně měkký, ale postupně tuhne.
Chemikálie a materiál:
Čistý pektin (například jablečný nebo citrusový), kyselina citronová, barevné třpytky (glitry)
několika barev.
Postup:
• Do jedné větší nádoby nalijte teplou vodu (objem záleží na vás, pro jeden experiment dostačuje
cca 100 ml). Za stálého míchání lžící rozmíchejte ve vodě pektin, a to v množství
6 gramů na 100 ml vody.
• Pektin nejspíš vytvoří žmolky, které se ale po delší době rozpustí. Nechte proto nádobu
stát alespoň 2–3 hodiny při pokojové teplotě a její obsah čas od času důkladně zamíchejte
lžící. Pektin se dokonale rozpustí a vytvoří viskózní roztok bez žmolků.
• Takto připravený roztok pektinu můžete obarvit. Rozlijte ho do několika menších nádobek,
přisypte do nich barevné třpytky a důkladně je zamíchejte do pektinu.
• Do druhé větší nádoby si připravte 10% roztok kyseliny citronové (tzn. 10 gramů kyseliny
citronové na 90 ml vody). Dejte pozor, aby se vám roztok nedostal do očí!
• Roztok pektinu kapejte Pasteurovou pipetou či kapátkem nebo pomalu lijte z malé
nádobky do 10% roztoku kyseliny citronové. Pipetu nebo kapátko musíte držet nad hladinou,
nesmíte je ponořit do roztoku kyseliny – to by vám v nich pektin zatuhl. Pokud
nemáte k dispozici kapátko, lze se inspirovat zdobením vánočních perníčků. Suspenzi
třpytek lze přelít do mikrotenového sáčku na svačinu a pak ustřihnout roh sáčku. Při
zatlačením suspenze do tohoto rohu začne směs vytékat tenkým proudem. Když budete
roztok pektinu kapat po jednotlivých kapkách, ztuhne na drobné čočkovité útvary.
Pokud ho budete lít souvislým proudem, dokážete vyrobit i „žížaly“.
105
Obrázek č. 31: Třpytivé žížaly vzniklé zgelovatěním roztoku pektinu v roztoku kyseliny
citronové.
Komentář:
Použijte dostatečně jemné třpytky. Příliš velké by vám ucpaly ústí pipety nebo kapátka,
případně by směs s nimi nešla vůbec nasát.
Některé druhy třpytek můžou poškrábat sklo. Použijte proto na směsi pektinu se třpytkami
nádoby, u kterých vám nebude vadit, že se poškrábou (například plastové kelímky nebo staré
zavařovací sklenice místo krásných nových kádinek).
Třpytky mají sklon už po několika minutách buď klesat ke dnu nádoby s roztokem pektinu,
nebo naopak stoupat ke hladině. Směs proto musíte často a důkladně míchat.
Pektin přechází z roztoku na gel nejen okyselením, ale také reakcí s vápenatými ionty.
Podobného výsledku proto dosáhnete, když budete roztok pektinu kapat do 2,5% roztoku
laktátu vápenatého (2,5 gramu na cca 100 ml vody) nebo jiné vápenaté soli. Výsledný gel
bude dokonce o něco tužší a odolnější. Laktát vápenatý se používá jako přísada do potravin.
Prodávají ho některé e-shopy s potravinářskými surovinami. Rozpustné vápenaté soli prodává
také firma Fichema https://fichema.cz/.
Doplňující otázky:
1. Zjistěte, které monosacharidy jsou dominantními složkami pektinu a napište jejich Haworthovy
nebo perspektivní vzorce.
2. Ke zgelovatění roztoku pektinu dochází zvláště dobře v kyselém prostředí v přítomnosti
monosacharidů. Pokuste se navrhnout vysvětlení tohoto procesu pomocí chemických
reakcí.
3. Ke gelovatění pektinu dochází i v přítomnosti vápenatých iontů. Opět navrhněte chemické
vysvětlení.
4. Při kvašení ovoce pro výrobu pálenky dochází ke vzniku volného methanolu z pektinu,
který je v ovoci přítomný. Uveďte, jakou chemickou reakcí methanol v kvasu z pektinu
vzniká.
Zkoumání fyzikálně-chemických vlastností syntetických poly-
merů
Značnou překážkou v recyklaci plastového odpadu jsou často velmi podobné vlastnosti různých
druhů polymerů, což výrazně znesnadňuje oddělení jednotlivých plastů ze směsi. Jednou
z možných cest je dělení plastů na základě jejich rozdílné hustoty.
V tomto cvičení si vyzkoušíme rozlišení různých polymerních materiálů na základě hustoty,
jednoduchého testu na přítomnost chloru (Beilsteinova zkouška) a rozpustnosti v acetonu.
Chemikálie a materiál:
Vzorky plastů (HDPE, LDPE, PP, PET, nepěněný PS, PVC, nylon, PLA, PMMA), aceton,
ethanol, NaCl, měděný drátek, kahan.
106
Postup:
1. Do tří kádinek o objemu 250 ml si připravíme tyto kapaliny:
(a) Směs vody a ethanolu vzniklou smísením stejných objemů vody a denaturovaného
ethanolu. Směs obsahuje 44,2 hmotnostních procent ethanolu a má hustotu 0,926
g cm−3.
(b) Destilovanou vodu. Za teploty 20 °C má voda hustotu 0,998 g cm−3.
(c) Vodný 24% roztok NaCl. Tento roztok má hustotu 1,178 g cm−3.
2. Do kádinek s kapalinami vložíme posupně vzorky plastů. Poznamenáme si, zda vzorek
v kapalině plaval, nebo klesl ke dnu.
3. Měděný drátek nažhavíme v plameni kahanu. Nažhaveným drátkem postupně nabíráme
vzorky plastických hmot. Drátek se vzorkem plastické hmoty opět vložíme do plamene
a pozorujeme změny barvy plamene. Pokud je v polymeru vázán chlor (např. v PVC),
zbarví se plamen zeleně.
Pozn. některé plasty obsahují bromované látky, které působí jako zpomalovače hoření,
plamen se tedy může zbarvit modrozeleně.
4. Rozpouštění v acetonu: Do poloviny kádinky o objemu 100 ml nalijeme aceton. Do
kádinky postupně vkládáme vzorky plastických hmot, které v acetonu necháme cca 10
min. Pokud během této doby dojde k rozkladu či deformaci plastu, jedná se o polystyren.
Z uvedených polymerů se v acetonu rozpouští i poly(methyl-methakrylát), efekt se ale
projeví po několika hodinách.
Fyzikálně-chemické charakteristiky látek:
Polymer (zkratka) ρ/(g cm−3)
Polypropylen (PP) 0,895–0,920
Nízkohustotní polyethylen (LDPE) 0,917–0,930
Vysokohustotní polyethylen (HDPE) 0,930–0,970
Polystyren (PS) 0,96–1,05
Nylon 6 1,084
Nylon 66 1,140
Poly(methyl-methakrylát) (PMMA) 1,12–1,17
Polyvinylchlorid (PVC) 1,1–1,45
Poly(laktát) (PLA) 1,210–1,430
Polyethylentereftalát (PET) 1,300–1,400
Doplňující otázky:
1. Svá pozorování shrňte ve formě tabulky:
107
Vzorek
Plování v kapalině Rozpustnost Druh
EtOH + H2O Dest. H2O Roztok NaCl v acetonu polymeru
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2. Výrobky z plastů jsou označovány recyklačními značkami, které umožňují jednoduše
identifikovat materiál, ze kterého je předmět vyroben. Do tabulky doplňte názvy polymerů,
které se skrývají pod uvedenými značkami a doplňte také alespoň jeden předmět,
který tento druh plastu obsahuje a máte jej v domácnosti, případně jste jej někdy pou-
žívali.
Recyklační značka Název polymeru Příklad předmětu
Dělení plastů podle hustoty
Různé druhy plastů můžeme od sebe oddělit pomocí jejich rozdílných hustot. Plasty, které
mají hustotu nižší než roztok, ve kterém jsou, poplovou na jeho hladině. Naopak plasty s
108
vyšší hustotou klesají. Tento jev nám také může pomoct identifikovat druh plastu podle jeho
hustoty.
Chemikálie:
Glukosa/sacharosa (nebo kuchyňský cukr), ethanol, voda, potravinářská barviva.
Pomůcky:
4 × kádinka (150 ml), skleněné tyčinky, odměrný válec (100 ml), odměrný válec (50 ml),
lžička, váhy, injekční stříkačka (20 ml) a jehla, pinzeta, vzorky plastů.
Postup:
1. Do kádinek o objemu 150 ml si připravte 4 roztoky o různých hustotách:
(a) ρ = 1,2 g cm−3: 45% roztok sacharosy ve vodě,
(b) ρ = 1,1 g cm−3: 25% roztok sacharosy ve vodě,
(c) ρ = 1,0 cm−3: destilovaná voda,
(d) ρ = 0,9 cm−3: směs 50 ml vody a 50 ml ethanolu.
2. Každý roztok obarvěte jiným potravinářským barvivem.
3. Do odměrného válce (100 ml) postupně vlévejte jednotlivé roztoky pomocí stříkačky
s dlouhou jehlou. Začněte od roztoku s nejnižší hustotou a podvrstvujte jej postupně
roztoky s vyššími hustotami (jehlu vždy ponořte ke dnu válce).
4. Kousky zkoumaných plastů pomocí pinzety opatrně nořte do roztoků (minimálně do
druhé vrstvy) a sledujte, jestli klesnou, nebo vyplavou na hladinu.
5. Umístění jednotlivých plastů si zakreslete a odhadněte jejich hustotu.
6. Srovnejte odhadnuté hustoty s tabelovanými hodnotami a pokuste se vzorky plastů co
do druhu identifikovat.
Doplňující otázky:
1. Zakreslete si hladiny roztoků a také pozici jednotlivých plastů.
109
2. Odhadněte hustotu jednotlivých plastů a následně se pokuste odhadnout druh plastu.
Plast Hustota/(g cm−3)
PA 1,12–1,14
HDPE 0,94–0,96
LDPE 0,92–0,94
PET 1,27–1,37
PP 0,90–0,91
PS 1,05
PMMA 1,17–1,20
PVC 1,38
PLA 1,27
Vzorek Odhad hustoty Druh plymeru
3. Plování, pesp. klesání plastů v kapalinách o různé hustotě může mít praktické využití.
Navrhněte, k čemu by šlo jevu využít.
Obří bubliny
Jen málo pokusů fascinuje malé děti, a nejen je, jako tvorba a chytání bublin. Tohoto faktu
často využívají právě výrobci bublifukových směsí a jejichž cena je poměrně vysoká. Na internetu
lze najít mnoho různých návodů. Většina z nich obsahuje mimo jiné destilovanou vodu
a glycerin tedy chemikálie, které většinou doma nemáme, a navíc se tyto směsi musejí vařit.
Návod, který zde bude představen, je poměrně jednodušší a směs se dá vyrobit rychle a ze
surovin, které najdeme v každé domácnosti.
Bublifuk využívá sníženého povrchového napětí u roztoku saponátu a proudu vzduchu.
Díky menšímu povrchovému napětí se mezi provázky fukaru utvoří membrána, která se poté
naplní vzduchem. Vzduch membránu deformuje a ta vytváří protáhlý tvar. Jelikož chce každé
těleso dosáhnout tvaru s nejnižší energií, začne se bublina deformovat do tvaru koule.
Pomůcky:
Lavor nebo velká miska, dřevěné tyčky, provázek, plastový kroužek.
110
Chemikálie a suroviny:
Voda, saponát, kukuřičný nebo bramborový škrob a prášek do pečiva.
Postup:
• Směs na bublifuk připravte smícháním 12 hrnků vody s hrnkem saponátu, hrnkem
škrobu a dvěma prášky do pečiva. Vzniklou směs pořádně promíchejte.
• Fukar vyrobte tak, že dvě tyčky (dostačují klacky) svažte provázkem, aby v horní části
byla 1/3 jeho délky a zbytek provázku prověšen pod ní. Do této části se navlékněte ještě
kroužek jako závaží, viz obrázek 12. Délku tkaničky volte minimálně 1,5 m, čím delší
bude, tím větší lze dělat bubliny.
Obrázek 32: Fukar.
• Bubliny tvořte, tak že fukar namočíte do připravené směsi, opatrně vytáhnete tak, abyste
neporušili membránu a dlouhým plynulým pohybem „nabírejte do bubliny vzduch“.
Pokud je bublina velmi dlouhá, lze ji uzavřít, tak že pomocí překřížení rukou překřížíte
provázky fukaru a tím bublinu jakoby odříznete.
Komentář:
• Saponát by neměl obsahovat balzámy které zabraňují vysoušení pokožky. Obecně lze
říct, že čím levnější tím lepší.
• Místo lavoru lze použít velkou misku, nebo fotografickou misku, kbelík není vhodný, při
vytahování často děti zavadí o okraj a membrána praskne.
• Jako provázek doporučujeme oděvní šňůru, kterou lze koupit v galanterii (bavlněnou či
polyesterovou, kulatou či plochou – pokus probíhal vždy podobně). Naopak nedoporučujeme
vlnu (příliš nasávala směs, která pak velmi odkapávala na zem) a paracord (ten
naopak směs nasával velmi málo), s těmito pokus moc nefungoval a bubliny praskaly.
• Na připevnění provázků k tyči se nám osvědčil lodní uzel, neklouže i když se namočí.
• Rozměr fukaru není jednoznačně daný, lze ho zvětšit a budou vznikat větší bubliny.
Odzkoušeli jsme 34 cm dlouhé tyčky a 90 cm dlouhý špagát (zkrácený uzly z původní
délky 1,5 m), ještě větší bubliny se dařily s 58 cm dlouhými tyčkami a 1,2 m provázkem.
• Jako kroužek byl použit kroužek na závěsy o průměru 25 mm (menší fukar, případně
35 mm větší fukar).
111
Snímání otisků prstů z předmětu pomocí prášku
Otisky prstů na skle nebo glazované keramice mohou být vizualizovány pomocí jemného
prášku (v praxi se používá železný prach nebo oxid železitý). Zviditelněný otisk pak lze sejmout
pomocí lepící pásky, která se následně nalepí na bílý papír.
Chemikálie a materiál:
Jemně práškový oxid železitý, hliník, železo nebo grafit.
Postup:
• Hladký skleněný nebo glazovaný povrch setřete hadříkem, ideálně navlhčeným alkoholem.
Dotkněte se povrchu následně prsty.
• Pomocí štětce naneste na stopu jemný prášek. Je možné poklepat štětcem s práškem
nad stopu, případně lze stopu jemně štětcem přetřít.
• Přebytečný prášek odfoukněte. Viditelnou stopu přelepte průhlednou lepící páskou tak,
aby dokonale přilnula k povrchu. Lepící pásku opatrně sejměte a nalepte na bílý papír.
Výroba šumivé koule do koupele
Chemikálie a materiál:
MgSO4·7H2O (Epsomská nebo také hořká sůl), kyselina citronová, NaHCO3 (jedlá soda),
vonná esence, potravinářské barvivo.
Pomůcky:
Vhodné formičky (kinder vajíčko. . . ), kádinky o objemu 150 ml a 25 ml, tyčinka, třecí miska
s tloučkem a Pasteurova pipeta.
Postup:
• Navažte 15 g kyseliny citronové, 15 g MgSO4·7H2O a 30 g NaHCO3. Látky smíchejte
v čisté suché kádince o objemu 150 ml, nebo lépe v třecí misce s tloučkem.
• Ke směsi přidejte potravinářské barvivo a případně i několik kapek vonné silice. Směs
zamíchejte.
• Do malé kádinky naberte asi 10 ml vody.
112
• S využitím Pasteurovy pipety přidejte ke směsi asi 5–10 kapek vody. Po přídavku
každé kapky vody směs důkladně promíchejte.
• Směs by s přídavkem vody a mícháním měla začít lepit.
• Směs namačkejte do formičky. Pokud je směs stále příliš suchá, přidejte několik kapek
a směs promíchejte.
• Nechte formičku se směsí stát asi 10 minut.
• Masu z formičky vyklopte a nechte vyschnout.
Poznámka:
Pokud do směsi solí přidáme malé množství vody, získáme sypkou směs, která nebude držet
tvar. Přídavek příliš velkého množství vody způsobí nezpomalující reakci hydrogenuhličitanu
sodného s kyselinou citronovou, následkem čehož směs nekontrolovaně kyne. Ideálně hydratovaná
směs slabě lepí a po promíchání můžeme pozorovat zajímavý efekt, kdy krystaly mění
svůj tvar, což působí jako tající sníh. Pokud není směs dostatečně dobře promíchaná, objevují
se na vylisované hmotě puchýře.
Doplňující otázky:
1. Odhadněte, jaký objem oxidu uhličitého se uvolní při rozpouštění koule, která obsahuje
celou hmotu solí uvedenou v návodu, ve vodě. Předpokládejte, že reakce nastává při
teplotě 25 °C a tlaku 101,325 kPa.
Demonstrace závislosti rychlosti chemické reakce na teplotě
Rychlost naprosté většiny chemických reakcí se s rostoucí teplotou zvyšuje. Závislost rychlostní
konstanty reakce na teplotě může být například popsána pomocí empirické Arrheniovy rovnice:
k = A · exp
−Ea
RT
kde k je rychlostní konstanta reakce, A preexponenciální faktor, Ea je aktivační energie
reakce, T je absolutní teplota a R zastupuje molární (univerzální) plynovou konstantu (R
.
=
8,314 J K−1
mol−1
).
Vliv teploty na rychlost reakce mezi kyselinou citronovou a hydrogenuhličitanem sodným
můžeme demonstrovat na čase, za který se námi vytvořené šumivé koule nebo tabletky rozpustí
ve vodě o různé teplotě. Podmínkou však je, aby šumivé koule obsahovaly stejné množství
materiálu. K experimentu můžeme rovněž využít komerčně dostupné šumivé tablety.
113
Chemikálie a materiál:
Šumivé tablety (komerční nebo domácí výroby) a voda o různé teplotě (0 až 45 °C).
Pomůcky:
Kádinky o objemu minimálně 500 ml, teploměr a stopky.
Kvalitativní demonstrace
Postup:
• Připravte si dvě kádinky o objemu 500 ml a do každé nalijte 250 ml vody o jiné teplotě.
• Do každé z kádinek současně vhoďte šumivou tabletu a pozorujte intenzitu šumění a
čas, za který se tableta rozpustí.
Stanovení aktivačních parametrů reakce
Postup:
• Připravte si alespoň čtyři šumivé tablety stejného druhu.
• Připravte si kádinky o objemu 400 nebo 600 ml.
• Do vhodné nádoby (např. PET lahev) nalijte asi 1 litr vody a vychlaďte jej v lednici
nebo ledové lázni.
• V rychlovarné konvici nebo na plotně ohřejte asi půl litru vody.
• V kádince smíchejte teplou a studenou vodu tak, abyste získali vodu o výsledné teplotě
v rozmezí 0 až 45 °C. Vodu důkladně promíchejte, změřte její teplotu a změřenou teplotu
si poznačte do tabulky 1.
• Vhoďte vždy právě jednu šumivou tabletu do sklenice a spusťte stopky. Zaznamenejte
následně čas, kdy reakce tablety ve vodě odezní. Protože je obtížné rozeznat okamžik
úplného rozpuštění tablety, stanovte si kritérium, kdy měření času zastavíte, např. když
reakcí vznikne zbytek o průměru 0,5 cm, tableta vyplave k hladině apod. Čas t potřebný
pro rozpuštění tablety zapište do tabulky 1 níže.
• Pro nové měření si do sklenice připravte novu vodu o odlišné teplotě. Pro jinou cílovou
teplotu zvolte jiný poměr teplé a studené vody. Teploty by měly v ideálním případě pokrývat
rovnoměrně interval 0 až 45 °C. Ve sklenici zopakujte experiment s rozpouštěním
šumivé tablety.
• Experiment zopakujte ještě minimálně dvakrát, abyste získali alespoň čtyři datové body.
114
Tabulka 1
Teplota vody /°C Čas do rozpuštění tablety/s
Do tabulky 2 doplňte údaje, které získáte přepočtem naměřených hodnot. Teplotu vody
přepočtěte na termodynamickou teplotu a následně vypočítejte převrácenou hodnotu této
teploty. Rychlostní konstantu rozpouštění tablety k vypočtěte jako:
k =
1
t
Poslední sloupec tabulky má obsahovat přirozený logaritmus k.
Tabulka 2
T/K (1/T)/K−1 k/s−1 ln(k · s)
Doplňující otázky:
1. Pokuste se z naměřených hodnot vypočítat aktivační energii Ea a preexponenciální
faktor A pro rozpouštění šumivé tablety ve vodě. Pro vyhodnocení použijte upravenou
rovnici pro závislost rychlostní konstanty na čase:
ln k = ln A −
Ea
R
·
1
T
Do grafu vyneste závislost přirozeného logaritmu rychlostní konstanty (ln k· s) na 1/T.
Body proložte přímkou a ze směrnice přímky a jejího průsečíku s osou y vypočítejte
aktivační energii Ea a preexponenciální faktor A.
Výše uvedenou rovnici srovnejte s obecnou rovnicí přímky:
y = k · x + a
a určete, která část výrazu odpovídá směrnici k a která členu a.
2. Rozpouštění šumivé tablety ve vodě lze rovněž použít ke kvalitativní demonstraci závislosti
rychlosti reakce na povrchu reagujících látek v heterogenní reakci. Navrhněte, jak
byste tento experiment prakticky provedli.
115
Destilace rostlinných silic s vodní parou
Destilace je separační metoda, která se využívá k oddělení dvou látek na základě jejich rozdílné
teploty varu. Prostou destilací za normálního tlaku můžeme od sebe oddělit těkavé látky,
jejichž teplota varu se liší alespoň o 150 °C. Silice ovšem nejsou dostatečně těkavé, a proto
musíme k jejich oddělení využít destilace vodní parou. Tato metoda separace látek se řídí
Daltonovým zákonem – celkový tlak par nad soustavou dvou a více kapalin je roven součtu
jejich parciálních tlaků. Tudíž se silice budou destilovat při nižší teplotě, než je jejich skutečná
teplota varu, která se pohybuje okolo 200–300 °C. Produktem destilace vodní parou je emulze
silic ve vodě, kterou je potřeba dále extrahovat, abychom získali čistý produkt silice.
Chemikálie a materiál:
Rostlinný materiál (aromatické koření/jehličí/pomerančová kůra aj.), bezvodý síran sodný
(Na2SO4), diethylether (CH3CH2OCH2CH3), voda.
Pomůcky:
Varná baňka s kulatým dnem (250ml nebo 500ml), destilační nástavec, zátky, destilační
most, alonž, svorky, 250ml Erlenmeyerova baňka, topné hnízdo, zvedáček, třecí miska s tloučkem/nůžky/struhadlo,
zkumavka, Pasteurova pipeta a pipetovací balónek.
Destilace vodní parou na prosté destilační aparatuře
Postup:
• Sestavte aparaturu pro destilaci vodní parou podle obrázku 24.
• Vzorek 15 g koření rozetřete v třecí misce/35 g jehličí nastříhejte nůžkami do čisté
kádinky/kůru z šesti pomerančů nastrouhejte najemno na struhadle. Rostlinný materiál
převeďte do 250ml varné baňky a přidejte 150 ml vody nebo materiál převeďte do 500ml
varné baňky a přidejte 250 ml vody (čím větší objem varné baňky, tím rychleji bude
destilace probíhat).
• Přidejte varný kamínek, baňku připojte k destilační aparatuře a začněte ji zahřívat
topným hnízdem.
• Destilujete zhruba 2–3 hodiny. Na stěnách chladiče lze pozorovat kondenzaci par vody
a silice.
• Po ukončení destilace vypněte topné hnízdo a nechte aparaturu zchladnout na laboratorní
teplotu.
• Po usazení destilátu přidejte do Erlenmeyerovy baňky 10 ml diethyletheru. Baňku zazátkujte
a opatrně protřepejte (pozor na tlak v baňce, díky kterému by mohla zátka
vyskočit).
• Po protřepání lze pozorovat oddělení dvou vrstev. Horní vrstvu odeberte pomocí Pasteurovy
pipety do čisté zkumavky. Extrakci diethyletherem proveďte ještě jednou, opět
s 10 ml diethyletheru.
• Do etherického extraktu silice přidejte 5 g bezvodého síranu sodného, který slouží jako
sušidlo a odnímá z extraktu zbylou vodu. Extrakt nechte chvíli odstát.
116
• Sušidlo odfiltrujte, případně dekantujte. Diethylether z etherického extraktu odstraňte
odpařením na rotační vakuové odparky nebo probubláváním extraktu dusíkem (obrázek
25).
Obrázek 33: Příprava vzorku pro destilaci s vodní parou (nahoře) a aparatura pro tuto
destilaci (dole).
117
Obrázek 34: Extrakce emulze diethyletherem (vlevo) a odpařování rozpouštědla z extraktu
proudem dusíku (vpravo).
Destilace vodní parou na aparatuře s vyvíječem vodní páry
Destilační aparatura pro destilaci vodní parou na aparatuře s vyvíječem vodní páry se skládá
v většího počtu komponent. Destilace rovněž vyžaduje speciální nástavec pro destilaci s vodní
párou. Doba destilace se ale zkrátí o více než polovinu.
Vyvíječ páry je baňka s vývodem páry, uzávěrem baňky ale také prochází pojistná trubice,
která brání nasátí kapaliny z destilační baňky do vyvíječe při poklesu tlaku v aparatuře. Jedná
se o dlouhou skleněnou trubici, jejíž spodní konec musí zasahovat pod hladinu vody.
Postup:
• Sestavte aparaturu pro destilaci vodní parou podle obrázku 26. Vyvíječ páry a nástavec
na destilaci vodní parou opatřete hadičkami dlouhými zhruba 7 cm (délku volíme tak,
aby obě hadičky zasahovaly pod hladinu vody).
• Vzorek 15 g koření rozetřete v třecí misce/35 g jehličí nastříhejte nůžkami do čisté
kádinky/kůru z šesti pomerančů nastrouhejte najemno na struhadle. Rostlinný materiál
převeďte do 250ml varné baňky a přidejte 150 ml vody.
• Přidejte varný kamínek, baňku připojte k aparatuře a začněte zahřívat topným hnízdem
nebo kahanem.
• Baňku vyvíječe s kulatým dnem naplňte do 2/3 jejího objemu vodou, přidejte varný
kamínek a začněte zahřívat kahanem. Vyvíječ připojte hadičkou k baňce s destilovanou
směsí.
• Destilujte zhruba 1 až 2 hodiny. V průběhu destilace pozorujte probublávání vodní páry
směsí ve varné baňce s rostlinným materiálem a také kondenzaci par silice a vody na
chladných stěnách chladiče.
• Pro ukončení destilace vypněte topné hnízdo a kahanem pod baňkou generující vodní
párů. Nechte aparaturu zchladnout na laboratorní teplotu.
118
• Po usazení destilátu přidáme do Erlenmeyerovy baňky 10 ml diethyletheru. Baňku zazátkujeme
a opatrně protřepeme (pozor na tlak v baňce, díky kterému by mohla zátka
vyskočit z baňky).
• Po protřepání dojde k oddělení dvou vrstev. Horní vrstvu odsajte pomocí Pasteurovy
pipety a přeneste do čisté zkumavky. Extrakci proveďte ještě jednou, opět s 10 ml
diethyletheru.
• Do etherického extraktu silice přidejte 5 g bezvodého síranu sodného, který slouží jako
sušidlo a odnímá z extraktu zbylou vodu. Extrakt nechte se sušidlem stát delší dobu.
• Diethylether z etherického extraktu lze odpařit pomocí rotační vakuové odparky nebo
probubláváním extraktu proudem dusíkem (obrázek 25).
Obrázek 35: Destilační pro destilaci s vodní parou na aparatuře s vyvíječem vodní páry.
Analýza tonicu
Stanovení kyseliny citronové v tonicu
Kyselina citronová je slabá trojsytná kyselina, jejíž vzorec můžete vidět níže. Dále budeme
tuto trojsytnou kyselinu označovat jako H3Cit.
Princip stanovení kyseliny citronové v tonicu je poměrně jednoduchý. Kyselina citronová
reaguje s hydroxidem sodným, přičemž dochází k neutralizaci, která je popsána rovnicí:
H3Cit + 3 NaOH −→ Na3Cit + 3 H2O
119
Chemikálie a materiál:
Odměrný roztok NaOH (c = 0,05 mol dm−3), tonic, 1% roztok fenolftaleinu v ethanolu.
Postup:
• Nejprve se sestavte titrační aparaturu (obrázek 27).
• Byretu promyjte odměrným roztokem hydroxidu sodného (přesná koncentrace je uvedena
na láhvi s tímto roztokem) a doplňte následně byretu odměrným roztokem po
rysku.
• Do titrační baňky si odpipetujte 10 ml odplyněného tonicu, zřeďte jej v titrační baňce
asi 50 ml destilované vody a přidejte 3 kapky 1% ethanolického roztoku fenolftaleinu
jako indikátoru.
• Titrujte odměrným roztokem NaOH do prvního stálého slabě růžovo-fialového zbarvení
fenolftaleinu.
• Spotřebu odměrného roztoku NaOH si zaznamenejte a proceduru opakujte celkem 3×.
• Z průměrné spotřeby odměrného roztoku NaOH vypočítejte, jaké látkové množství kyseliny
citronové bylo přítomno v titrační baňce.
• Vypočítejte, jaká byla koncentrace kyseliny citronové v tonicu v jednotkách gramů kyseliny
citronové na litr nápoje.
Obr. 36: Titrační aparatura
120
Sublimace kofeinu z kávy nebo čaje
Alkaliod kofein je bílá krystalická látka hořké chuti. Po chemické stránce se jedná trimethylovaný
derivát xanthinu, jehož struktura je odvozena od heterocyklu purinu.
N
N N
N
CH3
O
O
H3C
CH3
kofein
N
N N
N
H
O
O
H
H
xanthin
N
N N
N
H
7H-purin
Kofein má výrazné biologické účinky. Jedná se o přirozený pesticid, který je neurotoxický
pro býložravý hmyz. Byla také pozorována inhibice klíčení semen kofeinem v půdě, což představuje
konkurenční výhodu pro semena obsahující kofein. U člověka se kofein váže na adenosinové
receptory v neuronech a snižuje tak citlivost tohoto receptoru vůči jeho přirozenému
ligandu (působí jako antagonista receptoru). Kofein následkem toho stimuluje CNS a krátkodobě
potlačuje únavu a zvyšuje bdělost. Při opakované expozici kofeinu však organismus
začíná tvořit větší počet adenosinových receptorů a stimulační efekt se tak zeslabuje.
Schopnost biosyntetézy kofeinu získala nezávisle na sobě řada rostlin v průběhu evoluce.
Člověk se naučil konzumovat kofein nejčastěji ve formě nápojů připravovaných z rostlin obsahujících
tento alkaloid. Kofein se nachází např. v semenech kávovníků (rod Coffea), ve
kterých tvoří 1–2 % jejich hmotnosti, listech čajovníku čínského (Camellia sinensis), semenech
kakaovníku pravého (Theobroma cacao), semenech kolovníků (rod Cola), listech cesmíny
paraguayské (Ilex paraguariensis), semenech paulinie nápojné – guarany (Paullinia cupana)
a jiných.
Kofein je možné získat z rostlinného materiálu jeho sublimací při teplotě 160–170 °C (teplota
sublimace kofeinu je 178 °C). Kofein z plynné fáze desublimuje na chladnějším povrchu.
Kofein krystalizuje v podobě dlouhých jehlicovitých krystalů, které lze pozorovat mikroskopem
nebo binokulární lupou.
Chemikálie a materiál:
Mletá káva nebo čaj, led.
Pomůcky:
Dvě Petriho misky, třecí miska s tloučkem a mikroskop.
Postup:
• Do menší Petriho misky nasypejte asi 2 g jemně mleté kávy nebo v třecí misce rozetřený
čaj. Materiál rozhrňte, aby tvořil tenkou vrstvu.
• Petriho misku pomalu zahřívejte (míchačkou s ohřevem, kahanem přes síťku), aby se
vzorek vysušil.
• Jakmile začne být patrný vývoj bílých par, přikryjte Petriho misku větší Petriho miskou
(nebo hodinovým sklem). Vrchní Petriho misku chlaďte kouskem ledu.
• Opatrně zahřívejte dalších přibližně 5 minut. Dbejte, aby nedošlo k výraznému překročení
vhodné teploty a tepelnému rozkladu rostlinného materiálu.
121
• Po vychladnutí pozorujte krystaly kofeinu mikroskopem nebo binokulární lupou.
Doplňující otázky:
1. Popište fyzikální podstatu děje sublimace.
2. Čím se liší tein přítomný v čaji od kofeinu přítomného v kávových zrnech?
3. Čím se liší theobromin přítomný v kakaových bobech od kofeinu přítomného v kávových
zrnech?
4. Jmenujte alespoň čtyři biologicky významné látky, které jsou deriváty heterocyklu pu-
rinu.
Domácí výroba mýdla na studené cestě
Mýdlo je po chemické stránce kapalná nebo pevná směs solí mastných kyselin, která se používá
jako detergent, případně jako lubrikant. Sodná a draselná mýdla jsou nejdéle používané
detergenty sloužící k praní a jako prostředek osobní hygieny. Mýdla se tradičně připravují
zmýdelněním – hydrolýzou tuků (triacylglycerolů) v přítomnosti báze (alkalické hydroxidy
nebo uhličitany).
O
R2
O
O
O
R1
O
R3
O
+ 3 NaOH
triacylglycerol
(tuk)
OH
HO
HO
+
R1
O
O
Na
R2
O
O
Na
R3
O
O
Na
natrium-karboxyláty
(mýdlo)
glycerol
Mýdlovou hmotu k praní oblečení začali lidé vyrábět již 2 800 let před našim letopočtem.
Toto mýdlo bylo připravováno zahříváním tuku s popelem, který je bohatý na uhličitan
draselný (potaš). V této úloze si vyzkoušíme jednoduchou domácí přípravu mýdla na studené
cestě. Směs kapalného a pevného rostlinného tuku smícháme s koncentrovaným vodným
122
roztokem NaOH a mícháním směsi vytvoříme stabilní emulzi. Vytvořenou směs následně nalijeme
do formy vhodného tvaru a necháme mýdlovou masu vytvrdnout a vyschnout. První dva
týdny ještě probíhá saponifikace (zmýdelnění) přítomných tuků, další čtyři týdny jsou potřeba
na vyschnutí mýdla. Poměr tuku a báze je nastaven tak, aby po skončení reakce zůstalo ve
směsi malé množství nezreagovaného tuku. Ve směsi rovněž zůstane reakcí vzniklý glycerol.
Díky tomu bude vzniklé mýdlo šetrnější k pokožce.
Výroba mýdla z rostlinných tuků
Chemikálie a materiál:
NaOH, kapalný rostlinný olej (olivový, řepkový, slunečnicový. . . ), pevný rostlinný tuk (kokosový
olej. . . ), aditiva (mák, sezamová semínka, mletý kokos, sušená levandule, kousky rostlin).
Pomůcky:
Tyčový mixér, dlouhá lžička, kádinky (600 ml a 400 ml), silikonové formy, potravinářská folie
nebo alobal.
Postup:
• Do kádinky o objemu 600 ml nebo více navažte 50 g pevného rostlinného tuku a přidejte
250 g kapalného rostlinného tuku. Směs zahřejte tak, aby pevný tuk roztál.
• V kádince o objemu 250 ml připravte roztok 40 g NaOH v 50 ml demineralizované vody.
Roztok bude díky teplu uvolněnému při rozpouštění horký.
• Teplý roztok NaOH vlijte do teplé kapalné směsi tuků. Směs intenzívně míchejte vhodným
nástrojem (nehodí se k tomu skleněná tyčinka). Nejlépe lze směs promíchat pomocí
tyčového mixéru. Před zapnutím míchání je však potřeba ústí kádinky zakrýt např. potravinářskou
fólií nebo kouskem alobalu, protože během míchání může dojít k vystříknutí
teplé bazické hmoty z kádinky. Mícháme tak dlouho, až vznikne hmota pudinkové
konzistence.
• Ke směsi můžete přidat zvolená aditiva. Následně směs nalijte do vhodných forem, ve
kterých mýdlo vytvrdne.
• Hmotu ve formě nechte minimálně 2 dny. Následně ji můžete opatrně vyklopit a nechat
doreagovat a vyschnout, což vyžaduje asi 6 týdnů.
Poznámka:
Cena nejlevnějších tyčových mixérů se pohybuje kolem 250 Kč. Jednotlivé rostlinné tuky
dávají výslednému mýdlu různou barvu. Mýdlo vyrobené ze slunečnicového oleje je sněhobílý,
řepkový olej poskytuje mýdlo béžové barvy, olivový olej poskytne žluto-zelené mýdlo.
Výroba mýdla z avokáda
Dužina avokáda obsahuje 10–12 % tuku, který se složením masných kyselin podobá olivovému
oleji. Tuk je možné z rozmělněného plodu vyextrahovat pomocí organických rozpouštědel.
Současně dojde k extrakci zeleného barviva, díky kterému získá vyrobené mýdlo atraktivní
zelenou barvu.
123
Chemikálie a materiál:
NaOH, 3 avokáda, kapalný rostlinný olej (olivový, řepkový, slunečnicový. . . ), pevný rostlinný
tuk (kokosový olej. . . ), aditiva (mák, sezamová semínka, mletý kokos, sušená levandule, kousky
rostlin).
Pomůcky:
Tyčový mixér, elektrický vařič nebo míchačka s ohřevem, nádoba na vodní lázeň, velká nálevka,
filtrační papír, tyčinka, velká lžička, kádinky (800 ml a 400 ml), silikonové formy.
Postup:
• Zvažte 800ml kádinku. Oloupejte avokádo, vypeckujte ho a dužinu umístěte do kádinky.
Poté kádinku znovu zvažte za účelem získání čisté hmotnosti dužiny.
• Dužinu následně v kádince rozmíchejte lžičkou na kaši. Ve jiné kádince připravte směs
240 ml ethyl-acetátu a 60 isopropylalkoholu. Dužinu extrahujte tímto roztokem (míchejte
plastovou lžičkou nejméně 5 minut).
• Extrakt dekantujte do předem zvážené kádinky o objemu 400 ml. Dužinu od rozpouštědla
případně přefiltrujte přes hladký filtrační papír. Zbytek dužiny propláchněte ještě
2 × 40 ml ethyl-acetátu. Kádinku s filtrátem dejte do vroucí vodní lázně v digestoři a
rozpouštědlo z extraktu odpařte. Kádinku se zbylým tukem zvažte a stanovte množství
izolovaného tuku.
• Výpočet množství výchozích látek pro výrobu mýdla: S výpočtem vám pomůže níže
uvedená tabulka. Předpokládejte, že celkové množství všech použitých tuků bude mtuk
= 510 g. Třetinu obsahu tuků by měly být pevné tuky (kokosový olej apod.), jejichž
hmotnost je označena ms. Zbytek tvoří rostlinný olej (jeho hmotnost je označena mo)
spolu s tukem z avokáda (jeho hmotnost je označena mo). Destilovaná voda tvoří 1/3
hmotnosti všech tuků (mH2O). Pro výpočet hmotnosti hydroxidu sodného platí vzorec:
mNaOH = mtuk · 0,128. Zjištěné a vypočítané hmotnosti si zaznamenejte do následující
tabulky.
Zjištěná nebo vypočtená hodnota
Celkové množství tuku
mtuk
Hmotnost tuku z avokáda
ma
Hmotnost tuhého tuku
ms = mtuk
3
Hmotnost rostlinného oleje
mo = 2
3 · mtuk − ma
Hmotnost NaOH
mNaOH = 0,128 · mtuk
Hmotnost vody
mH2O = mtuk
3
124
• Nalijte potřebné množství destilované vody do 400ml kádinky. Za stálého míchání přidávejte
opatrně hydroxid sodný a roztok míchejte, dokud se veškerý hydroxid nerozpustí.
Horký roztok nechejte vychladnout na teplotu přibližně 45–55 °C.
• V čisté kádince o objemu 1000 ml zahřejte všechny tuky, dokud se pevný tuk nerozpustí.
Směs tuků nechejte vychladnout na teplotu 45–55 °C.
• Směs hydroxidu sodného s vodou opatrně přidávejte do rozpuštěné směsi olejů. Směs
míchejte pomocí magnetické míchačky, dokud směs nebude mít konzistenci hustého pudinku
(zhruba 30–40 minut). Rychleji výsledku můžeme dosáhnout promísením směsi
pomocí tyčového mixéru. Před zapnutím míchání je však potřeba ústí kádinky zakrýt
např. potravinářskou fólií nebo kouskem alobalu, protože během míchání může dojít
k vystříknutí teplé bazické hmoty z kádinky.
• Do směsi můžete přidat vonnou esenci nebo sezamová semínka.
• Směs nalijte do plastových formiček a přikryjte hliníkovou fólií. Formičky umístěte na
teplé místo, kde mýdlo může pomalu vytvrdnout. Kostky mýdla se vytvrzují 6 týdnů,
během kterých dochází ke zmýdelňování (klesá pH).
Obr. 37: Směs kapalného a pevného rostlinného tuku.
Obr. 38: Směs rostlinných tuků a roztoku NaOH po promísení pomocí tyčového mixéru.
125
Obr. 39: Mýdlový hmota v silikonových formách (vlevo). Mýdla po vyklopení ze silikonové
formy (vpravo).
Doplňující otázky:
1. Pokuste se odhadnout, kolik procent esterových vazeb v tuku zanikne reakcí s NaOH,
pokud do reakce nasadíte 300 g tuku a 40 g NaOH. Předpokládejte, že tuk obsahuje
pouze tripalmitin, jeho molární hmotnost je 806,74 g mol−1.
2. Při nízkých koncentracích existují ve vodných roztocích samostatné molekuly mýdla. Po
překročení kritické micelární koncentrace se však v roztoku počnou z molekul mýdla
tvořit micely. Popište nebo načrtněte strukturu micely.
3. Vysvětlete, jak struktura micely souvisí se schopnostmi mýdla zvyšovat rozpustnost
lipofilních látek ve vodném prostředí.
4. Vysvětlete, proč tvrdá voda snižuje účinnost mýdel.
5. Uveďte, kterými fyzikálními vlastnostmi se liší sodná a draselná mýdla.
6. Následující tabulka zachycuje typické zastoupení hlavních mastných kyselin ve třech
tucích – kokosovém, palmovém a řepkovém oleji. Na základě složení mastných kyselin
přiřaďte tuky A až C uvedeným druhům oleje. Svou volbu zdůvodněte.
Mastná kyselina
Zastoupení kyseliny
Tuk A Tuk B Tuk C
Kys. kaprylová (oktanová) 7 %
Kys. kaprinová (dekanová) 8 %
Kys. laurová (dodekanová) 48 %
Kys. myristová (tetradekanová) 16 % 1 %
Kys. palmitová (hexadekanová) 9 % 4 % 44 %
kys. stearová (oktadekanová) 3 % 2 % 4 %
Kys. olejová (cis-oktadec-9-enová) 6 % 61 % 37 %
Kys. linolová ((cis,cis)-oktadeka-9,12-dienová) 21 % 9 %
Kys. α-linolenová ((cis,cis,cis)-oktadeka-9,12,15-trienová) 11 %
Celkem 94 % 99 % 95 %
126
Změna barvy květů po vystavení párám amoniaku
Tento jednoduchý experiment potvrzuje přítomnost anthokyanů ve květech, jejich acidobazické
vlastnosti a možnost jejich využití jako indikátory bazického prostředí. Páry amoniaku
pronikají do pletiv rostlin, kde se ve vodě rozpouštějí, čímž roste hodnota pH. Pokud jsou
v rostlinných pletivech přítomny anthokyany, dojde ke změně barvy.
Pomůcky:
Kádinka, Petriho miska nebo hodinové sklo.
Chemikálie a suroviny:
Květy rostlin, vodný roztok amoniaku (25%).
Provedení:
Na dno kádinky nalijte malé množství koncentrovaného roztoku amoniaku, do kádinky vložte
květ a kádinku zakryjte. Pozorujte změny barvy květu.
Obrázek 40: Tulipán Obrázek41: Okvětní lístky růže
(neutrální prostředí, zásadité prostředí) (zásadité prostředí, neutrální prostředí)
Obrázek 42: Pelargonie Obrázek 43: Maceška
(neutrální prostředí, zásadité prostředí) (zásadité prostředí, neutrální prostředí)
Důkaz kvality doplňku stravy s ω-3-nenasycenými mastnými ky-
selinami
Omega-3-nenasycené mastné kyseliny se vyznačují dlouhými uhlíkatými řetězci a přítomností
dvojných vazeb ve svých strukturách. Jedná se o látky, které jsou nezbytné pro správnou funkci
lidského organismu, některé jsou dokonce esenciální, protože si je naše tělo nedokáže vyrobit.
Z hlediska lidské fyziologie jsou nejvýznamnějšími kyselinami α-linolenová kyselina (ALA),
127
která se nachází v rostlinných tucích, eikosapentaenová kyselina (EPA) a dokosahexaenová
kyselina (DHA).
HO
O
CH3
EPA
HO
DHA
O
CH3
HO
O
CH3
ALA
Omega-3-nenasycené mastné kyseliny patří mezi mastné kyseliny, které nacházíme v přírodě
vázané v podobě tuků – triacelglycerolů. Zastoupení mastných kyselin v tucích je značně
proměnlivé. Nejsnadněji dostupným zdrojem tuků bohatých na EPA a DHA je rybí tuk.
Bohužel ani konzumace dvou porcí ryby během jednoho týdne nezajistí přísun dostatečného
množství potřebných omega-3-nenasycených mastných kyselin. Proto se na trhu objevují různé
potravinové doplňky na bázi rybího tuku. Mastné kyseliny se v nich mohou nacházet vázané
ve formě triacylglycerolu nebo ethylesteru, který vznikne transesterifikací triacylglycerolu.
Z výživového hlediska jsou obě formy podobné, výrobky na bázi ethylesterů však mohou být
upraveny tak, aby obsahovaly vyšší koncentraci požadovaných mastných kyselin.
Následující experiment ukazuje způsob, jak lze jednoduše rozlišit doplněk na bázi ethylesterů
mastných kyselin od běžného (rybího) tuku. Oba typy látek rozpouštějí pěněný polystyren,
ethylestery mastných kyselin tak ale činí mnohem rychleji.
Pomůcky:
Plastová miska nebo plato.
Chemikálie a materiál:
Polystyrenové kelímky, olivový olej, lněný olej, vzorky doplňků stravy obsahující EPA a DHA.
Provedení:
Do polystyrenových kelímků nalijte cca 100 ml vody o teplotě přibližně 30 °C. Do každého
kelímku nalijte několik ml příslušného oleje. Použijte běžné kuchyňské oleje a potravinový
doplněk s rybím olejem. Potravinové doplňky jsou prodávány obvykle ve formě želatinových
kapslí. Pro tento experiment použijte asi tří kapslí – kapsle propíchněte a jejich obsah vykapejte
do kelímku. Po přibližně 10–20 minutách by měl být patrný efekt oleje na polystyrenovou
stěnu kelímku.
128
a)
b) c)
Obrázek 44: Účinek kapalných tuků na polystyrenový kelímek. Zleva slunečnicový olej,
lněný olej a rybí olej z potravinového doplňku na začátku experimentu (a), po 10 minutách
(b) a po 20 minutách.
Doplňující otázky:
1. Pokuste se vysvětlit, proč ethylestery mastných kyselin tak efektivně rozrušují vnitřní
strukturu polystyrenu.
2. Navrhněte provedení experimentu v případě, že polystyrenové kelímky nejsou na trhu
k dispozici.
3. Methyl- nebo ethylestery mastných kyselin mají také významné praktické použití. Uveďte,
k čemu se také využívají.
Barvení vlněného vlákna syntetickými barvivy z potravin
Jednou z možností jak lze rychle a efektivně dokázat přítomnost umělých barviv v potravinách,
je jejich schopnost barvit odtučněné vlněné vlákno. Přírodní barviva nejsou k vláknu poutána
příliš pevně, takže se po proprání obarveného vlákna vodou z velké části vymyjí, kdežto umělá
barviva zůstanou trvale na vlněném vlákně.
Pomůcky:
Kádinky, elektrický vařič, varný kamínek, pinzeta.
Chemikálie a materiál:
Petrolether nebo benzín, 5% vodný amoniak, neobarvená bílá vlněná vlákna, syntetická potravinářská
barviva (žluť citronová, červeň malinová), vzorky potravin obsahující syntetická
barviva (např. vitacit, jahody ve sladkém nálevu, bonbóny m&m’s, Fanta. . . )
129
Provedení:
Z bílého vlněného vlákna nejprve odstraňte nečistoty a tukovou složku. Nastříhaná vlákna
(dle počtu vzorků) byla ponořte do petroletheru a po vysušení na filtračním papíře vlákna po
dobu 10 minut zahřívejte v 5% roztoku amoniaku (od této chvíle se po celou dobu s vlákny
manipulujte pouze pomocí pinzety!). Po ukončení zahřívání vlákna properte vodou. Mezitím
si připravte vodné roztoky jednotlivých vzorků barviv nebo vzorky tekutých potravin. Vzorky
v kádinkách zahřejte na teplotu přibližně 70 °C, vložte do nich vlákna a nechte barviva adsorbovat
při po dobu 20 minut. Nakonec vlákna vytáhněte a operte vodou v proudu kohoutkové
vody. Vlákna vysušte na filtračním papíře a výsledek vizuálně zhodnoťte.
Obrázek45: Možné vzorky potravin se syntetickými barvivy a samotných potravinářských
barviv.
Obrázek 46: Barvení vlněného vlákna.
Doplňující otázky:
1. Pokuste se vysvětlit, proč je vlněné vlákno zahříváno s vodným roztokem amoniaku.
130
2. Dohledejte struktury syntetických barviv přítomných v potravinách, které jste zkoumali,
a se znalostí chemické povahy vlny se pokuste navrhnout, jakými silami jsou barviva
poutána k povrchu vlákna.
Extrakce syntetických barviv z potravin a následná analýza pomocí
tenkovrstvé chromatografie
Chromatografie na tenké vrstvě (TLC) je účinná analytická metoda využívána napříč mnoha
odvětvími chemie. Velmi hojně se používá například pro důkaz látky ve vzorku pomocí srovnání
se standardem. V následujícím experimentu se pokusíme potvrdit přítomnost syntetických
barviv E 102, E 104, E 110, E 122, E 124 a E 129 v některých potravinách. Jako standardy
nám poslouží potravinářská barviva, která tyto látky obsahují spolu s inertní solí.
Pomůcky:
Zkumavky, kádinky, hliníková destička se silikagelem (stacionární fáze), vyvíjecí komůrka,
kapiláry.
Chemikálie a materiál:
Propanol, butan-2-ol, 1% kyselina octová, 98% kyselina octová, vzorky potravin obsahující
syntetická barviva (např. potravinářské barvivo žluť citrónová, potravinářské barvivo červeň
malinová, potravinářské barvivo růžová, potravinářské barvivo červeň jahodová, vitacit s citrónovou
příchutí, vitacit s jahodovou příchutí, jahody ve sladkém nálevu, bonbóny m&m’s,
fanta).
Provedení:
Do zkumavek odměřte 5 ml propanolu a přidáno asi 5 kapek 1% kyseliny octové. Poté přidejte
vzorky potravin a barviva z jednotlivých potravin ve zkumavkách propanolem extrahujte. Mezitím
připravte mobilní fázi ve složení kyselina octová/butan-2-ol/voda v objemovém poměru
5:10:6. Dle rozměrů vyvíjecí komůrky byla přichystejte destičku se silikagelem, na které vyznačte
tužkou start (asi 1 cm od okraje destičky). Asi po 15 minutách extrakce propanolem
vzorky z jednotlivých zkumavek opatrně naneste tenkou kapilárou na start. Samotné vyvíjení
probíhá asi 15 minut. Po vytažení destičky z vyvíjecí komůrky vyznačte na destičce
čelo chromatogramu. Celý postup zopakujte ještě s mobilní fází ve složení kyselina octová
(koncentrace?)/butan-2-ol/voda v objemovém poměru 5:10:6.
131
Obrázek 47: Chromatogram vzorků potravin se syntetickými barvivy. 1 – Tartrazin (E102),
2 – azorubin (E122), 3 – směs azorubinu (E122) a košenilové červeni A (E 124), 5 – vitacit
citrónový, 6 – vitacit jahodový a 7 – bonbóny m&m’s.
Izolace kaseinu z mléka
Kasein je nejdůležitější protein v mléce. Funguje jako zásobní protein zabezpečující nutriční
požadavky. Kasein můžeme izolovat okyselením mléka na úroveň jeho izoelektrického bodu.
Izoelektrický bod je specifická hodnota pH, při které je počet kladných nábojů v proteinu
roven počtu záporných nábojů. Při této hodnotě pH je protein nejméně rozpustný ve vodě,
protože má tendenci vytvářet agregáty na základě elektrostatických interakcí.
Na druhé straně, pokud má molekula proteinu celkový kladný náboj (při nízkém pH,
tedy v kyselém prostředí) nebo celkový záporný náboj (při vysokém pH, tedy v zásaditém
prostředí), její rozpustnost ve vodě stoupá.
H3N
O
OH
H
H−
+
H3N
O
O
H
H−
+
H2N
O
O
pH < pI
více
rozpustný
pH = pI
málo
rozpustný
pH > pI
více
rozpustný
Mléko má standardní pH lehce pod 7. Kasein vysrážíme ve formě nerozpustného proteinu
okyselením mléka na hodnotu jeho izoelektrického bodu (pI = 4,6; pH, při kterém má kasein
nulový náboj a je tak nerozpustný). Lipidové složky mléka, které se sráží spolu s kaseinem,
odstraníme rozpuštěním v alkoholu.
Chemikálie a materiál:
Nízkotučné mléko, kyselina octová koncentrovaná, ethanol a diethylether.
Postup:
• Do kádinky o objemu 250 ml si odvažte 50 g mléka.
132
• Obsah kádinky pomalu zahřívejte na vodní lázni. Při zahřívání mléko neustále míchejte
tyčinkou a kontrolujte jeho teplotu.
• Po dosažení teploty okolo 40 °C baňku vyjměte z vodní lázně a za stálého míchání
přidejte 5 ml koncentrované kyseliny octové.
• Směs s vyloučeným kaseinem přefiltrujte přes plátno. Po ukončení filtrace sraženinu
zabalte do plátna a vymačkáním z ní odstraňte co nejvíce vody. Filtrát likvidujte do
výlevky.
• Sraženinu z plátna seškrábejte pomocí špachtle do prázdné kádinky.
• Do baňky se sraženinou přidejte 25 ml ethanolu a asi 5 minut míchejte. Sraženinu
nechte volně usadit a opatrně odlijte kapalnou fázi.
• Ke sraženině přidejte 25 ml směsi diethylether-ethanol (1:1) a opět asi 5 minut míchejte.
Pozor, diethylether je extrémní hořlavina! Ujistěte se, že nepracujete v blízkosti
otevřeného ohně!
• Sestavte si aparaturu pro filtraci za sníženého tlaku.
• Suspenzi kaseinu oddělte pomocí Büchnerovy nálevky.
• Jakmile se odsaje všechen matečný roztok, ponechejte kasein prosávat vzduchem cca
5–10 minut, aby došlo k jeho dobrému vysušení.
• Izolovaný kasein rozsypejte na arch filtračního papíru a nechte volně (nebo v sušárně
při 40 °C) vysušit. Po vysušení jej zvažte a vypočítejte výtěžek.
Doplňující otázky:
1. Jaký je průměrný hmotnostní zlomek kaseinu v kravském mléce? Srovnejte s vámi dosaženým
výsledkem.
Přesýpací hodiny v krystalu – inkluze kyselého fuchsinu v krystalu
K2SO4
Některá organická barviva jsou schopny se selektivně adsorbovat jen na jednu plochu krystalu
určité soli6. Tato selektivní adsorpce je značně specifická a byla pozorována jen pro poměrně
malý počet dvojic sůl–barvivo. Pokud budou z nasyceného roztoku soli růst v přítomnosti
barviva krystaly, dochází k obarvení části krystalu, která narostla z plochy, na kterou se
barvivo adsorbuje. Vzhled inkluzních krystalů závisí také na koncentraci barviva, teplotě a
rychlosti odpařování.
Jedním ze známých příkladů tohoto chování je krystalizace síranu draselného v přítomnosti
kyselého fuchsinu.
6
Souhrn všech známých dvojic sůl–barvivo, které vykazují popisované chování, najdete v následujícím
článku: Bart Kahr, Jason K. Chow, and Matthew L. Peterson: Organic Hourglass Inclusions: A Review of
Past and Recent Work and a Student Experiment. J. Chem. Educ. 1994, 71, 7, 584.
133
NH2
SO3
CH3
NH2
SO3O3S
H2N
kyselý fuchsin
Chemikálie
Síran draselný a kyselý fuchsin.
Postup:
1. Ve 40 cm3 demineralizované vody rozpustíme 40 mg kyselého fuchsinu.
2. Navážíme 20 g síranu draselného a sůl následně rozpustíme ve 200 cm3 demineralizované
vody.
3. Roztok síranu draselného nalijeme do krystalizační misky a smísíme jej s 15–40 cm3
roztoku kyselého fuchsinu.
4. Vzniklý roztok necháme asi jeden týden odpařovat a krystalizovat za laboratorní teploty.
Pozorujeme vznik inkluzních krystalů. Povedené exempláře můžeme z roztoku pinzetou
vyjmout, opláchnout nasyceným vodným roztokem K2SO4 a vysušit na vzduchu.
Příprava indiga
Indigo je modré barvivo, které se tradičně používalo k barvení textilií. Původním zdrojem
indiga byl především indigovník pravý z početného rodu indigovník, který dále patří do čeledi
bobovitých rostlin. Indigovník pravý je rostlina, která je doma v tropických oblastech, pochází
z Afriky, ale nejdříve začalo být využíváno k barvení textilií v Indii. Prekurzorem indiga, který
je v rostlině přítomný, je glykosid indikan, který enzymaticky hydrolyzuje na tzv. indoxyl a
glukosu. Oxidací indoxylu mírným oxidačním činidlem, např. vzdušným kyslíkem, vzniká ve
vodě nerozpustné indigo.
O
HO
HO
OH
OH
O
N
H
indikan
hydrolýza N
HO
H
indoxyl
oxidace
indigo
N
N
H
O
O
H
Indigo je kypové barvivo, tzn. že se jeho molekuly chemicky nespojují s textilním vláknem,
ale zachycují se jako nerozpustný pigment na povrchu vlákna.
Příprava syntetického indiga byla poprvé popsána v roce 1870, roku 1897 byla zahájená
průmyslová komerční produkce syntetického indiga. Syntéza indiga je založena na bazické
kondenzaci 2-nitrobenzaldehydu a acetonu (Baeyerova-Drewsenova syntéza).
134
indigo
N
N
H
O
O
H
O
H
NO2
H3C CH3
O
+
NaOH
aceton2-nitrobenzaldehyd
Indigo je prakticky nerozpustné ve vodě a jako takové je nelze přímo použít k barvení textilních
vláken. Redukcí indiga dithioničitanem sodným nebo hydrogensiřičitanem v bazickém
prostředí vzniká tzv. leukoindigo, které je ve vodě rozpustné. V podobě roztoku může být tato
látka aplikována na vlákna, přičemž kyslík přítomný ve vzduchu leukoindigo zoxiduje zpět na
indigo, které zůstane na vláknu zachyceno.
indigo
N
N
H
O
O
H
Na2S2O4 a NaOH
O2
leukoindigo
N
N
H
O
O
H
Na
Na
Chemikálie:
2-nitrobenzaldehyd, aceton, 10% vodný roztok NaOH, ethanol, Na2S2O4, vodný roztok NaOH
o koncentraci 2 mol dm−3
Postup
Příprava indiga
Navažte 1,0 g 2-nitrobenzaldehydu do kádinky (250 cm3), rozpusťte jej ve 20 cm3 acetonu
a zřeďte 40 cm3 deionizované vody. Za intenzívního míchání skleněnou tyčinkou přilijte do
tohoto roztoku 5 cm3 roztoku hydroxidu sodného o koncentraci 2 mol dm−3. Roztok okamžitě
změní barvu na intenzivně žlutou, následně ztmavne a po přibližně 20 sekundách se objeví
tmavá sraženina indiga. V míchání pokračujte dalších 5 minut.
Na Büchnerově nálevce odsajte vzniklé indigo. Produkt na filtru promývejte deionizovanou
vodou dokud odtékající voda nebude bezbarvá (bude potřeba cca 200 cm3). Následně promyjte
produkt 40 cm3 ethanolu.
Produkt můžete vysušit ve vakuové sušárně. Od vysušeného produktu můžete změřit IR
a NMR spektra.
Barvení
Do kádinky (100 cm3) dejte cca 100 mg indiga, přidejte několik kapek ethanolu a směs promíchejte
skleněnou tyčinkou. Do směsi přidejte 1 cm3 deionizované vody a vzniklou suspenzi
důkladně promíchejte. Do suspenze přidejte 3 cm3 roztoku hydroxidu sodného o koncentraci
2 mol dm−3.
V další kádince o objemu 100 cm3 si připravte roztok dithioničitanu sodného rozpuštěním
0,6 g této látky ve 20 cm3 deionizované vody. Následně přilijte tento roztok do kádinky
s indigem a kádinku přikryjte hodinovým sklem. Roztok v kádince zahřejte ve vodní lázni na
50 ◦C a jakmile se roztok zbarví do žluta anebo zelena, přidejte dalších 40 cm3 deionizované
vody.
135
Do roztoku ponořte tkaninu, kterou chcete obarvit a nechte ji stát 1 hodinu při 50 ◦C.
Roztok občas promíchejte.
Po 1 hodině vyjměte tkaninu z kádinky pomocí kleští nebo pinzety a vytlačte z ní ulpělý
roztok. Po chvíli byste měli pozorovat ztmavnutí tkaniny. Následně odstraňte z tkaniny zbytky
indiga, které se nezachytily na její vlákna, propláchnutím tkaniny pod tekoucí vodou.
136
Jodometrické stanovení siřičitanů ve víně
Oxid siřičitý (SO2) je významnou přídatnou látkou do vína, používanou při výrobě vína
již od starověku. Oxid siřičitý zabraňuje množení bakterií, plísní a kvasinek, proto se užívá
k desinfekci (tzv. síření) sudů. Cíleně se rovněž přidává do samotného vína, protože vedle
antiseptických účinků má antioxidační a antialdehydické vlastnosti. Oxid siřičitý ve víně najdeme
ve volné a vázané formě. Vázaný oxid siřičitý vzniká vázáním volného oxidu siřičitého
na látky rozpuštěné ve víně a již nemá žádné účinky.
Ke stanovení koncentrace oxidu siřičitého (siřičitanů) ve víně použijeme jodometrickou
titraci odměrným roztokem KI3 o koncentraci 0,02 mol dm−3. Základem je stanovení je reakce:
SO2−
3 + I2 + H2O −→ SO2−
4 + 2 I− + 2 H+
Ke stanovení siřičitanu ve víně je potřeba vzorek okyselit, aby došlo k uvolnění volného siřičitanu.
Celkové siřičitany se uvolní po alkalizaci vzorku pomocí NaOH. Protože víno obsahuje
mnoho jiných látek, které mohou reagovat s jodem, je potřeba provést korekci na koncentraci
interferujících látek. Po přidání roztoku formaldehydu dojde k adici siřičitanu na tento
aldehyd, následně lze stanovit spotřebu odměrného roztoku způsobenou vedlejšími reakcemi.
Chemikálie:
Odměrný roztok KI3 (c = 0,02 mol dm−3), roztok Chelatonu III (cm = 30 g dm−3), roztok
H2SO4 (c = 1,8 mol dm−3), roztok NaOH (c = 4 mol dm−3), škrobový maz (w = 1%), vodný
roztok formaldehydu (w = 10%).
Postup stanovení:
• Do titrační baňky napipetujeme 50 cm3 vína, přidáme 1 cm3 roztoku Chelatonu III,
5 cm3 škrobového mazu a 3 cm3 1,8M-H2SO4. Takto připravený roztok titrujeme odměrným
roztokem KI3 do modrého zbarvení. Stanovíme spotřebu odměrného roztoku
odpovídající reakci volných siřičitanů V1.
• Do stejného roztoku, který zůstal v titrační baňce přidáme dále 8 cm3 4M-NaOH a po
zamíchání necháme roztok 5 minut stát. Následně přidáme 10 cm3 1,8M-H2SO4 a ztitrujeme
odměrným roztokem KI3 do modrého zbarvení. Stanovíme spotřebu odměrného
roztoku odpovídající reakci vázaných siřičitanů V2.
• Pro vyvázání veškerých siřičitanů z vína přidáme k roztoku ještě 20 cm3 4M-NaOH a
po zamíchání necháme roztok opět 5 minut stát. Roztok následně okyselíme přídavkem
30 cm3 1,8M-H2SO4. Stanovíme spotřebu V3.
• Pro stanovení koncentrace interferujících látek postupujeme následovně: do titrační
baňky napipetujeme 50 cm3 vína, přidáme 1 cm3 roztoku Chelatonu III, 5 cm3 škrobového
mazu a 5 cm3 10% roztoku formaldehydu. Roztok poté okyselíme přídavkem 3 cm3
1,8M-H2SO4 a ztitrujeme jej odměrným roztokem KI3 do modrého zbarvení. Stanovíme
spotřebu odměrného roztoku V4.
V1/cm3 V2/cm3 V3/cm3
1. titrace
2. titrace
3. titrace
Průměr
137
Vyhodnocení:
Spotřebu odměrného roztoku pro titraci celkových siřičitanů (VKI3 ) stanovíme z rovnice:
VKI3 = V1 + V2 + V3 − V4
Výpočet molární koncentrace celkových siřičitanů ve víně:
nKI3 = nSO2−
3
cKI3 · VKI3 = cSO2−
3
· VSO2−
3
cSO2−
3
=
cKI3 · VKI3
VSO2−
3
kde:
cKI3 – přesná koncentrace odměrného roztoku KI3 (najdeme na lahvi s odměrným roztokem)
VKI3 – spotřeba odměrného roztoku KI3
cSO2−
3
– molární koncentrace celkových siřičitanů ve víně
VSO2−
3
– objem vzorku vína odebraného k titraci
Hmotnostní koncentrace celkového oxidu siřičitého ve víně (cm,SO2−
3
) vypočítáme podle
rovnice:
cm,SO2−
3
= cSO2−
3
· M(SO2)
kde:
M(SO2) = 64,06 g mol−1
Poznámka:
Víno bez oxidu siřičitého se nedá prakticky vyrobit. Při běžné koncentraci volného oxidu
siřičitého ve víně je tato látka zdravotně nezávadná. Pouze ve velmi vysoké koncentraci ve
víně může způsobit bolesti hlavy. Koncentrace volného oxidu siřičitého by neměla překročit
hranici 50 mg/l. Celková povolená koncentrace SO2 závisí na druhu vína a obsahu zbytkového
cukru, pohybuje se v rozmezí 100–400 mg/l.
Není barva jako barva, aneb hrátky s chromatografií
Pomůcky:
Kádinky, skleněné tyčinky, nůžky, hnědá fixa.
Chemikálie:
Líh (ethanol).
138
Postup:
Před zahájením práce:
1. Vzpomeňte si, co se asi stane, když vám na papír, který je popsaný fixou nebo inkoustem
kápne nějaká kapalina, třeba voda. Popište z vlastní zkušenosti, k čemu dojde.
2. K dispozici máte kus křídy, na které je nakreslená čára hnědou fixou. Co předpokládáte,
že se stane, když křídu s fixou ponoříme jednou stranou do kádinky s lihem? Zformulujte
vlastní hypotézu.
Experiment s fixou:
1. Prakticky proveďte experiment, jehož hypotézu jste zformulovali v předchozím bodě.
Křídu s fixou ponořte do kádinky, ve které je asi 1cm vrstva lihu a líh nechejte vzlínat
do té doby, než budete schopní potvrdit/vyvrátit hypotézu (ale aspoň 10 minut). Zapište,
co se stalo a porovnejte to s vaší hypotézou.
2. Experiment, který jste právě provedli je základem pro metodu dělení směsí zvanou
chromatografie. Popište vlastními slovy její princip.
139
3. Nyní v libovolném zdroji vyhledejte princip chromatografie, napište jej a porovnejte,
v čem jste se trefili a v čem nikoliv. Nezapomeňte uvést, ze kterého zdroje jste čerpali.
Zelené listy – jsou skutečně zelené?
1. Než začnete experimentovat, popište, co se děje s listy stromů na podzim.
2. Jaká barviva podle vás listy obsahují? Stačí, když uvedete jejich barvu.
3. Navrhněte experiment, kterým byste prokázali, která barviva jsou v listech obsažená.
Napište pracovní postup a nevynechejte žádný krok. Nápověda: Dobře se podívejte, co
je k dispozici za pomůcky. Mimochodem, barviva v listech se dobře rozpouštějí v lihu.
Experiment se zelenými listy
1. Podle postupu, který jste popsali se pokuste dokázat, zda a jaká barviva jsou přítomna
v listech. Popište, k jakým výsledkům jste došli.
140
2. Jak byste na základě toho, co vám vyšlo, modifikovali pracovní postup? Popište, co byste
podruhé udělali jinak.
Závěr
1. Zformulujte závěr z dnešní práce.
141
Výroba krému
Krémy jsou směsi tuků určené k použití na kůži, na kterou mají pozitivní účinek. Krémy mají
emulzní bázi (olej ve vodě – přímá emulze nebo voda v oleji – obrácená emulze). Emulzní
základ se skládá ze tří částí – olejové fáze, vodné fáze a emulgátoru, který udržuje rovnováhu
mezi olejovou a vodnou fází, a proto musí být lehce rozpustný alespoň v jedné z fází. Druh
emulgátoru má také vliv na povahu výsledného krému. Pro delší životnost krému se v průmyslové
výrobě často navíc přidávají konzervační látky, které zabraňují vzniku plísní, a zvlhčovače
(např. glycerin nebo propylenglykol). Pokud mají směsi olejovou bázi namísto emulzní báze,
nazýváme je masti.
Krémy nachází svoje využití zejména v kosmetickém a farmaceutickém průmyslu (léčivo se
přidává do té fáze, ve které je rozpustné). Více se zde uplatňují emulzní báze typu olej ve vodě,
protože báze typu voda v oleji jsou z dlouhodobého hlediska fyzikálně nestabilní. Uplatnění ale
nacházejí jako krémy s chladivým účinkem, který je způsoben pomalým odpařováním vodné
fáze (tzv. mizející krémy). Báze typu olej ve vodě obsahují parafínové alkoholy, které mají
hydratační účinky.
Pomůcky:
Dvě kádinky (100ml a 150 ml), nádoba na vodní lázeň, vařič, skleněná tyčinka.
Chemikálie:
Triethanolamin (C6H15NO3), kyselina stearová (CH3(CH2)16COOH), lanolin, olej, voda.
Postup:
1. V kádince o objemu 100 ml smíchejte všechny nepolární složky, tedy 10 g kyseliny
stearové, 8 g lanolinu a 10 ml oleje.
2. V kádince o objemu 150 ml smíchejte všechny polární složky, tedy 50 ml vody a 2 ml
triethanolaminu.
3. Začněte zahřívat vodní lázeň, do které umístíte kádinku s nepolárními složkami (pomoct
si můžete laboratorními kleštěmi). Skleněnou tyčinkou míchejte obsah kádinky do doby,
než se všechny složky rozpustí, poté vyjměte kádinku z vodní lázně.
4. Do vodní lázně umístěte kádinku s polárními složkami a zahřívejte ji po dobu 5 minut
za občasného promíchání tyčinkou.
5. Po vyjmutí kádinky z vodní lázně pomalu nalijte nepolární složku do kádinky s polární
složkou.
6. Směs intenzivně míchejte skleněnou tyčinkou a pozorujete vznik krému. Vzniklý krém
můžete aromatizovat esenciálními oleji.
142
Obr. 48: (a) Výchozí látky pro přípravu krému. V kádince jsou naváženy polární a nepolární
složky krému. (b) Rozpouštění nepolárních složek za zahřívání ve vodní lázni.
Obr. 49: (a) Nalévání nepolární složky do kádinky s polární složkou. (b) Kádinka s výsledným
krémem.
Poznámka:
Během zahřívání kádinky s polární složkou se může stát, že nepolární složka začne v kádince
opět tuhnout. Před smícháním složek je proto nutné obsah kádinky s nepolárními složkami
opět zahřát ve vodní lázni, dokud se všechny složky znovu nerozpustí.
Ovlivnění chemické rovnováhy podmínkami
Vratné reakce po dostatečně dlouhé době dospějí do stavu chemické rovnováhy, kdy se rychlost
přímé reakce a zpětné reakce vyrovnají. Z pohledu termodynamiky v rovnováze nedochází ve
směsi ke změně Gibbsovy reakční energie a ∆G = 0. Složení směsi reagujících látek v chemické
143
rovnováze vystihuje rovnovážná konstanta K. Pro danou reakci, teplotu a tlak je její hodnota
stálá bez ohledu, jaké bylo složení reakční směsi na počátku.
Bohužel se vyskytují reakce, jejichž rovnováha není výrazně posunuta směrem k produktům
ani reaktantům, což stěžuje například praktické využití této reakce. Nevýhodná pozice
rovnováhy znamená nižší výtěžek produktu reakce izolovaného z rovnovážné směsi. Složení
rovnovážné směsi však je možné změnit vnějším zásahem, například odebráním nebo přidáním
látky, změnou tlaku nebo teploty, a tím získat více produktu.
Efekt změny podmínek na složení rovnovážné směsi na přelomu 19. a 20. století studoval
Henri Le Chatelier, který vyslovil obecný princip, podle kterého systém v rovnováze reaguje
na změnu podmínek dosažením jiné rovnováhy tak, aby změna ve složení směsi působila
proti vnější změně. Je potřeba dobře rozlišovat zásahy, které zachovávají hodnotu K a vedou
jen ke změně ve složení směsi, a změny, které mění hodnotu K a následně i složení reakční
směsi. Změna tlaku a přidání nebo odebrání reagujících složek ze směsi zachovává hodnotu
K. Naopak změna teploty ovlivní hodnotu K.
Klasickým pokusem, který ukazuje posun chemické rovnováhy v reakci na změnu teploty
nebo koncentrace látek účastnících se reakce, je reakce [Co(H2O)6]2+ s chloridovými anionty.
Ve vodném roztoku kobaltnatých iontů a chloridových aniontů existuje následující komplexotvorná
rovnováha:
[Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- [CoCl4]2- + 6 H2O
Hydratovaný kobaltnatý kationt má růžovou barvu, bezvodý kobaltnatý kation podobně
jako další komplexní sloučeniny Co2+ je modrý. Změna barvy směsi tak může naznačit, kterým
směrem se rovnováha posouvá. Při experimentu je potřeba začít s roztokem, který obsahuje
obě látky v podobném množství a barva roztoku je směsí barev reaktantu a produktu.
Tento klasický experiment vyžaduje použití kobaltnatých solí, které jsou problematické
s ohledem na toxicitu (jsou například inhalačními karcinogeny). Jako vhodnější alternativa
se nabízí analogický experiment s koordinací měďnatého kationu halogenidovými aniony ve
vodném roztoku.
[Cu(H2O)6]2+ + 4 Br- [CuBr4]2- + 6 H2O
I v tomto případě má výchozí vodou koordinovaný kation jinou barvu než produkt.
Rovnovážná tvorba tetrachloridokobaltnatanového aniontu
Pomůcky:
Odměrný válec (25 ml), odměrná baňka (25 ml), malá nálevka, váženka, kádinky, skleněná
tyčinka, špachtle, pasteurovy pipety, zkumavky, střička.
Chemikálie:
Hexahydrát chloridu kobaltnatého, konc. kyselina chlorovodíková, demineralizovaná voda.
Postup:
1. Navažte 3,00 g CoCl2 · 6H2O a látku nasypte do nálevky umístěné v ústí odměrné baňky.
V odměrném válci odměřte 12 ml konc. kyseliny chlorovodíkové a touto kyselinou chlorid
kobaltnatý do baňky spláchněte. Zbytky chloridu kobaltnatého z váženky a nálevky
spláchněte demineralizovanou vodou. Mícháním rozpusťte všechen chlorid kobaltnatý,
roztok doplňte vodou po rysku a opět promíchejte.
144
2. Část připraveného roztoku v kádince za míchání zřeďte vodou tak, aby došlo ke změně
jeho barvy na fialovou, mezi modrou a růžovou. Roztok rozdělte do čtyř zkumavek.
3. Část připraveného roztoku vložte do ledové lázně a sledujte barevnou změnu při jeho
ochlazování. Následně roztok můžete vyjmout a opět pozorujte barevnou změnu.
4. Část připraveného roztoku vložte do vodní lázně vyhřáté na 90 ◦C a sledujte barevnou
změnu.
5. K části zředěného roztoku přidejte několik krystalů CoCl2 · 6H2O, roztok zamíchejte
a pozorujte barevnou změnu.
6. K další části zředěného roztoku přidejte několik kapek koncentrované kyseliny chlorovodíkové,
roztok zamíchejte a pozorujte barevnou změnu.
Rovnovážná tvorba tetrabromidoměďnatanového aniontu
Pomůcky:
Váhy, odměrný válec (10, 25 nebo 50 ml), kádinky (50 a 100 ml), skleněná tyčinka, stojan
na zkumavky, zkumavky, střička s demineralizovanou vodou, kádinka nebo nádoba na horkou
vodní lázeň a ledovou lázeň.
Chemikálie:
Pentahydrát síranu měďnatého, konc. kyselina bromovodíková (40 až 48 %), demineralizovaná
voda, sůl kamenná kuchyňská (NaCl).
Postup:
1. V kádince o objemu 100 ml rozpusťte za míchání 3 g CuSO4 · 5H2O ve 20 ml demineralizované
vody.
2. Z roztoku oddělte cca 3 ml do zkumavky. K roztoku přidejte 5 ml koncentrované kyseliny
bromovodíkové a roztok promíchejte. V nadbytku bromidových iontů v roztoku převládá
tetrabromidoměďnatanový anion. Pozorujte a poznamenejte si barvu roztoku tohoto
iontu.
3. Z roztoku připraveného v prvním bodě odeberte 15 ml do kádinky o objemu 50 ml.
K roztoku přidejte cca 5 ml koncentrované kyseliny bromovodíkové a roztok tyčinkou
promíchejte. Výsledný roztok by měl mít tmavě zelenou až zeleno-hnědou barvu.
Pokud je stále světle zelený, přidávejte opatrně malá množství koncentrované kyseliny
bromovodíkové. Pokud je příliš tmavý, roztok opatrně zřeďte demineralizovanou vodou.
4. Připravený roztok rovnoměrně rozdělte do čtyř zkumavek a zkumavky označte čísly 1–4.
5. V kádince nebo misce připravte ledovou lázeň smícháním ledu a kuchyňské soli. Do lázně
vložte první zkumavku s roztokem a po několika minutách pozorujte barevnou změnu.
6. Na vařiči nebo míchačce s ohřevem si připravte lázeň s horkou vodou. Do této lázně
vložte druhou zkumavku a po několika minutách pozorujte barevnou změnu.
7. Obsah třetí zkumavky zřeďte demineralizovanou vodou na dvojnásobný objem a roztok
promíchejte. Pozorujte barevnou změnu.
145
8. Čtvrtou zkumavku ponechejte za laboratorní teploty. Barevné změny nastalé v předchozích
třech bodech porovnávejte s tímto roztokem.
9. Zkumavky 1 a 2 vyjměte z horké i ledové lázně a vložte je do kádinky s vodou, která má
laboratorní teplotu a počkejte, až se teplota roztoku ve zkumavkách vyrovná s teplotou
lázně. Pozorujte barevné změny.
10. Nakonec k roztoku ve čtvrté zkumavce přidejte několik kapek koncentrované kyseliny
bromovodíkové, roztok zamíchejte a pozorujte barevnou změnu.
Doplňující otázky:
1. Uveďte pozorovanou barvu [Cu(H2O)6]2+ a [CuBr4]2− ve vodném roztoku. Odpověď
můžete doprovodit fotografií.
2. Svá pozorování a navržené závěry shrňte v následujících tabulkách.
Provedená změna
Směr posunu složení rovnovážné směsi
[Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- [CoCl4]2- + 6 H2O
Zředění vodou
Ochlazení
Zahřátí
Přídavek HCl
Přídavek CoCl2 · 6H2O
Provedená změna
Směr posunu složení rovnovážné směsi
[Cu(H2O)6]2+ + 4 Br- [CuBr4]2- + 6 H2O
Zředění vodou
Ochlazení
Zahřátí
Ochlazení teplého roztoku
na laboratorní teplotu
Ohřátí studeného roztoku
na laboratorní teplotu
Přídavek HBr
3. Jsou barevné změny vyvolané zahřátím a ochlazením roztoku vratné? Co vaše tvrzení
podporuje?
4. Vysvětlete změnu v zastoupení výchozí látky a produktu po přídavku vody ke směsi,
když koncentrace všech přítomných látek tímto zředěním klesnou stejným způsobem.
Platí pro reakce obou kationů.
146
5. Uveďte, zda jsou reakce v uvedeném směru exotermní nebo endotermní. Své tvrzení
zdůvodněte.
6. Uveďte dva příklady nevratné chemické reakce.
7. Rozklad CaCO3 na CaO a CO2 je silně endotermní reakce, při teplotě 800 °C je rovnovážný
tlak CO2 nad pevným CaCO3 a CO2 jen 0,22 atm. Vysvětlete, jak je možné
zajistit, aby ve vápenkách proběhla reakce s úplnou přeměnou CaCO3 na CaO a CO2.
Poznámka:
Experiment s měďnatými kationty a HBr lze analogicky provést i s HCl. Barevné změny při
komplexaci chloridů jsou však ve srovnání s bromidy méně výrazné.
Příprava alternativního inkoustu ze zeleného čaje
Existuje velké množství postupů pro přípravu alternativních inkoustů, mezi nejznámější patří
inkoust využívající hálky žlabatky dubové, které jsou mezi laickou veřejností známé jako
duběnky. Pro přípravu inkoustu však lze použít i jiný materiál, jako je v třeba zelený čaj.
Zelený čaj obsahuje velice pestrou směsici látek jako jsou například polyfenoly nebo kofein.
Pro přípravu inkoustu jsou však důležitější látky nazývané taniny (někdy nazývané třísloviny),
které mohou po přidání vhodných iontů vytvořit černě zbarvený roztok, který lze použít jako
alternativu k inkoustům dostupným v papírnictví.
Pomůcky:
Dvě kádinky (400ml), kádinka (250ml), kádinka (100ml), chemická lžička, váhy, vařič nebo
elektromagnetická míchačka s ohřevem, 2 skleněná tyčinky, filtrační aparatura (filtrační kruh,
nálevka, filtrační papír), odměrný válec (100ml), odměrný válec (10 ml), špejle a nůž.
Chemikálie:
Heptahydrát síranu železnatého (zelená skalice), zelený čaj, arabská guma a červené víno.
Postup:
1. Ve velké kádince (400 ml) zahřejte 250 ml vody, do které vsypejte 35 g arabské gumy.
2. Získanou směs za občasného promíchávání nechte stát asi 1 hodinu.
3. Připravte si 2 sáčky zeleného čaje, nebo navážte přibližně 4 g sypaného zeleného čaje.
4. V kádince (400 ml) dejte vařit 200 ml vody, do které následně vhoďte čaj, a vařte směs
po dobu 5 minut.
5. Nechte čaj mírně vychladnout a poté proveďte filtraci přes smotek vaty.
6. Než dojde k přefiltrování čaje, připravte si v kádince (100 ml) roztok zelené skalice
z přibližně 3,5 g heptahydrátu síranu železnatého a 50 ml vody.
7. Roztok zelené skalice míchejte tyčinkou do úplného rozpuštění, poté ponechte roztok
několik minut stát.
147
8. Do přefiltrovaného čaje vlijte 30 ml roztoku arabské gumy a 15 ml červeného vína. Směs
zamíchejte.
9. Následně přidejte 15 ml roztoku zelené skalice a vzniklou směs důkladně promíchejte.
10. Před použitím nechte inkoust minimálně 15 minut stát.
11. Pomocí naostřené špejle můžete připraveným inkoustem zkusit psát na kancelářský pa-
pír.
Poznámky:
• Připravený roztok arabské gumy je vhodné využít pro více skupin pracujících na úloze,
aby se předešlo zbytečnému plýtvání.
• Při použití sáčkového čaje je možné vynechat filtraci, pokud není připravený čaj příliš
znečištěn úlomky čajových lístků.
• Pokud provádíme filtraci čaje, dochází poměrně rychle k zanesení filtračního papíru
nečistotami a celý proces se tím výrazně zpomaluje. Proto může být vhodné v polovině
filtrace vyměnit filtrační papír za nový.
• Roztok zelené skalice začíná po stání na vzduchu žloutnout. Tato změna není závadou
a mírně nažloutlý roztok je možné použít.
• Pokud není dostupné červené víno a arabská guma, je možné přidání těchto komponent
vynechat.
• Pokud není barva inkoustu dostatečně intenzivní, je vhodné přidat několik mililitrů
roztoku zelené skalice a několik minut počkat.
Obr. 50: Vzorek inkoustu v kádince.
148
Obr. 51: Nápis na kancelářském papíře provedený pomocí připraveného inkoustu.
Doplňující otázky:
1. Uveďte, jakou funkci v připraveném inkoustu má arabská guma.
149
Experimenty s polyfenoloxidasami
Polyfenoloxidasa (PPO) je obecné označení pro enzym vyskytující se v některých vybraných
druzích ovoce (například jablka) nebo zeleniny (brambory). Tento enzym katalyzuje oxidaci
polyfenolů obsažených v rostlinném ma-teriálu a v následném sledu reakcí dochází ke tvorbě
tmavých pigmentů, což se projevuje zhnědnutím povrchu brambory nebo jablka. Vzhledem
k tomu, že hnědnutí ovoce je nežádoucím jevem, jsou vyhledávány inhibitory, které by tuto
reakci zpomalily nebo úplně zastavily. Pomocí polyfenoloxidasy však nemusíme katalyticky
oxidovat pouze polyfenoly v přírodním materiálu, ale můžeme ji využít při oxidaci pyrokate-
cholu.
Chemikálie a materiál:
Siřičitan sodný, kyselina askorbová (vitamin C), pyrokatechol, brambora (středně velká), ja-
blko.
Pomůcky:
3 kusy kádinky (150 ml), nůž, 3 kusy pinzety, 3 kusy Petriho misky, 4 ks zkumavky, stojan
na zkumavky, kuchyňské struhadlo, velká třecí miska s tloučkem, odměrný válec (10 ml), 4 ks
kádinky (25 ml nebo 50 ml), vařič.
Postup:
Sledování účinků PPO v přírodních materiálech:
• Do první kádinky připravte 2% vodný roztok siřičitanu sodného (přibližně 50 ml).
• Do druhé kádinky připravte 2% vodný roztok kyseliny askorbové (přibližně 50 ml).
• Do třetí kádinky odlijte 50 ml vody.
• Bramboru a jablko omyjte a zbavte případných nečistot.
• Oba biologické objekty nakrájejte na plátky o tloušťce 0,5 cm.
• Vzorky co nejrychleji vložte do připravených roztoků v kádinkách a nechte je inkubovat
minimálně 5 minut.
• Po uplynutí této doby vzorky vytáhněte vzorky pomocí pinzety na Petriho misky.
• Vzorky si můžete pro porovnání vyfotografovat.
• Pro porovnání proveďte kontrolu vzorků po 1 hodině a následující den.
Katalytická oxidace pyrokatecholu:
• V kádince připravte 1% vodný roztok pyrokatecholu (přibližně 10 ml).
• Do další kádinky si připravte 2% vodný roztok siřičitanu sodného (přibližně 10 ml roz-
toku).
• Do třecí misky nalijte přibližně 20 ml vody a do takto připravené třecí misky nastrouhejte
polovinu umyté brambory.
• Směs ve třecí misce roztírejte a promíchavejte pomocí tloučku alespoň 5 minut.
150
• Směs dekantujte do čisté kádinky (vzorek A). Pokud je potřeba, můžete směs ještě
přefiltrovat.
• Odeberte asi 10 ml filtrátu (vzorku A) do kádinky.
• Tento vzorek alespoň 5 minut povařte a nechte vychladnout na teplotu laboratoře (vzorek
B).
• Do zkumavky číslo 1 odměřte 2 ml vody a pomocí kapátka přidejte 7 kapek vzorku A.
• Do zkumavky číslo 2 odměřte 2 ml připraveného roztoku pyrokatecholu, přidejte kapátkem
8 kapek roztoku siřičitanu sodného a 7 kapek vzorku A.
• Do zkumavky číslo 3 odměřte 2 ml připraveného roztoku pyrokatecholu a 7 kapek vzorku
B.
• Do zkumavky číslo 4 odměřte 2 ml připraveného roztoku pyrokatecholu a 7 kapek vzorku
A.
• Obsah zkumavek pozorujte několik minut a případné změny si zaznamenávejte.
Doplňující informace pro učitele:
• Vzorky po ukrojení je vhodné co nejrychleji vhodit do inkubačních roztoků, aby vzorek
zbytečně nebyl vystaven působení vzdušného kyslíku.
• Bramboru je nezbytné strouhat do vody, protože jinak dochází k velmi intenzivnímu
hnědnutí způsobenému enzymem katalyzovanou reakcí, což by mohlo ovlivnit výraznost
barevné změny při reakci s pyrokatecholem.
• Samotná reakce po přidání katalyzátoru probíhá poměrně rychle (první změny jsou
patrné během několika málo minut), proto je reakce v přítomnosti nedenaturovaného
enzymu a substrátu (pyrokatecholu) až v poslední zkumavce.
Sledování hydrolýzy škrobu za katalýzy amylasou z pšenice
Amylasa je hydrolytickým enzymem, který dokáže katalyzovat štěpení glykosidových vazeb
ve škrobu, čím vznikají kratší řetězce zvané maltodextriny, případně disacharid maltosa nebo
monosacharid glukosa. Nejznámějším místem výskytu amylasy jsou sliny, avšak tyto enzymy
nalezneme v klíčících semenech rostlin, kde pomáhají rozložit zásobní škrob, aby byla zajištěna
výživa vyvíjejícího se embrya.
Chemikálie a materiál:
Bramborový škrob, vodný roztok KI3 (Lugolův roztok) o koncentraci c = 0,01 mol dm−3,
pšenice (naklíčená semena).
Pomůcky:
Třecí miska s tloučkem, 4 ks kádinky (100 ml), skleněná tyčinka, vařič/elektromagnetická
míchačka s ohřevem, odměrný válec (50 ml), chemická lžička, kapkovací destička, 3 ks kapátka
nebo Pasteurovy pipety, stopky nebo hodinky.
151
Postup:
1. V kádince smíchejte cca 1 g bramborového škrobu (jedna menší lžička) s 50 ml vody.
Směs krátce povařte a vzniklý škrobový maz nechte vychladnout.
2. Ve třecí misce rozdrťte 15 až 20 klíčících semen pšenice, která následně zalijte 25 ml
demineralizované vody. Směs důkladně rozetřete. Vzniklý extrakt převeďte do kádinky
a nechte přibližně 20 minut stát. Následně pevné částice z extraktu odstraňte filtrací
přes smotek vaty.
3. Do třetí kádinky odvážte 3 až 5 g (zhruba 2 velké lžičky) škrobového mazu, který zřeďte
50 ml demineralizované vody.
4. Na kapkovací destičku kápněte pomocí kapátka 1 kapku Lugolova roztoku a přidejte
k ní 2 kapky demineralizované vody. Do této kapky přikápněte 1 kapku zředěného
škrobového mazu.
5. Do nové kádinky odeberte 20 ml zředěného škrobového mazu, ke kterému přidejte
přibližně 5 ml extraktu z klíčících semen.
6. Roztok nechte inkubovat při laboratorní teplotě a občasně jej promíchejte.
7. Na kapkovací destičku připravte opět 1 kapku Lugolova roztoku a zřeďte ji 2 kapkami
demineralizované vody.
8. Po 5 minutách odeberte kapátkem vzorek z inkubované směsi s enzymem a ke zředěnému
Lugolovu roztoku na kapkovací destičce přidejte 1 kapku této směsi. Porovnejte
s reakcí (zabarvením) zředěného škrobového mazu bez enzymu a zaznamenejte si pozorování,
případně pořiďte fotografii.
9. Postup z bodů číslo 7 a 8 opakujete po 10 minutách, po 20 minutách a po 30 minutách
od přidání extraktu s enzymem.
Doplňující informace pro učitele:
• Semena pšenice je nutné nechat naklíčit několik dní před experimentem, ale obvykle se
první klíčky na semenech objevují již po 2 až 3 dnech. Pro klíčení postačí Petriho miska
s důkladně navlhčenou vatou.
• Lugolův roztok je sám o sobě hodně tmavý, což může komplikovat rozeznání barevné
změny. Tomuto problému lze předejít mírným zředěním Lugolova roztoku (viz zde přidávání
vody ke kapce roztoku), nebo jej můžeme naředit dopředu přibližně v poměru 1
ml Lugolova roztoku ku 4 ml vody.
Amylasa v medu
Cukry tvoří přibližně 80 % hmotnosti medu. Velká část zbytku, konkrétně 17 %, připadá na
vodu. Pod zbývajícími 3 % se skrývá směs více než sta různých látek, jako jsou například minerály,
aminokyseliny, mastné kyseliny a enzymy. Právě přítomnost enzymů dovoluje poměrně
jednoduše odlišit umělý a přírodní med.
V tomto cvičení prokážeme přítomnost amylasy v přírodním medu. Amylasa štěpí amylosu,
složku škrobu, která poskytuje s trijodidovými anionty charakteristické modré zabarvení.
Sledování aktivity amylasy z medu je analogické pokusu s amylasou z naklíčené pšenice.
152
Pomůcky:
Kapkovací destička, Pasteurovy pipety, teploměr, odměrný válec (25 nebo 50 ml), kádinka
(150 ml), lžička, tyčinka, hodinky, vodní lázeň, vařič nebo míchačka s ohřevem.
Chemikálie a materiál:
Pravý med, 1% roztok škrobu ve vodě, Lugolův roztok o koncentraci c = 0,01 mol dm−3
.
Postup:
1. Připravte si vodní lázeň vyhřátou na přibližně na 37 °C.
2. Do kádinky o objemu 150 ml nalijte 20 ml vody, 2 ml 1% roztoku škrobu a jednu čajovou
lžičku medu. Míchejte, dokud se med ve vodě rozpustí.
3. Na kapkovací destičku připravte 1 kapku Lugolova roztoku a přidejte 3 kapky roztoku
z kádinky. Krouživým pohybem kapkovací destičky směs promíchejte.
4. Kádinku vložte do temperované vodní lázně a roztok občas promíchejte.
5. Po 5 minutách si opět na kapkovací destičku připravte kapku Lugolova roztoku a přidejte
3 kapky roztoku z kádinky.
6. Postup dále opakujte s 5minutovou periodou, dokud budete pozorovat změnu barvy.
Tajný inkoust z kyseliny salicylové
Kyselina salicylová byla svého času využívána jako lék na horečku a bolesti hlavy, než byla
postupně nahrazena kyselinou acetylsalicylovou. Soli kyseliny salicylové se nazývají salicyláty.
Tyto soli je možné připravit například reakcí kyseliny acetylsalicylové s vodným roztokem uhličitanu
sodného. Salicyláty jsou známé svou schopností tvořit barevné sloučeniny se železitými
kationty, čehož lze využít pro tvorbu tajného inkoustu.
Chemikálie a materiál:
Kyselina salicylová nebo léčivo obsahující jako aktivní látku kyselinu acetylsalicylovou (Aspirin,
Acylpyrin, Algirin. . . ), uhličitan sodný, kyselina octová (5%), hexahydrát chloridu železitého,
ethanol.
Pomůcky:
Třecí miska s tloučkem, 2 ks chemické lžičky, 2 ks skleněné tyčinky, laboratorní váhy, odměrný
válec (100 ml), vařič, nebo elektromagnetická míchačka s ohřevem, kádinka (250 ml), kádinka
(150 ml), vatová tyčinka (případně rozprašovač), filtrační papír.
Postup:
1. Do kádinky o objemu 250 ml navážte přibližně 2,0 g hexahydrátu chloridu železitého,
který rozpusťte ve 125 ml 5% vodného roztoku kyseliny octové.
2. Pokud máte kyselinu salicylovou:
153
(a) Do kádinky (150 ml) navážte 2,0 g kyseliny salicylové, kterou rozpusťte ve 30 ml
demineralizované vody. Roztok není potřeba dále upravovat.
(b) Do roztoku můžete přidat 1,9 g uhličitanu sodného, což ovlivní výslednou barvu
tajného písma, které pak bude červené.
3. Pokud nemáte kyselinu salicylovou – použití léčivého přípravku:
(a) Ve třecí misce rozdrťte 4 tablety léčivého přípravku s kyselinou acetylsalicylovou
na jemný prášek.
(b) Do kádinky si navážte 1,9 g bezvodého uhličitanu sodného, ke kterému přisypte
rozdrcený léčivý přípravek.
(c) K sypké směsi přidejte 40 ml vody a důkladně promíchejte.
(d) Směs nechte reagovat přes noc za laboratorní teploty, nebo ji můžete opatrným
zahříváním na elektromagnetické míchačce přivést k varu. Směs vařte přibližně 5
minut a po ukončení zahřívání směs nechte vychladnout.
(e) Pokud se v roztoku vyskytnou sraženiny nebo jiné nečistoty, směs přefiltrujte pomocí
filtrační aparatury.
4. Roztok připravený z kyseliny acetylsalicylové (nebo salicylové) naneste smotkem vaty
na špejli na papír a nechte důkladně vyschnout.
5. Po zaschnutí tajné písmo vyvoláejte přetřením (nebo postříkáním pomocí rozprašovače)
připraveným roztokem železité soli.
Doplňující informace pro učitele:
• Při přípravě kyseliny salicylové, respektive její sodné soli, z léčivého přípravku je nutné
dbát na několik věcí. Zaprvé, tyto tablety obsahují řadu přidaných látek, které pravděpodobně
zůstanou nerozpuštěné a mohou tvořit sraženiny či zákal v roztoku. Větších částice
této sraženiny se po chvíli usazují a je možné jejich odstranění dekantací. Zadruhé,
při zahřívání roztoku je potřeba dbát zvýšené opatrnosti, při příliš prudkém zahřívání
by mohl roztok vykypět z kádinky. Zatřetí, hydrolýza kyseliny acetylsalicylové probíhá
i samovolně bez zahřátí, nicméně tento proces probíhá pomalu, proto je nezbytné při
volbě této přípravy nechat reakci probíhat několik hodin (nejlépe do druhého dne).
• Pokud není k dispozici železnatá sůl, je možné využít například zelenou skalici (2 g do
125 ml 5% kyseliny octové). Kationty Fe2+ se postupně oxidují na kationty Fe3+. Pro
urychlení oxidace je možné použít roztok chlornanu sodného (běžně dostupný v čistících
prostředcích pro domácnost – Savo), který přidáme k roztoku železnaté soli a oxidace je
téměř okamžitá. Nevýhodou je velmi nepříjemný zápach čistícího prostředku.
• Čistou kyselinu salicylovou lze rozpustit i v ethanolu (2 g kyseliny salicylové do 30
ml ethanolu). Práce s ethanolickým roztokem přináší řadu výhod. Vodný roztok po
zaschnutí nechává stopu ve formě zvlněného filtračního papíru, k čemuž u ethanolického
roztoku nedochází. Druhu výhodou je výrazně rychlejší zasychání v porovnání s vodným
roztokem.
• V případě, že pracujeme s čistou kyselinou salicylovou, je zajímavé si všimnou vlivu
přídavku uhličitanu sodného na barvu písma. Pokud roztok kyseliny salicylové obsahuje
přídavek uhličitanu, vzniklé písmo má červenou barvu. Pokud připravíme roztok bez
uhličitanu, je výsledné písmo fialové.
154
Příprava berlínské modři
Berlinská modř (známá také jako pruská, braniborská nebo pařížská modř) je historicky první
syntetický pigment o složení K4[Fe(CN)6]3 · xH2O, kde x je 12–16. K jejím hlavním výhodám
patří malá toxicita, nízká cena, intenzívní barva a vysoká stabilita na slunečním světle. Historicky
byla berlínská modř vyráběna oxidací hexakyanoželeznatanů, my však k její přípravě
použijeme reakci hexakyanoželeznatanu draselného (žluté krevní soli) s nadbytkem železitých
kationtů.
4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] Fe4[Fe(CN)6] + 12 KCl
Berlínská modř má stejné složení jako tzv. Turnbullova modř, jen se liší metodou přípravy
(např. reakcí železnatých iontů s hexakyanoželezitanem). Trochu odlišná barva pigmentů je
způsobena odlišnými nečistotami a velikostí částic.
Berlínská modř byla poprvé připravena na začátku 18. století a již v první polovině tohoto
století byla používána jako barva uniforem pruských vojáků. Další zajímavostí je, že se používá
v lékařství jako antidotum při otravách těžkými kovy.
Chemikálie:
Hexahydrát chloridu železitého, hexakyanoželeznatan draselný, ethanol.
Postup:
• V kádince o objemu 50 cm3 připravte nasycený roztok chloridu železitého rozpuštěním
3,7 g hexahydrátu chloridu železitého v 5 cm3 demineralizované vody.
• V další kádince o objemu 25 nebo 50 cm3 připravte nasycený roztok 1,39 g hexakyanoželeznatanu
draselného v 5 cm3 vody.
• Nalijte za míchání roztok hexakyanoželeznatanu draselného do roztoku chloridu železi-
tého.
• Odsajte vzniklou sraženinu pomocí Büchnerovy nálevky. Sraženinu na filtru promyjte
dvakrát vodou a následně ethanolem.
• Produkt můžete vysušit na vzduchu nebo ve vakuové sušárně.
Příprava malachitu
Malachit je minerál s chemickým složením Cu2CO3(OH)2 (bazický uhličitan měďnatý). Naleziště
malachitu se nacházejí na různých místech světa. Jedná se o sekundární minerál vzniklý
působením vodných roztoků oxidu uhličitého nebo uhličitanů na primární minerály, které
obsahují měď. Malachit byl využíván jako pigment již ve starověkém Egyptě. V této úloze
malachit připravíme reakcí vodného roztoku měďnaté soli s mírným nadbytkem uhličitanu
sodného.
2 CuSO4 + 2 Na2CO3 + H2O Cu2CO3(OH)2 + 2 Na2SO4 + CO2
Chemikálie:
Pentahydrát síranu měďnatého, uhličitan sodný, ethanol.
155
Postup:
• V kádince o objemu 150 cm3 rozpusťte 6,2 g pentahydrátu síranu měďnatého ve 25
cm3 demineralizované vody.
• V další kádince o objemu 150 cm3 rozpusťte 2,9 g uhličitanu sodného ve 25 cm3
demineralizované vody.
• Za intenzívního míchání pomalu přidejte roztok uhličitanu sodného k roztoku síranu
měďnatého. Pozor, reakční směs bude intenzivně pěnit.
• Vložte kádinku s reakční směsi do ledové lázni a nechte ji chladit po dobu 30 minut.
• Odsajte vzniklou sraženinu pomocí Büchnerovy nálevky. Sraženinu na filtru promyjte
dvakrát vodou a následně ethanolem.
• Produkt můžete vysušit volně na vzduchu nebo ve vakuové sušárně.
Výroba barev z pigmentů
Barva je hmota, která je přilnavá k podkladu a která se nanáší na předmět za účelem jeho
ochrany a ke změně barevných vlastností povrchu. Nejdůležitějšími složkami barvy jsou pigment
a pojivo. Pigment je látka, která je v pojivu nerozpustná, tím se liší od barviva, které
se v pojivu rozpouští. Kromě těchto složek v barvě často najdeme ještě další složky, mezi něž
patří rozpouštědla, emulgátory, katalyzátory, stabilizátory a další látky. Podle rozpouštědla
dělíme barvy na vodové, lihové, olejové, acetonové, atd. Důležitou vlastností barvy je její
adheze – přilnavost k povrchu předmětu.
Pojiva mají rozdílné chemické složení. Olejové barvy obsahují jako pojivo vysychající olej,
který je bohatý na polynenasycené mastné kyseliny. Podstatou tuhnutí (vysychání) oleje je
reakce nenasycených mastných kyselin se vzdušným kyslíkem, která vede k tvorbě organických
hydroperoxidů. Tyto peroxidy následně iniciují radikálovou polymeraci molekul s násobnými
vazbami. Často je využíván lněný olej, který se tradičně ředí terpentýnem, lze ale použít i jiné
uhlovodíky. Temperové barvy mohou jako pojivo obsahovat koncentrovaný roztok bílkovin.
Historicky se k tomuto účelu využívaly například vaječné žloutky.
Příprava olejové barvy
Chemikálie:
Lněný olej, terpentýnový olej, pigmenty.
Postup:
• Připravte pojivo olejové barvy smísením 10 cm3 lněného oleje s 20 cm3 terpentýnového
oleje.
• Ve třecí misce důkladně rozmělněte zvolený pigment. K pigmentu pak po malých částech
přidávejte pojivo a směs míchejte. Ukončete přidávání pojiva v okamžiku, kdy bude mít
směs očekávanou konzistenci.
• Hmotu přemístěte z třecí misky do vhodné nádoby pomocí lžičky a špachtle.
156
Příprava temperové barvy
Chemikálie:
Slepičí vejce, pigmenty.
Postup:
• Zvážené množství pigmentu důkladně rozetřete v třecí misce.
• Oddělte vaječný žloutek od bílku. Můžete případně použít papírovou utěrku k odstranění
bílku z povrchu žloutku.
• Ostrým předmětem (např. párátkem) propíchněte blánu na povrchu žloutku a obsah
žloutku nalijte do kádinky nebo jiné vhodné nádoby.
• K rozetřenému pigmentu v třecí misce přidejte vodu (1 cm3 vody na jeden gram pigmentu).
Směs promíchejte, aby vznikla pastovitá hmota.
• Ke směsi v třecí misce přidejte žloutek (1 až 1,5 cm3 žloutku na gram pigmentu). Směs
důkladně zamíchejte. Vzniknout by měla hmota konzistence majonézy.
• Hmotu přemístěte z třecí misky do vhodné uzavíratelné nádoby pomocí lžičky a špachtle.
Barvu skladujte v uzavřené nádobě.
Poznámka
Takto připravená temperová barva by měla po nanesení na podklad uschnout do 1 až 2 minut.
Po uschnutí by se také neměla odlupovat.
157
Obr. 52: Obrázky malované temperovými barvami obsahujícími syntetický malachit a berlínskou
modř.
158
Výpočet molární rozpouštěcí entalpie solí ve vodě
Entalpie je jednou ze základních veličin termochemie. Značí se H a její základní jednotkou je
joule (J). Pro soustavu o neměnném počtu částic se entalpie definuje vztahem:
H = U + pV,
kde U značí vnitřní energii soustavy, p je její tlak a V je objem.
Jedná se o stavovou veličinu. Popisuje tedy stav termodynamického systému. Zároveň je to
extenzivní veličinu, to znamená, že její hodnota závisí na velikosti systému. Další důležitou
vlastností entalpie je, že nejsme schopni změřit přesnou hodnotu entalpie daného systému.
Jsme však schopni změřit její změnu, která se značí ∆H.
V této úloze se bude měřit teplo potřebné (případně uvolněné) pro rozpuštění látek ve vodě.
Při rozpuštění látky ve vodě dochází k rozbití původních vazebných interakcí soli a dokonce
i vody. Tento proces je endotermický a platí ∆H1 > 0 a ∆H2 > 0. Následně dojde ke vzniku
nových interakcí mezi částicemi v roztoku a dojde k ohřátí vody. Platí tedy ∆H3 < 0. Výsledná
entalpie roztoku se vyjádří vztahem:
∆Hroz = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3
Znaménko ∆Hroz tak může být kladné, záporné nebo dokonce 0. Předpokládáme, že po přidání
soli do vody je systém tepelně izolovaný. To znamená, že rozpuštěná látka potřebnou energii
(entalpii) přijme od vody, což se projeví snížením teploty směsi. Naopak případná uvolněná
energie z rozpouštění se předá vodě, což se projeví vzrůstem teploty směsi. Z fyziky známe
následující vztah
∆Q = m · c · ∆t,
kde Q je teplo potřebné k ohřátí soustavy v J, m je hmotnost soustavy v kg, c je měrná tepelná
kapacita (pro vodu c = 4 180 J·kg−1·K−1) a ∆t je změna teploty v K. (Jelikož mají Kelvin
i stupeň Celsia stejnou velikost a zde se počítá rozdíl dvou teplot, mohou se údaje o teplotě
roztoku dosazovat přímo ve stupních Celsia.) Tímto vztahem se vypočítá kolik energie voda
vydala, případně přijala. Následně se tato energie (s opačným znaménkem) vztáhne na jeden
mol rozpouštěné látky a získá se tak molární rozpouštěcí entalpie.
Pomůcky:
Teplotní čidlo Vernier, počítač, LabQuest, polystyrenový kelímek nebo jiná izolovaná nádoba,
elektromagnetická míchačka, magnetické míchadlo, odměrný válec, váha.
Chemikálie:
Voda, KNO3, KI, NaCl, NaNO3, NH4NO3, CuSO4·5H2O, KF, případně další soli a látky.
Postup
1. Sestavíme aparaturu podle obrázku 53. Na elektromagnetickou míchačku postavíme kelímek
z pěněného polystyrenu. Teplotní čidlo připevníme na stojan tak, aby detektor
čidla byl u dna kelímku.
159
2. Čidlo připojíme k jednotce LabQuest a tu propojíme s počítačem. Spustíme program
LoggerPro a nastavíme délku experimentu na 120 sekund. (To je dostatečně dlouhá doba
k rozpuštění soli a ustálení teploty.)
3. Do kelímku nalijeme 100 ml vody. Vodu mícháme magnetickým míchadlem na elektromagnetické
míchačce po celou dobu experimentu. Navážíme si 5 g jednotlivých solí.
4. Na počítači spustíme sběr dat, 5 g navážené soli přisypeme do vody v 10. sekundě experimentu.
Pozorujeme změnu teploty vody.
5. Po proběhnutí měření vypláchneme kelímek vodou a nalijeme do něj nových 100 ml vody.
Experiment můžeme opakovat s další solí.
6. Z počáteční a koncové teploty roztoku vypočítáme změnu tepla vody. Vypočítáme také
látkové množství použité látky. Pak dosadíme do následujících vztahů a získáme molární
rozpouštěcí entalpie solí ve vodě, ∆H0
roz.
∆Q = mvody · c · ∆t
∆Hroz = −∆Q
∆H0
roz =
∆Hroz
nsoli
Obr. 53: Aparatura pro měření molární rozpouštěcí entalpie solí ve vodě.
Doplňující otázky
1. Vypočítejte molární rozpouštěcí entalpii vámi zvolené soli. Nezapomeňte vložit graf s naměřenou
křivkou závislosti teploty na čase a vámi odečtený rozdíl teploty.
160
2. Jak se změní teplota směsi, když vámi zvolená sůl bude naopak krystalizovat z roztoku?
Na základě čeho lze tepelné zabarvení tohoto děje odhadnout?
Návod pro obsluhu programu Graphical Analysis
Spuštění programu
Pro práci s Vernierem je potřeba do počítače nainstalovat program „Vernier Graphical Analysis.“
Spustíme program.
Obr. 54: Ikona Graphical Analysis.
Po spuštění programu na obrazovce vyskočí následující dialogové okno:
Obr. 55: Dialogové okno při spuštění programu.
Pro zahájení nového experimentu klikneme na možnost „Měření pomocí senzorů“ na levé
straně. Pokud bychom měli již naměřená data, která bychom chtěli upravovat, klikli bychom
na pole „Vyberte soubor.“
Následně na nás vyskočí další dialogové okno, že není k počítači připojeno žádné čidlo:
161
Obr. 56: Dialogové okno, nenalezeno čidlo.
Nyní připojíme čidlo přes jednotku LabQuest a nebo stiskneme „Hotovo“ a čidlo připojíme
později. V případě používání bezdrátových čidel klikneme na možnost „Připojit nejbližší či-
dlo.“
Po připojení jednotky LabQuest program rozpozná, že byla jednotka připojena a hlásí tak
připojení jednotky LabQuest. Pokračujeme stisknutím „Hotovo.“
Obr. 57: Dialogové okno, rozpoznána jednotka LabQuest.
Propojení čidel s LabQuest a počítačem
Některá čidla společnosti Vernier se připojují k počítači vyhodnocující data jednoduše pomocí
kabelu s USB portem.
Jiná čidla mají následující typ portu RJ-12 speciálního typu. Ten je potřeba nejprve připojit
k jednotce zpracovávající data. Tou je například LabQuest.
162
Obr. 58: Speciální typ portu RJ-12 používaný společností Vernier.
Obr. 59: Jednotka LabQuest.
LabQuest připojíme k napájení do elektrické sítě. Následně propojíme LabQuest kabelem
s USB koncovkou k počítači. (Novější modely pomocí Bluetooth.) K jednotce LabQuest připojíme
požadovaná čidla do portů CH 1 až CH 4. Jednotku LabQuest zapneme dlouhým
podržením tlačítka pro zapnutí a vypnutí.
Obr. 60: Vstupy na porty RJ-12 na jednotce LabQuest.
Nyní počítač zpracovává data naměřená čidly. Není potřeba žádná instalace zařízení. Program
Graphical Analysis data zpracovává ihned.
Novější čidla Vernier lze k počítači připojit pomocí Bluetooth. Není tak potřeba připojovat
jednotku LabQuest.
163
Obsluha programu
Ovládací prvky
Po spuštění programu a připojení čidel vidíme následující obrazovku:
Obr. 61: Program Graphical Analysis po spuštění.
Na liště nahoře vlevo je napsáno „Nepojmenováno.“ po klepnutí je možné uložit měření, načíst
dříve uložené měření, exportovat data (graf jako obrázek, data ve formátu csv nebo ambl,
nebo pdf – v plné verzi), nebo nastavit nové měření.
Na liště nahoře uprostřed vidíme velké tlačítko „Zahájit měření.“ Tímto tlačítkem budeme
spouštět experiment po nastavení všech parametrů měření.
Vpravo nahoře jsou čtyři ikony: „Zapnout data sharing“ (přístupné v plné verzi), „Potvrdit
přehrávání“ (přístupné v plné verzi), „Nastavit zobrazování,“ zde je možné upravit vzhled
obrazovky. Je možné nastavit na polovinu obrazovky graf a na duhou polovinu tabulku se
získanými hodnotami nebo i zobrazit aktuální výstup z čidel. (viz následující foto. Poslední
ikona je „Nastavení.“
Obr. 62: V programu lze nastavit vzhled obrazovky tak, že je možné vidět graf, tabulku
naměřených hodnot a aktuální hodnotu naměřenou čidlem.
Na liště vpravo dole jsou vidět dvě políčka. Levé značí připojené čidlo. V tomto případě se
jedná o „Velmi přesný teploměr“ Připojený přes LabQuest. Pole hlásí, že teploměr měří teplotu
20,7 °C.
164
Při kliknutí na toto políčko se dozvíme podrobnější informace o čidle. Zároveň můžeme změnit
jednotky ve kterých čidlo měří.
Obr. 63: Zde můžeme vybrat jednotky, ve kterých čidlo měří. (°C, K, °F).
Přes políčko vpravo se dostaneme do nastavení čidel.
Nastavení měření
Do hlavního nastavení měření se dostaneme přes dlouhé políčko na liště vlevo dole, kde je
nyní napsáno: „Režim: časová závislost, Frekvence: 2 vzorky/s.“ Otevře se následující okno:
Obr. 64: Nastavení měření Časová závislost v Graphical Analysis.
V závislosti druhu experimentu vyberete režim, v jakém budete program obsluhovat:
• Časová závislost: měří data v závislosti na čase, vykreslí se graf závislosti měřené veličiny
na čase. (např. teplota na čase)
• Události a hodnoty: měří data v závislosti na námi zvolené veličině. (např. pH na přidaném
objemu činidla při titraci)
165
• Počítání kapek: měří data společně s počtem změřených kapek. (lze využít při titracích,
pokud vlastníme Počítadlo kapek Vernier)
• Optická závora: Měří data v závislosti na změně podmětu pro optickou závoru. (použitelné
pouze pokud vlastníme Optickou závoru Vernier)
Nastavení „Časová závislost“
Je možné nastavit jednotu času: (ms, s, min, h)
Je možné nastavit frekvenci vzorků (vzorky/s) resp. interval (s/vzorek). Nastavení délky měření:
je možné nastavit maximální trvání měření, případně, že bude měření ukončeno ručně.
Nastavení „Události a hodnoty“
Obr. 65: Natsavení měření Údálosti a hodnoty v Graphical Analysis.
Nastavíme požadovanou veličinu – například objem.
Jako jednotky pak nastavíme – V.
Po provedení nastavení se stiskne na tlačítko „Hotovo.“
Ovládání grafu
Pomocí políček ve středu osy x a osy y je možné nastavit veličiny na těchto osách.
Na ose x vybíráme závislost, na čem bude experiment probíhat. Obvykle budeme měřit v závislosti
na čase. Je možné ale vybrat jinou veličinu. (více v Nastavení měření).
Na ose y je možné vybrat čidla, která budou zobrazovat data do grafu. Dále je možné změnit
barvu datové řady a přidat i dopočítávanou veličinu, jako je například derivace naměřené
křivky.
166
Obr. 66: Nastavení zobrazování dat u osy y.
V oblasti grafu vlevo dole jsou dvě políčka. Pravé políčko nastaví automatické měřítko během
měření. (Graf se bude postupně oddalovat, aby byly vidět veškeré naměřené hodnoty.)
Levé tlačítko „Nastavení grafu“ se bude používat hlavně po změření nějakých dat.
Obr. 67: Rozbalovací okno nastavení grafu.
Zde je možné zobrazit legendu grafu, je možné interpolovat data (tj. odečíst hodnotu i z ne
přímo změřených vstupů), zobrazit hodnotu tangens v daném bodě (tj. zobrazit hodnotu 1.
derivace).
Dále je možné zobrazit statistiky daného měření (rozsah, počet měření, střední hodnota naměřených
dat, směrodatná odchylka, minimální hodnota, maximální hodnota), zobrazit integrál
(tj. plochu pod změřenou křivkou), proložit hodnoty zvolenou funkcí (lineární, kvadratickou,
mocninou, exponenciálou, sinus, atd. výběr z nabídky), je možné i přidat popisek ke grafu.
Ostatní funkce jsou dostupné pouze v placené verzi.
Průběh měření
Návod pro měření v režimu Časová závislost:
167
Po připojení příslušných čidel a nastavení měření v programu a umístěni čidel do roztoků
proběhne samotné měření.
Klikneme na tlačítko „Zahájit měření“ uprostřed nahoře na liště. Program nyní zaznamenává
změnu dat v závislosti na čase (pokud byla nastavena Časová závislost).
Měření poběží dokud neuplyne nastavená doba trvání měření (explicitně 180 s) nebo ručně
nezastavíme měření stisknutím „Zastavit“ na liště nahoře. (viz následující obrázek)
Obr. 68: Průběh měření.
Vyhodnocení dat
Po zastavení měření je možné zobrazit statistiky, integrál křivky, proložit křivku vybranou
funkcí. Toto je možné provést přes rozpalovací okno vlevo dole v oblasti grafu „Nastavení
grafu,“ jak bylo popsáno v části Ovládání grafu.
Obr. 69: Graf po měření se zobrazenými statistikami, integrálem a proloženou lineární
funkcí.
Statistiky je možné získat pouze z části naměřené křivky. Levým tlačítkem myši klikneme do
začínajícího místa a táhneme do místa koncového. Následně lze vyhodnotit pouze zobrazenou
část grafu.
168
Obr. 70: Zobrazení statistik pouze části naměřených dat.
Přidání křivky 1. derivace
Program umí dopočítat různé hodnoty vybraných funkcí.
Pro přidání grafu 1. derivace křivky postupujeme následujícím způsobem:
1. Musíme mít naměřená data a ukončené měření.
2. Klikneme v oblasti grafu na políčko upravující hodnotu y. (vlevo uprostřed u osy y)
3. U příslušné datové řady klikneme na tři tečky.
4. Klikneme na „Přidat dopočítávanou veličinu“
5. Zobrazí se následující okno:
Obr. 71: Nastavení dopočítávané veličiny.
6. Je možné si nadefinovat různé nastavení – pojmenování veličiny, počet desetinných míst,
atd.
169
7. V oblasti Výraz klikneme na „Vložte výraz.“
Obr. 72: Výběr výpočtu pro dopočítávanou veličinu. Možnost uživatelem definovaný
výraz je přístupná s plnou verzí.
8. Vybereme „1. derivace (X, Y).“
9. Klikneme na použít a necháme vykreslit křivku 1. derivace.
Obr. 73: Zobrazení grafu naměřené hodnoty a k ní dopočítané hodnoty 1. derivace.
Uložení a export dat
Pro uložení souboru klikneme na pole v levo na hoře na liště, kde je nyní napsáno „Nepojmenováno.“
170
Obr. 74: Rozbalovací okno uložení a export dat.
„Nový experiment (měření)“ použijeme v případě, že chceme vyčistit plochu grafu, vymazat
tak nyní naměřená data a zahájit nový experiment.
„Otevřít. . . “ načte dříve uložený dokument.
„Uložit“ a „Uložit jako. . . “ funguje standardním způsobem.
Funkce „Exportovat“ nám umožní exportovat obrázek grafu ve formátu .png, naměřené hodnoty
v podobě tabulky ve formátu .csv a .ambl. V případě aktivace programu je možné navíc
data exportovat ve formátu .pdf. Vždy je možné definovat způsob exportu jako je rozlišení
nebo formát desetinných míst.
Stanovení pKa karboxylových kyselin
Disociační konstanta je rovnovážnou konstantou disociační reakce. Pokud se jedná o disociaci
kyseliny, značíme disociační konstantu Ka a nazýváme ji konstanta acidity. Pro bázi ji značíme
Kb a nazýváme ji konstanta bazicity. Disociace kyselin a zásad v roztocích vede k ustálení
protolytické rovnováhy. Pro disociaci kyselin platí následující obecná rovnice, kde A− značí
aniont kyseliny:
HA + H2O ⇋ H3O+ + A−
Konstantu acidity můžeme vypočítat z následující rovnice:
Ka =
[H3O+
][A−
]
[HA]
Hodnoty disociačních konstant kyselin a zásad lze běžně najít v tabulkách. Pomocí nich
je možné určit sílu kyselin. Obvykle u slabých kyselin a zásad vychází hodnota disociační
konstanty velmi malá. Používá se proto místo číselné hodnoty, záporně vzatý dekadický logaritmus
této hodnoty (pKa, resp. pKb). Platí, že čím je menší pKa, resp. pKb, tím je v roztoku
více disociovaných molekul a tím je také vyšší síla kyselin a zásad.
Při stanovování pKa středně silné kyseliny (např. CH3COOH) silnou bazí (např. NaOH)
bude rovnice neutralizace vypadat následujícím způsobem:
CH3COOH + NaOH −→ CH3COONa + H2O
171
Při stanovení pKa kyseliny octové lze vyjít z Handerson–Hasellbachovy rovnice:
pH = pKa + log
cCH3COONa
cCH3COOH
kde ccCH3COOOH je koncentrace nedisociované kyseliny v roztoku a cCH3COONa je koncentrace
vzniklé soli v roztoku. Pokud se cCH3COONa = cCCH3COOOH, respektive platí i nCH3COONa =
nCH3COOOH, pak bude platit:
pH = pKa + log 1 = pKa + 0 = pKa
Lze si všimnout, že pKa kyseliny má stejnou hodnotu jako pH roztoku v určitém bodě při
alkalimetrické titraci kyseliny. Tento bod nastane tehdy, kdy koncentrace vzniklé soli bude
stejná jako koncentrace kyseliny v titrační baňce.
Z rovnice reakce (popsané výše) je možné jednoduchým výpočtem určit, že rovnost počtu
molů CH3COOH a CH3COONa v roztoku nastane v polovině spotřeby odměrného roztoku
NaOH potřebné k nastavení bodu ekvivalence. Platí:
pH = pKa ⇐⇒ VNaOH =
1
2
· Vekv
Nyní už stačí jen změřit titrační křivku při titraci slabé kyseliny silnou zásadou a v místě
1
2 · Vekv odečíst hodnotu pH a tím se získá hodnota pKa stanovované kyseliny.
Následující obrázek ukazuje typickou titrační křivku získanou při titraci slabé kyseliny
odměrným roztokem silné zásady. Na obrázku je rovněž ukázán odečet hodnoty pKa.
V
pH
Vekv
0
2
4
6
8
10
12
14
2 4 6 8 10 12 14 16 18
1/2 Vekv
pH = pKa
Pomůcky:
Čidlo pH Vernier Go Direct, počítač, laboratorní sklo – kádinka 150 ml, byreta 25 ml, nedělená
pipeta 20 ml, elektromagnetická míchačka, magnetické míchadlo.
Chemikálie:
Vodný roztok kyseliny octové a mravenčí (c = 0,1 mol dm−3), odměrný roztok NaOH (c =
0,1 mol dm−3).
172
Postup
Připojení čidla a nastavení měření
1. Čidlo pH Vernier Go Direct připojte pomocí USB kabelu k počítači a nechte jej nabíjet
asi dvě hodiny před samotným měřením.
2. Čidlo zapněte delším stiskem vypínače. Zapnutí je indikováno blikáním červené diody.
3. Na počítači spusťte program Graphical Analysis. Na úvodním okně klikněte na „Měření
pomocí senzorů“.
Program vyhledá dostupná čidla a zobrazí jejich seznam, případně také automaticky
připojí naposledy použité čidlo.
Identifikační číslo konkrétního čidla najdete na jeho štítku.
4. Proveďte kalibraci čidla, pokud od poslední kalibrace uplynuly více než dva týdny. Návod
je zařazen za úlohu.
173
5. V levém spodním rohu klikněte na ikonu nastavení režimu měření.
V horním rozbalovacím seznamu zvolte „Události a hodnoty“.
V okně označte položku „Události a hodnoty“. Do pole „Jednotky“ můžete doplnit
informaci o veličině na ose y (v našem případě objem odměrného roztoku).
Provedení měření
1. Do kádinky o objemu 150 cm3 napipetujte 20 cm3 roztoku kyseliny octové nebo mravenčí
o koncentraci c = 0,1 mol dm−3.
174
2. Sestavte aparaturu pro titraci podle obrázku 75. Na stojan připevníme byretu. Pod
byretu umístíme zvedáček a na něj umístěte kádinku s roztokem kyseliny. Čidlo pH
upevněte ke stojanu tak, aby byla měřící část čidla pod hladinou roztoku v kádince a
zároveň bylo možné kádinkou míchat.
3. Byretu naplňte odměrným roztokem hydroxidu sodného a hladinu nastavte na nulu.
4. V programu Graphical Analysis spusťte experiment kliknutím na ikonu „Zahájit měření“
na horní liště okna.
5. Zaznamenejte první bod titrační křivky – klikněte na „Zachovat“ na horní liště okna.
Do aktivní buňky v prvním sloupci tabulky zapište celkový přidaný objem odměrného
roztoku NaOH, což je v prvním bodě 0 cm3. Hodnotu pak potvrďte („Zachovat hod-
notu“).
6. K roztoku kyseliny v kádince přidejte z byrety 0,5 cm3 roztoku NaOH a roztok krouživým
pohybem promíchejte. Následně uložte bod pomocí tlačítka „Zachovat“ na horní
liště okna. Do buňky zadejte celkový přidaný objem odměrného roztoku NaOH.
7. Postup opakujte až do okamžiku, kdy bude celkový přidaný objem roztoku NaOH o cca
5 cm3 vyšší, než je hodnota Vekv.
8. Měření ukončete kliknutím na tlačítko „Zastavit“ na horní liště okna. Naměřená data
uložíme kliknutím na „Nepojmenováno“ a volbou „Uložit jako“.
9. Čidlo pH vyjměte a opláchněte demineralizovanou vodou. Čidlo uchovávejte ponořené
v roztoku KCl o pH = 4.
10. Určete hodnotu Vekv. V polovině této spotřeby odhadněte pH roztoku. Tato hodnota je
rovna pKA kyseliny.
175
Kalibrace čidla pH
1. Čidlo ponořte do prvního kalibračního roztoku. V programu Graphical Analysis klikněte
na ikonu v pravém dolním rohu, která ukazuje hodnotu pH. Zvolte „Kalibrovat“.
V horním rozbalovacím seznamu zvolte, zda budete provádět kalibraci se dvěma, nebo
třemi kalibračními pufry.
2. Do aktivního okna vložte hodnotu pH pufru a klikněte na „Zachovat“.
3. Čidlo vyjměte, opláchněte demineralizovanou vodou a ponořte do dalšího pufru. Postup
opakujte. Kalibraci ukončete kliknutím na „Ukončit“.
Fyzikálně-chemické vlastnosti látek:
Název Vzorec M/(g mol−1) ρ/(g cm−3)
Kyselina mravenčí HCOOH 46,024 1,22
Kyselina octová CH3COOH 60,0516 1,055
Hydroxid sodný NaOH 39,997 –
176
Obr. 75: Aparatura pro titraci a stanovení pKa středně silných kyselin.
Poznámka
V této úloze jsme prováděli titraci slabé kyseliny odměrným roztokem NaOH, což je silná
báze. Charakteristikou slabé kyseliny je, že v roztoku jen z malé části disociuje na H3O+ a
A−. Během titrace před dosažením bodu ekvivalence byla v roztoku přítomna sůl kyseliny
vzniklá neutralizací roztokem NaOH spolu s neztitrovanou kyselinou.
Roztok, který obsahuje sůl slabé kyseliny a silné zásady spolu se samotnou slabou kyselinou,
může tvořit tzv. tlumivý roztok (pufr). Pokud to tlumivého roztoku přidáme silnou
kyselinu nebo silnou zásadu, dojde k utlumení změny pH, což znamená, že se hodnota pH roztoku
změní méně, než kdybychom stejné množství zásady nebo kyseliny přidali do stejného
množství vody.
Po přidání silné kyseliny k tomuto tlumivému roztoku dojde k přednostní protonaci konjugované
báze slabé kyseliny A−. Vzniká slabá kyselina HA, která disociuje jen z malé části,
takže na rozdíl od silné kyseliny její přírůstek tolik nesníží hodnotu pH.
A− + HX HA + X−
Po přidání silné báze naopak dojde k neutralizaci molekul HA za vzniku konjugované
báze A−. Tato konjugovaná báze ale méně bazická než silná báze, tudíž dojde ve výsledku
k menšímu zvýšení hodnoty pH roztoku.
HA + B− A− + BH
177
Doplňující otázky
1. Do grafu vyneste vámi naměřenou titrační křivku.
2. Uveďte stanovené hodnoty pKa kyseliny mravenčí a octové a srovnejte jejich hodnotu
s tabelovanými hodnotami.
3. Při titraci kyseliny mravenčí nebo octové roztokem NaOH vzniká tlumivý roztok, který
brání dalšímu rychlému růstu pH. Ukažte na titrační křivce, která její část leží v tzv.
pufrační oblasti.
4. Uvažujte pufr složený z vodného roztoku kyseliny octové a octanu sodného. Při jakém
poměru koncentrací soli a kyseliny bude mít pufr největší kapacitu, tedy bude nejlépe
bránit změnám pH po přidání silné kyseliny nebo silné báze? Jaká bude teoretická
hodnota pH této směsi?
5. Hodnota pH lidské krve je udržována jiným pufrem na bázi slabé kyseliny a její soli.
Uveďte o jakou kyselinu a sůl se jedná.
178
Zařazení kovů do Beketovovy řady kovů – měření napětí elektrochemických
článků
Beketovova řada kovů řadí kovy do řady dle jejich hodnot standardního elektrodového potenciálu.
Pomocí těchto hodnot lze určit redoxní vlastnosti kovů – dle ní řadí kovy na dvě
základní skupiny – ušlechtilé a neušlechtilé.
Dělícím milníkem je vodík (standardní vodíková elektroda). Pomocí ní se stanovuje standardní
elektrodový potenciál kovů. Kovy se záporným elektrodovým potenciálem stojí nalevo
od vodíku, zatímco kovy s kladným elektrodovým potenciálem stojí napravo od vodíku.
Články se budou skládat z kousku kovu jakožto elektrody ponořeného do roztoku své
soli. Příkladem je měděný plíšek ponořený do roztoku modré skalice. Nebudeme měřit napětí
článků proti standardní vodíkové elektrodě, ale budeme měřit do kříže rozdíl napětí mezi
články. Toto měření umožní seřadit kovy ve stejném pořadí jako v Beketovově řadě. Jako
solný můstek mezi jednotlivými články bude sloužit nasycený roztok dusičnanu draselného.
Obr. 76: Článek Cu(s)|Cu2+(aq)||Ag+(aq)|Ag(s).
Pomůcky:
Kovové elektrody (Zn, Cu, Fe, Ag, Sn, Mn, Pb), multimetr nebo voltmetr, vodič s krokosvorkami
na obou koncích, PVC hadička o průměru cca 5 mm, vata, filtrační papír.
Chemikálie:
Vodné 0,1M roztoky solí (Zn2+, Cu2+, Fe2+, Ag+, Sn2+, Mn2+, Pb2+) – vhodné jsou dusičnany
či sírany, popř SnCl2, nasycený vodný roztok KNO3.
Postup
Varianta s poločlánky v kádinkách
1. Připravte si menší kádinky (25 či 50 ml). Nalijte do kádinek 0,1M roztok příslušné soli,
aby byla výška hladiny přibližně 1 cm. Takto si připravte kádinky se všemi roztoky.
2. Solný můstek si vyrobte pomocí PVC hadičky, kterou na jednom konci ucpěte kouskem
vaty, naplňte ji pomocí kapátka nasyceným roztokem KNO3 a druhý konec následně
také ucpěte druhým kouskem vaty – pozor, aby v hadičce nezůstaly bublinky.
179
3. Propojte vždy dvojici kádinek pomocí solného můstku a vložte do roztoků příslušný
kov uchycený v krokosvorce. Pozor, krokosvorka nesmí zasahovat do roztoku. Druhý
konec krokosvorky připojte k sondám multimetru. Na multimetru nastavte režim měření
napětí.
4. Tímto způsobem změřte napětí různých kombinací poločlánků.
Obr. 77: Měření napětí článků s poločlánky v kádinkách.
Varianta s poločlánky na kapkovací destičce
1. Ustřihněte čtyři kratší a jeden delší proužek filtračního papíru. Dvě protilehlé jamky
na okraji destičky propojte kratšími papírky a středem papírky napříč přeložte delším
proužkem, jak je zobrazeno na obrázku 78.
2. Do každé jamky vložíme příslušnou elektrodu tak, aby měla co nejlepší kontakt s koncem
filtračního papíru. Poté do jamky kápněte 2–5 kapek roztoku soli daného kovu.
3. Proužky filtračního papíru navlhčete do nasyceným roztokem KNO3. Proužky budou
soužit jako solné můstky.
4. Následně pomocí multimetru proměřte napění pro různé kombinace poločlánků. Na
multimetru nastavte režim měření napětí.
Obr. 78: Měření napětí článků s poločlánky na kapkovací destičce.
180
Varianta s poločlánky na plastové podložce
1. Vystřihněte čtyři pruhy filtračního papíru a vytvořte z nich „hvězdu“ na plastové nevodivé
podložce (obrázek 79).
2. Na konce proužků položte kousky kovů, které budou sloužit jako elektrody.
3. Na konce proužků naneste několik kapek 0,1M roztoků příslušných solí. Roztoky budou
do papíru vsakovat, neměly by ale nasáknout až ke středu papírku.
4. Do středu „hvězdy“ neneseme několik kapek nasyceného vodného roztoku KNO3 tak,
aby došlo k vodivému spojení poločlánků na koncích papírových proužků.
5. Následně pomocí multimetru proměřte napění pro různé kombinace poločlánků. Na
multimetru nastavte režim měření napětí.
Obr. 79: Měření napětí článků s poločlánky na plastové podložce.
Obr. 80: Stříbrné elektrody vyrobené postříbřením Petriho misky pomocí Tollensova činidla
a formaldehydu.
181
Vyhodnocení:
Vyberte si jeden článek, vůči kterému budete měřit napětí ostatních poločlánků. Na tento
článek vždy přikládejte stejný pól sondy multimetru. Doporučujeme zvolit si Cu|Cu2+ z důvodu
jednoduché manipulace. Pro každý možný článek spočítejte i teoretickou hodnotu jeho
napětí, kterou byste měli naměřit.
Tabelované hodnoty standardního potenciálu poločlánku jsou měřeny pro jednotkovou aktivitu
iontů kovů v roztoku za standardních podmínek. V našem experimentu však pracujeme
s roztoky solí o koncentraci 0,1 mol dm−3, tudíž napětí poločlánku nebude stejné jako pro
jednotkovou aktivitu. Jednoduchým výpočtem však můžeme odhadnout, jak velkou změnu
naměřených potenciálů přinese použití desetkrát menší koncentrace soli.
K výpočtům použijte Nernstovu-Petersonovu rovnici, která popisuje závislost E na teplotě
a aktivitě redukované (např. aCu) a oxidované (např. aCu2+ ) formy. Aktivita čisté látky (kovové
elektrody) je jednotková.
E = E◦
+
RT
zF
ln
aox
ared
= E◦
+
RT
zF
ln (aox)
kde R je molární plynová konstanta (8,314 J K−1 mol−1), z je počet přenesených elektronů a
F je Faradayova konstanta (96485 C mol−1). Předpokládejte, že aktivita iontu je rovna jeho
molární koncentraci.
Doplňující otázky
1. Do následující tabulky doplňte vypočtený potenciál poločlánků pro použitou koncentraci
solí c = 0,1 mol dm−3 při 298 K. Zhodnoťte také, jak významná je změna potenciálů poločlánků
oproti jejich standardním potenciálům, která je způsobena použitím desetinové
koncentrace solí. Druhý sloupec v tabulce obsahuje standardní potenciál poločlánků.
Poločlánek E°/V E/V
Ag+(aq)|Ag(s) +0,799
Zn2+(aq)|Zn(s) −0,763
Fe2+(aq)|Fe(s) −0,441
Mn2+(aq)|Mn(s) −1,180
Pb2+(aq)|Pb(s) −0,126
Cu2+(aq)|Cu(s) +0,337
Sn2+(aq)|Sn(s) −0,140
2. Doplňte naměřené a očekávané hodnoty napětí článků do tabulky. Využijte hodnoty
potenciálů poločlánků v tabulce výše.
182
Poločlánek 1 Poločlánek 2
E/V
Teoretická hodnota Praktická hodnota
Cu2+(aq)|Cu(s) Ag+(aq)|Ag(s)
Cu2+(aq)|Cu(s) Zn2+(aq)|Zn(s)
Cu2+(aq)|Cu(s) Fe2+(aq)|Fe(s)
Cu2+(aq)|Cu(s) Mn2+(aq)|Mn(s)
Cu2+(aq)|Cu(s) Pb2+(aq)|Pb(s)
Cu2+(aq)|Cu(s) Sn2+(aq)|Sn(s)
Příklad výpočtu napětí článku pro standardní napětí poločlánků:
E(Zn(s)|Zn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)) = E°(Cu2+(aq)|Cu(s)) − E°(Zn2+(aq)|Zn(s))
E(Zn(s)|Zn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)) = 0,337 V − (−0,763 V) = 1,100 V
E(Cu(s)|Cu2+(aq)|| Zn2+(aq)|Zn(s)) = −1,100 V
3. Zamyslete se nad Nernstovou rovnicí a výpočtem napětí článků a uveďte, pro které
články (kombinace poločlánků) můžete jejich napětí vypočítat ze standardních potenciálů
poločlánků a u kterých musíte naopak vzít v úvahu změnu potenciálu poločlánku
v důsledku jiné než jednotkové koncentrace (aktivity) solí.
4. Pomocí naměřených hodnot seřaďte použité kovy do elektrochemické (Beketovovy) řady
kovů, tedy je seřaďte podle vzrůstajícího elektrochemického potenciálu.
5. Proč v této úloze jako solný můstek využíváme nasycený roztok dusičnanu draselného a
nikoliv častěji používaný chlorid draselný?
Komentář
Jako problematické se pro tuto úlohu ukázaly tyto kovy:
• Hliník – extrémně rychle se pasivuje a nedává tedy konstantní výsledky, obecně dává
1/3 teoretické hodnoty.
• Hořčík – nedává tedy konstantní výsledky, obecně dává 1/2 teoretické hodnoty.
• Nikl – hůře se měří, hodnota napětí není stabilní.
• Chrom – hodnota napětí není stabilní.
• Železitá sůl – obecně dobře funguje železnatá sůl, ale železitá je problematická.
Pozor na čistotu železnaté soli, pokud je již mírně zoxidovaná, nedává stabilní hodnoty
napětí. Jako stříbrnou elektrodu můžeme použít např. stříbrný řetízek. Levnou stříbrnou
elektrodu můžeme vyrobit postříbřením kousku skla (např. Petriho misky) pomocí Tollensova
činidla a následným rozbitím skla. Jako železnou elektrodu lze využít kancelářskou svorku či
železný hřebík, které pomocí HCl zbavíme ochranné vrstvy. Případně lze zakoupit čisté železo
(https://svetprvku.cz/12-prvky/).
Lze doporučit vyčištění zoxidované elektrody drátěnkou nebo zředěnou kyselinou chloro-
vodíkovou.
183
Důkaz ureasy v sojových bobech
Enzym ureasa katalyzuje hydrolýzu močoviny (diamidu kyseliny uhličité) za vzniku amoniaku
a oxidu uhličitého.
(NH2)2CO + H2O −→ 2 NH3 + CO2
Enzym ureasu najdeme v semenech rostlin, mikroorganismech a některých bezobratlých
živočiších. Rostlinná ureasa je hexamer – obsahuje šest stejných podjednotek. Rostlinná ureasa
je rozpuštěná v cytoplazmě buněk. Bakteriální ureasa obsahuje dvě nebo tři rozdílné
podjednotky. Aby byla ureasa aktivní, musí obsahovat dva nikelnaté kationty na každou pod-
jednotku.
Funkce ureasy v rostlinách není dosud zcela objasněna. Například listy soji obsahuji ureasu,
která se podílí na recyklaci odpadního dusíku vznikajícího při metabolismu bílkovin. Ureasa
obsažená v sojových bobech má mnohem vyšší aktivitu než v listech této rostliny, pravděpodobně
má zde podobnou metabolickou roli. Mimo to může vznikající amoniak fungovat jako
insekticid.
V tomto experimentu prokážeme aktivitu ureasy v extraktu ze sojových bobů pomocí
acidobazického indikátoru. Hydrolýzou močoviny vzniká amoniak, jehož vodný roztok má
silně bazické pH. Jako indikátor pH nám poslouží extrakt z červeného zelí, který obsahuje
antokyany.
Pomůcky:
Zkumavky (6 ks), stojan na zkumavky, třecí miska s tloučkem (nebo mixér), nálevka, filtrační
kruh, filtrační papír, kádinky, Pasteurovy pipety, odměrný válec, sojové boby, červené zelí.
Chemikálie a materiál:
Kyselina citronová, hydrogenuhličitan sodný.
Postup:
Příprava roztoků a extraktů
1. Namočte sojové boby ve vodě minimálně 1 hodinu před experimentem. Ideální je nechat
sojové boby namočeny přes noc.
2. Nastříhejte nebo natrhejte listy červeného zelí a listy spařte v kádince. Barevný extrakt
pak dekantujte a nechte vychladnout. Připravit byste měli alespoň 40 ml extraktu.
3. Připravte 20 ml 10% vodného roztoku močoviny.
4. Připravte 5 ml 5% vodného roztoku kyseliny citronové (pro kyselé pH).
5. Připravte 5 ml 5% vodného roztoku NaHCO3 (pro vytvoření bazického pH).
6. Smíchejte vodou nasákle sojové boby s vodou, použijte 10 ml vody na 1 g suchých
sojových bobů. Směs rozmixujte nebo rozetřete v třecí misce tak, aby vznikla kašovitá
hmota.
7. Suspenzi přefiltrujte přes papírový filtr. Filtrát obsahuje mimo jiné ureasu.
Důkazová reakce
184
1. Do každé ze šesti zkumavek nalijte 3 ml extraktu z červeného zelí.
2. Do první zkumavky přidejte několik kapek roztoku kyseliny citronové. Do druhé zkumavky
přidejte několik kapek roztoku hydrogenuhličitanu sodného. Do třetí zkumavky
přidejte několik kapek destilované vody jako kontrolu. Obsah zkumavek promíchejte a
pozorujte barevnou změnu v reakci na pH roztoku.
3. Do dvou zkumavek přidejte po 2 ml roztoku močoviny. Sledujte změnu barvy roztoku
po jeho zamíchání.
4. Do zbývající zkumavky a do jedné zkumavky, do které jste přidali roztok močoviny,
přidejte po 2 ml extraktu ze sojových bobů a směs zamíchejte.
5. Poznamenejte si barvu a zápach obsahu těchto tří zkumavek. Pozorování zopakujte po
3 minutách.
Poznámka:
Pro experiment jsou vhodnější sojové boby než sojová mouka.
Doplňující otázky:
1. Sojové boby obsahují látky, které působí jako inhibitory trávícího enzymu trypsinu, což
činí syrové sojové boby nestravitelnými. Tyto látky se rozkládají teplem, přičemž mají
podobnou tepelnou odolnost jako ureasa. Jak byste dokázali, že např. sojová mouka
nebo sýr tofu neobsahuje tyto škodlivé inhibitory?
2. Na aktivitě ureasy v bakterii Helicobacter pylori, která se podílí na vzniku žaludečních
vředů a rakoviny žaludku, je založen také test na přítomnost této bakterie v žaludku
člověka. Pokuste se navrhnout praktické provedení testu.
Enzymatická příprava divanilinu
Peroxidasy jsou enzymy, které jsou schopny redukovat peroxid vodíku za současné oxidace substrátu.
Tyto enzymy obsahují hem jako redoxní kofaktor. Peroxidasy nacházejí široké uplatnění
v klinických analytických metodách. Velmi častým zdrojem peroxidasy je kořen křene
selského (Armoracia rusticana). V tomto cvičení použijeme peroxidasu z kořene křene jako
katalyzátoru oxidace vanilinu na divanilin. Mechanismus vzniku divanilinu ukazuje následující
schéma.
185
O
OCH3
O H
H
O
OCH3
O H
O
OCH3
O H
dimerace
2 radikálu
O
OCH3
O H
O
OH
H3CO
H
H
H2O2
peroxidasa
vanilin
keto-enol
tautomerie
O
OCH3
O H
O
OH
H3CO
H
H
divanilin
V reakci nebudeme pracovat s čistým enzymem, ale využijeme surového extraktu z kořene
křene.
Chemikálie a materiál:
Vanilin, kyselina octová (c = 0,01 mol dm−3
), 3% peroxid vodíku, ethanol.
Pomůcky:
Váhy, míchačka a míchadlo, kádinky (250 a 100 ml), odměrný válec (100 ml), dělená pipeta,
teploměr, Büchnerova nálevka, odsávačka, izolační guma, filtrační papír, Petriho miska,
špachtle.
Postup:
• Pomocí struhadla jemně nastrouhejte asi 4 g kořene křenu a nastrouhaný materiál v kádince
zalijte 5 ml vody. Směs nechte stát za občasného promíchání 10 minut.
• Připravte si filtrační aparaturu pro filtraci přes hladký nebo skládaný filtr. Směs přefiltrujte
do další kádinky.
• Do kádinky o objemu 250 ml navažte 1 g vanilinu, přidejte magnetické míchadlo a 100 ml
deionizované vody. Kádinku postavte na elektromagnetickou míchačku a pomocí držáku
a stojanu uchyťte teploměr tak, abyste mohli měřit teplotu roztoku.
• Směs začněte míchat a pomalu zahřívat, dokud se všechen vanilin nerozpustí (k rozpuštění
dojde obvykle při teplotě blízké 40 °C). Přidejte 2,2 ml roztoku kyseliny octové ve
vodě o koncentraci c = 0,01 mol dm−3
. Počkejte, až teplota roztoku klesne pod 40 °C.
• Za míchání k roztoku přidejte 0,5 ml filtrátu extraktu z kořene křene a poté 7,5 ml 3%
peroxidu vodíku. Směs míchejte 5 minut. Během této doby by mělo dojít k vyloučení
sraženiny divanilinu.
186
• Vyloučenou pevnou látku odsajte na Büchnerově nálevce a promyjte ji postupně 30 ml
deionizované vody a 20 ml ethanolu.
• Produkt přeneste na Petriho misku a sušte jej na vzduchu.
Doplňující informace pro učitele:
Vanilin jako chemikálii lze zakoupit za cenu přibližně 1800 Kč za 500 g.
Doplňující otázky:
1. Odštěpení atomu vodíku z OH skupiny fenolu účinkem radikálu je podstatou funkce
některých inhibitorů radikálových reakcí a obecně antioxidantů. Jako příklad můžeme
uvést syntetickou látku BHT nebo přírodní antioxidant vitamin E (tokoferol). Tyto
inhibitory poskytují fenoxy radikál, který je ve srovnání s radikálem vzniklým z vanilinu
nebo jiných fenolů mnohem stabilnější a například nepodléhá snadno dimerační reakci.
Pokuste se na základě analýzy struktury BHT a α-tokoferolu uvést faktory, které vysvětí
zvýšenou stabilitu od těchto látek odvozených fenoxy radikálů
O
CH3
CH3H3C
H
CH3 H3C
CH3H3C
BHT
O
O
H CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
α-Tokoferol
Důkaz přítomnosti proteinu v žampionu
Houby jsou dobrým zdrojem nejenom vlákniny, vitamínů a minerálů, ale i tzv. mykoproteinu,
který by mohl být alternativním zdrojem příjmu bílkovin. Důkaz přítomnosti proteinu se provádí
pomocí biuretové nebo ninhydrinové reakce. V případě biuretové reakce dochází k důkazu
peptidové vazby, která v alkalickém prostředí tvoří se měďnatými kationty barevné komplexy.
Ninhydrinová reakce vychází z reakce látky s aminoskupinou aminokyselin, výsledkem několika
následných reakcí je vznik barevného produktu.
Pomůcky:
Nůž, Petriho miska/hodinové sklíčko, kahan, kleště
Chemikálie a materiál:
Houba, hydroxid sodný, síran měďnatý pentahydrát, ninhydrin, ethanol
Postup:
Příprava roztoků
1. Připravte cca 100 ml 1M-CuSO4·5H2O, 100 ml 1M-NaOH a 2% roztok ninhydrinu
v ethanolu.
Biuretova reakce
187
1. Na povrch rozpůlené houby naneste tenkou vrstvu roztoku NaOH. Nanášet můžete například
skleněnou tyčinkou.
2. Poté kápněte na řez roztok CuSO4. V případě pozitivní reakce dojde ke zbarvení do
modra až fialova.
Ninhydrinová reakce
1. Položte plátek čerstvé houby na hodinové sklíčko/Petriho misku. Kápněte ninhydrinový
roztok na řez.
2. Poté pomocí kleští vložte houbu do nesvítivé části plamene kahanu. Stáhněte houbu
z plamene a pozorujte zbarvení. V případě pozitivní reakce dojde ke změně barvy na
tmavě fialovou
Test přítomnosti vitaminu C v ovoci, zelenině a houbách
Vitamin C (kyselina askorbová) je důležitým antioxidantem. V této úloze využijeme schopnosti
vitaminu C rychle redukovat železité kationty na kationty železnaté, které následně reagují s
hexakyanoželezitanem draseným za vzniku modré sraženiny Berlínské modři. Železité kationty
s hexakyanoželezitanem nereagují.
Pomůcky:
Rozprašovač, 2 kádinky (250 ml), tyčinka, nůž, filtrační papír, horovzdušná pistole nebo fén.
Chemikálie a materiál:
Ovoce, zelenina, houby, hexakyanoželezitan draselný, hexahydrát chloridu železitého.
Postup:
1. Připravte cca 100 ml 1% roztoku chloridu železitého ve vodě. Připravte cca 100 ml 1%
roztoku hexakyanoželezitanu draselného ve vodě a roztok převeďte do rozprašovače.
2. Roztokem chloridu železitého napusťte kousek filtračního papíru a papír pomocí fénu
nebo horkovzdušné pistole vysušte.
3. Rozřízněte ovoce, zeleninu nebo houbu, případně z nich uřízněte plátek. Přitiskněte na
několik sekund plochu čerstvého řezu k papíru impregnovanému chloridem železitým.
4. Pomocí rozprašovače postříkejte papír 1% roztokem hexakyanoželezitanu draselného ve
vodě. Přítomnost železnatých kationtů vzniklých redukcí Fe3+ vitaminem C se projeví
vznikem modré sraženiny Berlínské modři.
188