A természettudományos oktatás komplex megújítása a Révai Miklós Gimnáziumban és Kollégiumban Munkafüzet KÉMIA Középszintű érettségi Kalydiné Dubraviczky Tímea TÁMOP-3.1.3-11/2-2012-0031
TARTALOMJEGYZÉK Bevezetés... 3 A laboratórium munka- és balesetvédelmi szabályzata... 4 1. Gázok azonosítása... 8 2. Folyadékok azonosítása... 14 3. Aktív szén vizsgálata... 19 4. Az oldódás energiaviszonyai... 23 5. Jellemerősségi sor meghatározása... 26 6. Redoxi titrálás... 30 7. Réz és hidrogéngáz előállítása... 33 8. Kísérletek klóros vízzel... 37 9. Sósav reakciói... 41 10. Hidrogén-peroxid bomlása... 45 11. Szulfátok azonosítása... 49 12. Égetett mész vizsgálata... 52 13. Kalcium-klorid- oldat és trisó kölcsönhatása... 56 14. A mészkő és sósav reakciója... 62 15. Vízkőmentesítés... 67 16. Alkohol és rézdrót kölcsönhatása... 72 17. Kísérlet sztearinsavval... 75 18. Hamisított tejföl leleplezése... 80 19. Kísérletek fehérjével... 85 20. Túró vizsgálata... 89 Fogalomtár... 93 Források... 95
BEVEZETÉS Kedves Diákok! Nagyon sok, a hétköznapokban előforduló jelenségnek a magyarázatát megérthetitek, ha a természettudományos tantárgyakat érdeklődve, pontosan tanuljátok. A kémiát megszerettétek, nyilván ezért fogtok érettségi vizsgát tenni ebből a tantárgyból. A körülöttünk lévő világ megismerése érdekesebb és könnyebben megtanulható, ha ti magatok végzitek el a számotokra veszélytelen kísérleteketa pontos utasításoknak megfelelően,- a biztonsági előírások betartása mellett. Ennek a munkafüzetnek az a célja, hogy a laboratóriumi foglalkozásokon elvégzett gyakorlatok alapján az adott témakörhöz kapcsolódó problémákat meg tudjátok oldani, le tudjátok vonni a megfelelő következtetéseket. Maradandó élményszerzést, jó hangulatú munkát és szép vizsgaeredményeket kívánok! A szerző 3
A LABORATÓRIUM MUNKA- ÉS BALESETVÉDELMI SZABÁLYZATA 1. A laboratóriumban a tanuló csak felügyelet mellett dolgozhat, a termet csak engedéllyel hagyhatja el! 2. A kísérlet elvégzése előtt figyelmesen el kell olvasni a leírást! Az eszközöket és a vegyszereket csak a leírt módon és megfelelő körültekintéssel szabad használni! 3. A kísérletek során köpeny használata kötelező! Ha a gyakorlat ezt megköveteli, védőszemüveget, illetve gumikesztyűt kell használni! A tálcán mindig legyen száraz ruha és a közelben víz! 4. Úgy kell dolgozni, hogy közben a laboratóriumban tartózkodók testi épségét, illetve azok munkájának sikerét ne veszélyeztessük! A kísérleti munka elengedhetetlen feltétele a rend és fegyelem. 5. A vegyszerhez kézzel hozzányúlni, megízlelni szigorúan tilos! Ha többféle vegyszert használunk, közben mindig töröljük le a kanalat! A gázokat, gőzöket legyezgetéssel szabad megszagolni! 6. Vegyszerből mindig csak az előírt mennyiséget lehet használni. A maradékot nem szabad visszatenni az üvegbe, hanem csak a megfelelő vegyszergyűjtőbe! A vegyszeres üvegek kupakjait nem szabad összecserélni! 7. Tartsuk be a melegítés szabályait: a kémcsőbe tett anyagokat kémcsőfogó segítségével ferdén tartva, állandóan mozgatva, óvatosan melegítsük! A kémcső nyílását ne fordítsuk a szemünk vagy társunk felé! 8. Kísérletezés közben ne nyúljunk az arcunkhoz, szemünkhöz, a munka elvégzése után mindig alaposan mossunk kezet! Ha a bőrünkre maró hatású folyadék cseppen, előbb száraz ruhával töröljük le, majd bő vízzel mossuk le! 9. Elektromos vezetékekhez, kapcsolókhoz nem szabad vizes kézzel hozzányúlni, mindig tudni kell, hol lehet áramtalanítani! 10. Láng közelében tilos tűzveszélyes anyagokkal dolgozni! Tűz esetén a megfelelő tűzoltási módot kell alkalmazni (vízzel, homokkal, letakarással vagy poroltóval)! 11. A munka befejeztével a munkahelyen rendet kell rakni! A munkahely elhagyása előtt ellenőrizni kell, hogy a gáz- és vízcsapot elzártuk-e, ill. a mérőkészüléket áramtalanítottuk-e! 12. A laboratóriumban étkezni és inni tilos! 4
13. Vegyszereket hazavinni szigorúan tilos! 14. Ha bármilyen baleset történik, azonnal szólni kell a tanárnak, vagy a laboratórium dolgozóinak! Néhány fontos laboratóriumi eszköz Bunsen-égő meggyújtása 1. levegőnyílás elzárása 2. gyufagyújtás 3. gázcsap megnyitása 4. gáz meggyújtása 1. ábra 2. ábra 5
A vegyszereken szereplő (új) veszélyességi piktogramok, jelzések és jelentésük: Tűzveszélyes anyagok Robbanó anyagok Oxidáló anyagok Nyomás alatt álló gázok Irritáló anyagok Mérgek Maró hatású anyagok Emberre ártalmas Veszélyes a vízi környezetre A vegyszerek csomagolásán ezen kívül R és S jelzést, valamint számokat találunk. Például a hypo esetében: R 31, R 36/38, R 52 S 1/2, S 20, S 24/25, S 26, S 37/39, S 46, S 50 Az R jelzés a környezetre és az emberre vonatkozó veszélyeket jelenti, az S jelzés a veszélyes anyagok felhasználása során követendő biztonsági tanácsokat jelzi. A számok 1-től 61-ig terjednek és mindegyik egy-egy mondatot jelez, amik jelentése a laboratórium falán lévő táblázatban található! 6
A hypo esetében: R 31 Savval érintkezve mérgező gázok képződnek R 36/38 Szem-és bőrizgató hatású R 52 Ártalmas a vízi szervezetekre S 1/2 S 20 Elzárva és gyermekek számára hozzáférhetetlen helyen tartandó Használat közben enni, inni nem szabad S 24/25 Kerülni kell a bőrrel való érintkezést és szembejutást. S 26 Ha szembe kerül, bő vízzel azonnal ki kell mosni, és orvoshoz kell fordulni S 37/39 Megfelelő védőkesztyűt és arc-szemvédőt kell viselni S 46 S 50 Lenyelése esetén azonnal orvoshoz kell fordulni, az edényt/csomagolóburkolatot és a címkét az orvosnak meg kell mutatni. Savval nem kezelhető Egyéb munkavédelmi szimbólumok: Védőszemüveg használata kötelező Védőkesztyű használata kötelező 7
GÁZOK AZONOSÍTÁSA Kísérlet Gázok azonosítása Eszközök Kémcsövek Kémcsőállvány Gyufa, Gyújtópálca Gumidugó kihúzott végű üvegcsővel Anyagok Cinkdarabka Mészkődarabka Sósav A kísérlet leírása: Az első kémcsőben cinkdarabka, a másodikban mészkődarabka van. Mindkettőre önts sósavat! A tálcán lévő eszközök segítségével azonosítsd a keletkezett gázokat! Tapasztalatok: Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Milyen gáz keletkezett a cink esetében? 2. Írd fel a reakcióegyenletet! 3. Hogyan tudtál meggyőződni erről? Írj egyenletet! 8
4. Milyen gáz keletkezett a mészkő esetében? 5. Írd fel a reakcióegyenletet! 6. Hogyan tudtál meggyőződni erről? Esettanulmány: Magyarországon évente 40-50-szer riasztják ilyen esethez a tűzoltókat. A riasztások körülbelül felénél viszont már nem tudnak segíteni, mert nagyon gyorsan létrejön a mérgezés, az eszméletvesztés és a haláleset. Megfelelő szellőzés kialakításával, valamint a hordók nagy térben történő elhelyezésével elkerülhető, hogy felhalmozódjon az erjedés közben keletkező széndioxid. A nagy borászati üzemekben ritka az ilyen jellegű baleset, mivel biztonsági berendezésekkel is fel vannak szerelve. Ugyanakkor egyszerűen meg is előzhető a baj, könynyen ellenőrizhető, hogy a helyiségben van-e mustgáz. 1 Kérdések, feladatok az esettanulmányhoz: 3. ábra 1. Kémiailag mi a mustgáz? Írd fel a keletkezésének egyenletét! 1 http://www.katasztrofak.abbcenter.com/?m=j%f3%2c+ha+tudjuk&al=a+must g%e1z +vesz%e9lyei 9
2. Hogyan tölti ki a teret a keletkezett gáz? Ez mivel magyarázható? 3. Hogyan ellenőrizhető egyszerű módszerrel a borospincében, hogy biztonságban leszünk-e ott? 4. Mi a teendő, ha mégis bekövetkezik a mustgáz mérgezés? Esettanulmány: Szmogriadó és savas eső - A levegőszennyezés káros hatásai A környezetszennyezés korunk egyik legnagyobb problémája, melynek megoldása igencsak sürgető. Egészségünkre nézve a legtöbb kárt ezen belül is talán a légszennyezés okozza. Az Egészségügyi Világszervezet becslései szerint a fejlődő országokban évente legalább 700 ezer emberrel kevesebb halna meg, ha a levegőt szennyező anyagokat kivonnák a forgalomból. Mik ezek az anyagok, és miért ilyen veszélyesek? Ezekre kerestük a választ. A tiszta levegő 78 % nitrogént, 21 % oxigént, és néhány egyéb gázt, vegyületet tartalmaz. A gond akkor van, ha ez az arány megbomlik, és az emberi szervezetre káros hatású anyagok túl nagy mennyiségben vannak jelen. A légszennyezés különböző emberekre más-más hatással van, de súlyos károkat okozhat gyerekek, idősek esetében, illetve azoknál, akik szív-, légzőszervi-, vagy tüdőt érintő problémákkal küzdenek. A hosszantartó mérgezés krónikus betegségek, egyes esetekben tüdőrák kialakulásához, de akár vese-, máj-, vagy agykárosodáshoz is vezethet. A nitrogén-dioxid az egyik legtöbb kárt okozó vegyület, egy vörösesbarna, szúrós szagú gáz. Nagyban hozzájárul a globális felmelegedéshez, és komoly egészségügyi problémákat okoz. Enyhébb esetben légzőszervi prob- 10
lémákat okoz, komolyabb koncentrációban, hosszabb ideig belélegezve pedig elváltozásokat eredményezhet a tüdőben. A kén-dioxid színtelen, szúrós szagú gáz, az egyik legveszélyesebb légszennyező anyag. Ez is elsősorban a légzőszervi megbetegedésekért felelős. A tüdő mellett roncsolja az orr nyálkahártyáját, irritálja a szemet. Magas koncentrációja súlyos esetben akár légzésbénuláshoz is vezethet. A tiszta levegőt mérgező gázok közül legismertebb a szén-dioxid. Magas koncentrációja nehezíti a légzést, gátolja a vér oxigénellátását, és többek között ezt a vegyületet is okolják az asztmás, illetve allergiás megbetegedések számának ugrásszerű növekedéséért. A szmog nem más, mint füstköd, amely a nagyvárosokban a környezetszennyezés hatására egyre többször üti fel a fejét. Két típusa van, az egyik a Los Angeles-típusú úgynevezett oxidáló szmog, mely a közlekedés általi szennyezés, erős napsugárzás és gyenge légmozgás hatására alakul ki. Az ultraibolya sugárzás miatt nitrogén-dioxid és ózon keletkezik, melyek irritálják a nyálkahártyát, káros hatással vannak emberekre, állatokra és növényekre egyaránt. A szmog másik fajtája a London-típusú redukáló füstköd, mely szélcsendes időben, magas páratartalom, és alacsonyabb, akár fagypont körüli hőmérséklet esetén jelenik meg. Ilyenkor nagymennyiségű szén-, illetve roszszabb esetben kén-dioxid gyülemlik fel. A szén-dioxid szénsavvá, a kéndioxid kénsavvá válik, ekkor jellemző a savas eső, a csapadék ph-értéke drasztikusan lecsökken. A savas eső természetesen komoly károkat okoz a természeti környezetben, emellett hozzájárul a légzőszervi megbetegedések kialakulásához, hörghuruthoz vezethet. 2 Kérdések, feladatok az esettanulmányhoz: 1. A levegőszennyeződésért milyen gázokat tart felelősnek a cikk? 2. Ezek a gázok konkrétan milyen elváltozásokat okoznak? 2 http://www.femcafe.hu/cikkek/egeszseg/szmogriado-es-savas-eso-a-levegoszennye zes-karos-hatasai 11
3. Melyek a különösen veszélyeztetett korosztályok és populációk? 4. Mi a szmog? Milyen két csoportba osztható a cikk szerint és mik ezeknek a jellemzői? 12
5. A cikkben említett gázok a levegő nedvességtartalma következtében savakká alakulnak. Írd fel a reakcióegyenleteket! Nevezd meg a savakat! 6. Milyen hibát találsz a cikkben? Számolási feladatok: 1. Melyik az a +2-es oxidációs állapotú fém, amelynek 1,12 grammját sósavban oldva 490 cm 3 standardállapotú hidrogéngáz fejlődik? 2. Kalcium-karbonátból 60 cm 3 4 mol/dm 3 -es sósavoldattal mekkora térfogatú 0 o C-os és 0,1 MPa nyomású szén-dioxid gáz állítható elő? 13
FOLYADÉKOK AZONOSÍTÁSA Kísérlet Folyadékok azonosítása Eszközök Kémcsövek (3 db) Kémcsőállvány Vegyszeres kanál Anyagok Etanol Sebbenzin Desztillált víz Jód A kísérlet leírása: Három számozott kémcsőben ismeretlen sorrendben etanol, víz és sebbenzin van. Mindhárom színtelen folyadék. A tálcán lévő jód segítségével azonosítsd a kémcsövek tartalmát! Tapasztalatok: Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Az 1. kémcsőben volt: 2. kémcsőben volt: 3. kémcsőben volt: 2. Milyen oldószerben oldódott jól a jód? 3. Mi az oka, hogy különböző színű oldatokat kaptál? 14
4. Az oldódás milyen elvével magyarázható a jód viselkedése? 5. Polaritás szempontjából milyen anyagok a fenti oldószerek? Esettanulmány: Zsírban- és vízben oldódó vitaminok Pontosan úgy, mint a zsírokat, a zsírban oldódó vitaminokat is a bél szívja fel, a vérárammal együtt jutnak el a testünk egyes részeibe, és a belőlük nem hasznosuló többletmennyiség a zsírszöveteinkben, de legfőképpen a májban halmozódik fel. Éppen e miatt a jellegzetességük miatt ritkán fordul elő a zsírban oldódó vitamin hiánya, amit általában a bélbetegségek váltanak ki azáltal, hogy nem teszik lehetővé a megfelelő felszívódást, de hoszszú időn át tartó hiányos táplálkozás következtében is kialakulhat a hiánybetegség. A zsírban oldódó vitaminok túlzott bevitele azonban több szervünkre nézve tartogat veszélyeket és okozhatja azok sokféle károsodását is. Az állati eredetű élelmiszereink ( ) rendkívül gazdagok zsírban oldódó vitaminokban. Zsírban oldódó vitaminjaink: -A-vitamin; -D-vitamin; -E-vitamin; -F-vitamin; -K-vitamin. Vízben oldódó vitaminok A zsírban oldódó vitaminokkal ellentétben a vízben oldódók csak nagyon rövid időt töltenek a szervezetünkben, éppen ezért kell mindennap gondoskodnunk bevitelükről (az egyetlen kivételt a B12- vitamin jelenti, melyet a máj raktároz el). Bőséges bevitelük esetén a felhasználásra nem kerülő, fölösleges vízben oldódó vitaminok távoznak szervezetünkből a testünk egyéb folyadékaival együtt (izzadás, vizelet...) 15
Éppen ezen oknál fogva meglehetősen ritka ennél a vitamintípusnál a túladagolás, más néven a túlvitaminos táplálkozás helyzetének kialakulása. Vízben oldódó vitaminjaink: -a B-vitamin-csoportba tartozó vitaminok; -C-vitamin; -P-vitamin. 3 Kérdések, feladatok az esettanulmányhoz: 1. Általánosan milyen anyagok oldódnak jól vízben és milyenek zsírban? Mi ennek a molekulaszerkezeti magyarázata? 2. Melyek a zsírban, illetve a vízben oldódó vitaminok? 3. Hogyan szívódnak fel a vitaminok a szervezetünkben? 4. Melyik vitaminoknál fordulhat elő a túladagolás veszélye? Milyen veszélyekkel jár ez? 3 http://www.vitamin-sarok.eoldal.hu/cikkek/zsirban--es-vizben-oldodo-vitaminok.html 16
5. A másik vitamin csoport hogyan ürül ki a szervezetből? 6. Járj utána, milyen betegséget okoz az A, C, D, E, P vitamin hiánya! 7. Járj utána, milyen élelmiszerek tartalmaznak nagy mennyiséget A, C, D, E, P vitaminból! 17
8. A C és a P vitaminokkal sokat foglalkozott egy magyar Nobeldíjas tudós. Ki ő és miért kapta a Nobel-díjat? Isteni téli vitaminbomba - saláta! Hozzávalók: fél kiló savanyú káposzta, 2 nagy fej lilahagyma, 3 főtt tojás, olívaolaj (hogy a káposzta szálai könnyebben mozduljanak, és minden finoman összeérjen!) Készítése: nem kell megsózni, csak két villa segítségével összekeverjük az egészet és állni hagyjuk. 4. ábra 9. Igaz, hogy vitaminbomba ez a saláta? Sorold fel a benne lévő vitaminokat! 10. Otthon győződj meg róla, hogy az isteni jelző is igaz! Készítsd el vacsorára! 18
AKTÍV SZÉN VIZSGÁLATA Kísérlet Tintás víz elszíntelenítése Eszközök Főzőpohár (2 db) Vegyszeres kanál Üvegbot Üvegtölcsér Szűrőpapír Olló Anyagok Tintás víz Aktív szén Desztillált víz A kísérlet leírása: Főzőpohárban lévő tintás vízbe tegyél három vegyszeres kanál aktív szenet! Pár percig kevergesd, majd szűrd le a keveréket! A szűrőpapíron lévő aktív szenet kapard egy másik főzőpohárba és önts rá desztillált vizet! Pár percnyi várakozás után ismét szűrd le! Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Mit tapasztalsz az első szűrés után? 2. Mit tapasztalsz a második szűrés után? 3. Miért tűnt el a tinta színe? 4. Mi a jelenség neve? 5. Miért jó adszorbens az aktív szén? 6. Miért lett színes a második szűrés után a szűrlet? 19
7. Mi a jelenség neve? Esettanulmány: Mi fán terem az orvosi szén? Széntabletta: nagy méretű aktív felszívófelület Már egy időszámításunk előtt 1550-ből származó papirusztekercs is említést tesz arról, hogy az aktív szén jó szolgálatokat tehet a különféle élelmiszermérgezések esetén. 1831-ben Tourey, a francia orvosi akadémia nagy hírű professzora kollégái előtt halálos adagnyi sztrichnint fogyasztott el, melynek hatását aktív szén bevételével semlegesítette. Ez is mutatja, hogy az aktív szén képes a gyomorés bélrendszeri mérgezések semlegesítésére: az aktív szén a mai napig a leghatásosabb egykomponensű gyógyszeres segítség, amely csaknem az összes mérgező anyagot és vegyületet képes hatástalanítani. Az aktív vagy orvosi szén speciálisan elszenesített növényi részekből áll: szénvázát rengeteg pórus járja át, ezért rendkívül nagy az úgynevezett aktív felülete: a tabletták ezen a felületen képesek magukhoz kötni a baktériumokat és a méreganyagokat. Ezáltal hatástalanítják őket úgy, hogy megakadályozzák felszívódásukat. A felület nagyságát, vagyis a mikroporózusság mértékét jól szemlélteti, hogy egy gramm aktív szén felülete mintegy 2,2 teniszpálya felületének felel meg, tehát körülbelül 500 m 2 nagyságú. A széntabletták alkalmazásakor azzal is számolni kell azonban, hogy a megkötött anyagok ismét leválhatnak az aktív szén felületéről, éppen ezért fontos, hogy az aktív szén viszonylag gyorsan haladjon át az emésztőrendszeren: ennek elősegítésére a széntablettát gyakran hashajtókkal kombinálják. Egyes széntabletta-készítmények maguk is tartalmaznak hashajtó hatású anyagokat, például a mesterséges édesítőszerként is ismert szorbitot. Ez utóbbi készítményeket viszont már csak orvosi felügyelettel ajánlott alkalmazni, mert alkalmazásukkor súlyos hasmenés és hányás is felléphet. A széntabletta a fogamzásgátló hatását is csökkentheti A víz, a baktériumok és a méreganyagok megkötésére képes, aktív szenet tartalmazó készítmények hasmenés és élelmiszerek, nehézfémek vagy gyógyszerek okozta mérgezések esetén egyaránt alkalmazhatók. Az orvosi szén felületi kötőképessége miatt csökkentheti 20
más, a gyomor- és a bélrendszeren keresztül felszívott gyógyszerek hatását: ez a fogamzásgátló tablettákra is igaz, ezért ajánlatos a széntablettát a többi gyógyszertől időben elkülönítve bevenni. A faszén és az aktív szén előállítása Az aktív szén előállításához szükséges fát először oxigénmentes közegben hevítve faszenet állítanak elő. A fa tömegének mintegy felét alkotja víz, ezen kívül nagy mennyiségben tartalmaz különböző szerves illékony anyagokat - melyek az izzítás hatására eltávoznak -, valamint szenet és nem éghető anyagokat, melyek a hamut alkotják: ilyenek a kalcium, a magnézium és a nátrium. Amikor a fa égni kezd, az illékony szerves anyagok, mint például a kátrány a füsttel együtt a levegőbe távoznak. Egy bizonyos hőmérsékleten felül ezek az anyagok teljesen légneművé alakulva hagyják el a fát, vagyis a tűz már nem füstöl, ezért van az, hogy a zsarátnok és az égő faszén már nem füstöl. Ahhoz, hogy faszenet lehessen előállítani, a fát oxigénmentes közegben nagyon magas hőmérsékleten agyag- vagy fémtartályokban kell hevíteni. Ami megmarad, nem más, mint tiszta szén, illetve azok az ásványi anyagok, amiket a fa valaha tartalmazott. Az így előkészített faszenet ezután 800-1000 o C fok hőmérsékleten vízzel reagáltatva a széntartalom egy része szén-monoxiddá és hidrogéngázzá alakulva távozik: így keletkeznek a lyukacsos szerkezetet adó pórusok. Az aktív szenet egy lépésben is elő lehet állítani: az úgynevezett kémiai aktiválást alacsonyabb hőmérsékleten, 300-600 o C fokon végzik, vízelvonó és oxidáló vegyületekkel kezelve a kiindulási anyagként használt fűrészport vagy tőzeget. 4 Kérdések, feladatok az esettanulmányhoz: 1. Milyen mérgezést hatástalanított az aktív szénnel a XIX. századi francia orvos? 4 http://egeszseg.origo.hu/cikk/0927/264232/20090708_orvosi_aktiv_szen_ hasmenes_1.htm 21
2. Miért fontos, hogy viszonylag hamar távozzon a szervezetből az aktív szén? 3. Milyen anyagok megkötésére képes az aktív szén? 4. A fa szerkezete milyen szerves anyagból épül fel? 5. Mi távozik el a fából a faszén előállítása során? 6. Mi történne a fával, ha nem oxigéntől elzárt környezetben hevítenék? 7. Milyen anyagok alkotják a hamut? Számolási feladat: 1. 100 cm 3 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú ecetsavba aktív szenet teszünk. Egy idő múlva leszűrjük, majd a szűrlet 10 cm 3 -ét megtitráljuk 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-hidroxid oldattal. Az átlagfogyás 4,5 cm 3. Hány gramm ecetsavat adszorbeált az aktív szén? 22
AZ OLDÓDÁS ENERGIAVISZONYAI Kísérlet Nátrium-hidroxid és kálium-nitrát oldása vízben Eszközök Erlenmeyer lombikok (2 db) Hőmérők (2 db) Vegyszeres kanál Anyagok Nátrium-hidroxid Kálium-nitrát A kísérlet leírása: Önts desztillált vizet az Erlenmeyer-lombikokba! Mérd meg a hőmérsékletüket! Az első lombikba szórj nátrium-hidroxidot! A hőmérővel óvatosan kevergetve figyeld a változást! A második lombikba szórj kálium-nitrátot! A hőmérővel óvatosan kevergetve figyeld a változást! Tapasztalataidat írd a táblázatba! Oldódás Nátrium-hidroxid Kálium-nitrát Kiindulási hőmérséklet ( o C) Maximális hőmérséklet ( o C) Minimális hőmérséklet ( o C) Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Milyen részfolyamatokra bontható az oldódás? 23
2. Melyik részfolyamat igényel energia befektetést és melyik jár energia felszabadulással? 3. Rajzold fel a nátrium-hidroxid oldódásának energiadiagramját! 4. Rajzold fel a kálium-nitrát oldódásának energiadiagramját! 5. Írd fel az oldódások egyenleteit! 24
Számolási feladatok: 1. Cink-kloridot vízben oldunk. Mennyi az oldáshője a vízmentes cink-kloridnak, ha a cink-klorid rácsenergiája +2688 kj/mol, a cink-ion hidratációs energiája -2010 kj/mol, a kloridioné -406 kj/mol? 2. Határozd meg a nátrium-hidroxid rácsenergiáját, ha tudjuk, hogy a nátriumion hidratációs energiája -405 kj/mol, a hidroxidion hidratációs energiája -46 kj/mol! Az oldáshő -42,3 kj/mol. Hány kj energia szabadul fel, ha 100g nátrium-hidroxidot oldunk vízben? 3. Mennyi a kálium-klorid oldáshője, ha rácsenergiája +701 kj/mol, a káliumion hidratációs energiája -321 kj/mol, a kloridion hidratációs energiája -364 kj/mol? Mennyi az energiaváltozás 200 g kálium-klorid oldásakor? Ahhoz, hogy túltelített oldatot készítsek, melegíteni vagy hűteni kell a telített oldatot? 25
JELLEMERŐSSÉGI SOR MEGHATÁROZÁSA Kísérlet Három fém jellemerősségi sorba állítása Eszközök Kémcsövek (2 db) Kémcsőállvány Anyagok Cink-szulfát- oldat Réz(II)-szulfát oldat Vasszög (2 db) A kísérlet leírása: Az első kémcsőben cink-szulfát-, a másodikban réz(ii)-szulfát oldat van. Márts mindegyikbe 1-1 vasszöget! Tapasztalatok: Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Értelmezd a tapasztalt változásokat! 2. Ahol történt változás, írd le a folyamat egyenletét! 3. Állítsd standardpotenciáljuk szerinti növekvő sorrendbe a három fémet! 26
4. Melyik az az elem, amelyhez viszonyítjuk a standardpotenciál értékeket? Esettanulmány: 1745. február 18-án született Alessandro Volta az elektromos perpetuum mobile, az elem ősének feltalálója Mikor 1789-ben Luigi Galvani közzétette békacomb-kísérletét (megfigyelte, hogy egy frissen preparált békacomb erősen összerándul, ha egy izmot és egy fedetlen ideget két különböző, de egymással összeköttetésben lévő fémmel megérint), azaz az állati elektromosságról szóló hipotézisét, Volta hasonló kísérletekbe kezdett 1792- ben. Míg Galvani arra a következtetésre jutott, hogy az izmok egy idegi elektromos folyadék -ot tartalmaznak, s ezért rándulnak öszsze, addig Volta azzal magyarázta a jelenséget, hogy a békacomb igazából nem más, mint az elektromosság kimutatója, az bármilyen sóoldattal átitatott papír-vagy szövetdarabbal kiváltható. Erről a kérdésről Galvani és Volta éveken át vitatkozott, de végül is Volta nézetei bizonyultak helyesnek. Volta kísérlete vezetett egy olyan találmány megszületéséhez, amelynek eredményét egy 1800. március 20-án Sir Joseph Banks, a Londoni Királyi Társaság elnökének címzett levélben leírt egy olyan készülékről számolt be, amely folyamatosan tud elektromos áramot szolgáltatni. Volta készüléke, amit ő mesterséges elektromos szerv névvel illetett célozva ezzel a villamos ráják, angolnák természetes elektromos szervére tulajdonképpen rendkívül egyszerű volt. Váltakozva egymás fölé rakott két különböző fémből készült korongokat (réz- és cinklemezeket), amelyek közé rendre nedves kartonpapírt helyezett. Nem kis meglepetéssel tapasztalta, hogy minél magasabb az oszlop, annál magasabb a telep feszültsége. De ami a legmeglepőbb volt számára: ez a telep folyamatosan termelte az áramot: megszületett az elektromos perpetuum mobile, amely látszólag a semmiből termelt áramot. Ez volt a Volta-oszlop, vagy ismertebb nevén a galvánelem. Felfedezése azonnal sikert aratott. Több kitüntetést és elismerést is szerzett; Napóleon később kinevezte Itália grófjává azonban megbecsülése a későbbiekben némi problémát is okozott: azon az alapon, hogy az egyetemes kultúrának túl nagy veszteség lenne, nem engedélyezte Volta nyugdíjba vonulását. Volta érdemeit még életében méltányolta hazája és külföld is. Találmánya, a galvánelem sok más tudományos felfedezést segített 27
elő. Nevét az elektromos feszültség SI-egysége, a volt (V) őrzi. A 10 ezer lírás bankjegyen Volta és a Volta-féle elem képe látható. 5 5. ábra Kérdések, feladatok az esettanulmányhoz: 1. Mi a galvánelem? 2. Miből áll a Volta által összeállított galvánelem? 3. Írd le ennek az elemnek a cellareakcióit! 5 http://www.jakd.hu/index.php?p=evfordulo&id=1072 28
4. Melyik a katód és melyik az anód? 5. Redoxi szempontból mi játszódott le az elektródokon? 6. A függvénytábla alapján számold ki ennek a galvánelemnek az elektromotoros erejét! 7. Hogyan kellene megváltoztatni az elem felépítését, hogy több áramot termeljen? 8. Hogyan nevezte Volta a saját berendezését? 9. Mit jelent a perpetuum mobile kifejezés? Számolási feladatok: 1. 100 cm3 0,2 mol/dm3 koncentrációjú réz(ii)-szulfát oldatba vaslemezt teszünk. A reakció teljes lejátszódása után hogyan és mennyivel változott a kiindulási 10 g vaslemez tömege? 2. Milyen standardpotenciálú lehet a Ni2+ / Ni elektród párja abban a standard galvánelemben, melynek elektromotoros ereje 0,53V? 29
REDOXI TITRÁLÁS Kísérlet Háztartási hipó NaOCl-tartalmának meghatározása jodometriás eljárással Eszközök Csiszolt dugós Erlenmeyer lombikok Mérőlombik Mérőhenger Büretta Cseppentő Pipetta Pipetta labda Vegyszeres kanál Anyagok Hipó Kénsav (10%-os) Kálium-jodid oldat Nátrium-tioszulfát oldat Keményítő indikátor Desztillált víz A kísérlet leírása: A háztartási hipó klór-gázzal telített nátrium-hidroxid oldat hígításával készül. Veszélyes anyag. Maró hatását védőszemüveg, gumikesztyű, illetve pipetta labda használatával előzzük meg! A hipokloritok savas közegben oxidáló hatásuk révén a kálium-jodidból jódot tesznek szabaddá. A kivált jód nátrium-tioszulfát oldattal mérhető keményítő indikátor mellett az alábbi reakciók alapján: A meghatározás menete: NaOCl + 2 KI + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + NaCl + H 2 O + I 2 I 2 + 2 Na 2 S 2 O 3 = 2 NaI + Na 2 S 4 O 6 A sorszámozott mérőlombikodba 15 cm 3 1,052 g/cm 3 sűrűségű háztartási hipót mértünk be. Készíts belőle 100 cm 3 törzsoldatot! A törzsoldatból pipettával mérj ki 10 cm 3 térfogatú mintát a becsiszolt dugós Erlenmeyer lombikba, savanyítsd mérőhengerrel kimért 10 cm 3 10%-os kénsav-oldattal, és ehhez adj 10 cm 3 10 %-os kálium-jodid oldatot! Zárd le dugóval a lombikot, rázd össze a tartalmát és 2-3 perc várakozás után a kivált jódot 0,05 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-tioszulfát mérőoldattal kezdd el titrálni! A majdnem megtitrált oldathoz a halványsárga szín elérésekor adj 10 csepp keményítőoldatot, és addig titráld tovább, míg az oldat színe kékből színtelenbe csap át! A bedugaszolt lom- 30
bikban lévő oldatnak 1 percen túl sem szabad visszakékülnie!) A másik két mérést is egyenként végezd el a fent leírt módon! Titrálási gyakorlat a Révai Miklós Gimnázium régi kémia előadójában az Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny megyei döntőjén 2008. A fogyott Na 2 S 2 O 3 oldat (cm 3 ) 1. mérés 2. mérés 3. mérés Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Átlagold a három mérés eredményét! 31
2. Számítsd ki a törzsoldat NaOCl koncentrációját! 3. Számítsd ki a kiadott minta NaOCl- koncentrációját! 4. Számítsd ki, hogy a bolti hipó hány tömegszázalék NaOCl-t tartalmaz! 32
RÉZ ÉS HIDROGÉNGÁZ ELŐÁLLÍTÁSA Kísérlet Réz és hidrogéngáz előállítás Eszközök Kémcsövek, Csipesz Gumidugó kihúzott végű üvegcsővel Bunsen-égő, Gyufa Gyújtópálca Anyagok Réz(II)-szulfát- oldat Sósavoldat Cinkdarabka Vasszög A kísérlet leírása: A rendelkezésedre álló anyagok és eszközök segítségével állíts elő rezet és hidrogéngázt! Győződj meg állításod helyességéről! Tapasztalatok: Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Írd fel a két kémcsőben végbement reakciók egyenleteit! 2. Hogyan győződtél meg a hidrogéngáz keletkezéséről? Írd fel reakcióegyenlettel! 33
3. Mi történt volna, ha cink- szulfát- oldatba tettél volna rezet? Miért? 2. kísérlet Színes lángok alufóliával (demonstrációs kísérlet) Eszközök Erlenmeyer-lombik (500 cm 3 -es) Vegyszeres kanál Mérőhenger Gyufa Gyújtópálca Anyagok Tömény sósav Kristályos réz(ii)-szulfát Alufólia darab Desztillált víz A kísérlet leírása: A lombikba kb. 30 cm 3 tömény sósavat öntünk és kiskanálnyi kristályos réz(ii)-szulfátot oldunk fel benne. 100 cm 3 desztillált vízzel hígítsuk fel az oldatot! Dobjunk bele 2-3 dió nagyságúra gyúrt alufólia darabot! A képződő gázt gyújtsuk meg! Tapasztalatok: 34
Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. A tömény sósavban zöld színnel oldódik a réz-szulfát az alábbi egyenlet szerint. Rendezd az egyenletet! [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ + Cl [CuCl 4 ] 2 + H 2 O 2. Hogy nevezzük az előző egyenletben szögletes zárójelbe tett részecskéket? 3. A desztillált víz hatására kék színű lett az oldat. Mivel magyarázod ezt a jelenséget? Írd le a törvényt! 4. Mi a keletkezett barnás csapadék? Írd fel az egyenletet! 5. Milyen éghető gáz keletkezett? Írd fel az egyenletet! 6. Mi festette kékeszöldre a lángot? 35
7. Töltsd ki a táblázatot! 1. Hidrogén 2. Klór 3. Metán 4. Hidrogénklorid Szín Szag Halmazállapot szobahőmérsékleten Levegőre vonatkoztatott sűrűsége Szerkezeti képlete Polaritása Vízben való oldódás Egymással való reakciójuk Reakciója vassal 1. + 2. 2. + 3. Előállítása laboratóriumban Felhasználása Élettani hatása 36
KÍSÉRLETEK KLÓROS VÍZZEL Kísérlet Kísérletek klóros vízzel Eszközök Kémcsövek Kémcsőállvány Cseppentő Anyagok Kálium-bromid- oldat Kálium-jodid- oldat Klóros víz Keményítőoldat A kísérlet leírása: Az első kémcsőben kálium-bromid- oldat, a másodikban káliumjodid- oldat van. Cseppents a kálium-jodid- oldatba keményítőoldatot! A ledugaszolt kémcső klóros vizet tartalmaz. Önts a klóros vízből 2-2 cm 3 -nyit a kálium-bromid-, és a kálium-jodid- oldatba! Tapasztalatok: Kérdések, feladatok a kísérlethez: 1. Standardpotenciálok alapján magyarázd meg a tapasztalatokat! 2. Írd le a lejátszódott folyamatokat ionegyenlettel! Jelöld az oxidációs számokat! 37