9789612414436

a. co m

ar n

LABORATORIJSKE VAJE ZA KEMIJO V GIMNAZIJI

kn

jig

Nika Cebin Manica Perdan - Ocepek Marjeta Prašnikar

kemija za gimnazije 2 dz.indd 1

14.6.2010 11:50:13

Kemijske reakcije Laboratorijske vaje za kemijo v gimnaziji Avtorice mag. Nika Cebin, Manica Perdan - Ocepek, Marjeta Prašnikar

a. co m

Recenzenta dr. Andrej Godec, dr. Ivan Leban Urednica Špela Fortuna Lektorica Zala Mikeln

Tehnične risbe Darko Simeršek

Fotografije Tomaž Lunder, Marjeta Prašnikar, © 2008 Bigstock

ar n

Oprema in oblikovanje Branka Smodiš Prelom Goran Čurčič

kn

jig

Izdala in založila Modrijan založba, d. o. o.

Za založbo Branimir Nešović Natisnila Tiskarna Hren Naklada 2000 izvodov Ljubljana 2010 Prva izdaja

© Modrijan založba, d. o. o.

CIP – Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 54(075.3)(076.5) CEBIN, Nika Kemijske reakcije. Laboratorijske vaje za kemijo v gimnaziji / Nika Cebin, Manica Perdan - Ocepek, Marjeta Prašnikar ; [tehnične risbe Darko Simeršek ; fotografije Tomaž Lunder]. – 1. izd. – Ljubljana : Modrijan, 2010 ISBN 978-961-241-443-6 1. Perdan - Ocepek, Manica 2. Prašnikar, Marjeta 251265536

www.modrijan.si

kemija za gimnazije 2 dz.indd 2

14.6.2010 11:50:17

Vsebina HITROST KEMIJSKIH REAKCIJ

KEMIJSKO RAVNOTEŽJE

Vpliv dodatka natrijevega klorida na kemijsko ravnotežje Vpliv dodatka vode in klorovodikove kisline na kemijsko ravnotežje Vpliv dodatka klorovodikove kisline in natrijevega hidroksida na kemijsko ravnotežje Vpliv dodatka vode na kemijsko ravnotežje Vpliv spremembe koncentracij snovi Vitaminsko pivo

RAVNOTEŽJA V VODNIH RAZTOPINAH

Določevanje vrednosti pH raztopin z indikatorji Vrednost pH močnih in šibkih kislin in baz Merjenje vrednosti pH raztopin šibkih kislin s pH-metrom Merjenje vrednosti pH raztopin soli s pH-metrom Vrednost pH različnih kislin enake koncentracije

ar n

NEVTRALIZACIJSKA TITRACIJA

Določevanje koncentracije raztopine natrijevega hidroksida Učinek nevtralizacije klorovodikove kisline s tableto antacida Določitev titracijske krivulje Določevanje koncentracije raztopine alkoholnega kisa

IONSKE REAKCIJE V VODNIH RAZTOPINAH ELEKTROLITOV Ionske reakcije Kvalitativno določevanje neznanega vzorca

jig

REAKCIJE OKSIDACIJE IN REDUKCIJE

Redoks reakcije Raztapljanje kovin Oksidacijsko-redukcijske lastnosti

GALVANSKI ČLENI IN ELEKTROLIZA

kn

Galvanski člen Mg-Cu Galvanski člen Ag-Cu Limona kot elektrolit Elektroliza vodne raztopine natrijevega klorida Elektroliza vodne raztopine kalijevega jodida

ELEMENTI IN SPOJINE

Eksperimenti z natrijevim karbonatom Reaktivnost zemeljskoalkalijskih kovin Lastnosti spojin, ki vključujejo elemente II. skupine periodnega sistema Določitev formule neznane snovi Priprava kovinskega hidroksida Sinteza žveplove(IV) kisline Adsorpcijske lastnosti aktivnega oglja Koordinacijske spojine

kemija za gimnazije 2 dz.indd 3

7 9 12 13 15 17

a. co m

Hitrost raztapljanja apnenca v klorovodikovi kislini Vpliv površine reaktantov na hitrost kemijske reakcije Vpliv temperature na hitrost kemijske reakcije Vpliv koncentracije reaktantov na hitrost kemijske reakcije Vpliv katalizatorja na hitrost kemijske reakcije

19 22 23 25 27 29 30 35 38 40 44 46 48 51 54 56 58 64 67 70 74 77 79 81 83 85 88 90 92 94 96

99 100 102 104 106 111 113 115 117

14.6.2010 11:50:17

a. co m

»Najlepše, kar lahko doživimo, je skrivnostnost sveta. To je temeljno občutje in zibelka vsake umetnosti in znanosti.« Albert Einstein

UVOD

Kemija je temeljna naravoslovna in zato eksperimentalna veda. Lavoisier je v 18. stoletju tehtal snovi pred reakcijo in po njej. Izkustvo in sistematično merjenje sta osnova znanstvenega pristopa, z Lavoisierevimi besedami: »Umetnost zares koristnih poskusov je v tem, da pri njih ničesar ne opustimo in da vse opazimo.« Avtorice laboratorijskih vaj smo sledile temu vodilu, pri pisanju pa smo upoštevale nov gimnazijski učni načrt.

ar n

Laboratorijske vaje sledijo tematskim sklopom novega učnega načrta.

Za vsak tematski sklop je zbranih več poskusov, ki so razvrščeni od lažjih k težjim. Katere eksperimente boste izvedli, bo presodil učitelj.

Nekatere poskuse boste morda naredili pri poglabljanju znanja, kemijskem krožku ali projektnem delu.

kn

jig

Teoretičnemu uvodu sledi kratka ponovitev predznanja v obliki nalog, ki lahko služi tudi kot samostojna priprava na laboratorijsko vajo.

Sledijo navodila za poskuse. Prvi poskusi znotraj posameznega tematskega sklopa z doslednimi navodili so namenjeni samostojnemu delu.

Nekatere zahtevnejše poskuse pa je potrebno skrbno načrtovati, saj so problemsko zasnovani, in zahtevajo večjo samostojnost.

Pri laboratorijskih vajah boste spoznavali varno in odgovorno ravnanje s snovmi ter se učili varnega ravnanja z odpadki.

Pri laboratorijskih vajah: • razvijamo eksperimentalne in raziskovalne spretnosti in veščine; • spoznavamo varno in odgovorno ravnanje s snovmi in se učimo varnega ravnanja z odpadki; • zapisujemo svoja opazovanja pri samostojnih in demonstracijskih poskusih; • povezujemo opazovanja s prejšnjim znanjem; • poskušamo razložiti opazovane spremembe in jih podati v kemijskem jeziku; • spodbujamo problemski pristop in samostojno načrtovanje poskusov.

Manjkajoče podatke poiščemo v priročnikih, učbenikih ali na spletu.

Preden se lotimo laboratorijskega dela, se na delo pripravimo in: • na osnovi opazovanj zapisujemo ugotovitve; • odgovarjamo na vprašanja;

kemija za gimnazije 2 dz.indd 4

14.6.2010 11:50:17

• •

rešimo računske naloge; skupaj z učiteljem ugotavljamo zakonitosti.

Želimo vam veliko uspeha.

a. co m

V novem učnem načrtu je posebna skrb namenjena usposabljanju za varno delo v laboratoriju. Prav tako vam želimo približati skrb za okolje, zato priporočamo ločeno zbiranje in strokovni odvoz odpadkov.

Avtorice

Za učitelje

Avtorice smo laboratorijske vaje naslonile na interna gradiva Gimnazije Ledina, Gimnazije Šentvid in Škofijske klasične gimnazije. Praktične izkušnje pri delu smo želele povezati tudi z drugimi sorodnimi priročniki.

Učitelji lahko eksperimentalno delo dijakov tudi vrednotite. Predlagamo, da se glede kriterijev in opisnikov ocenjevanja oprete na izhodišča mag. Tončke Požek - Novak, ki jih je pripravila v okviru prenove gimnazijskega programa (srečanje študijske skupine 21. 1. 2009, dostopno v spletni učilnici za kemijo na strani ZRSŠ).

ar n

Nekatere poskuse lahko dijaki naredijo v več manjših skupinah. O svojih izsledkih, ugotovitvah in sklepih potem poročajo še drugim, tako da se vsi dijaki seznanijo z vsemi poskusi.

Dijak mora v laboratoriju nositi svojo zaščitno haljo (Zakon o varstvu pri delu, Uradni list RS, št. 47/48, 1986), druga zaščitna sredstva (očala, rokavice) dobi v šoli. Pri ocenjevanju je treba upoštevati tudi: natančnost pri izvedbi poskusa – pravilnost rezultatov, sprotno vpisovanje sprememb, kontrolo reakcijskih pogojev itd.;

•

spretnost izvajanja poskusov in organizacijo dela – dijakovo aktivnost v skupini, izvedbo v predpisanem času;

jig

•

•

natančnost pri zbiranju, urejanju in analizi podatkov – pravilno izpolnjene tabele s podatki, narisani grafi itd;

• •

odgovore na dodatna vprašanja;

kn

rešitve dodatnih računskih nalog.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 5

14.6.2010 11:50:17

Pomoč pri prebiranju laboratorijskih vaj

5. POSKUS

RAVNOTEŽNE KEMIJSKE REAKCIJE

teoretični uvod

osnovna naloga poskusa

VPLIV KATALIZATORJA NA HITROST KEMIJSKE REAKCIJE

Katalizator »ujame« molekule reaktantov za kratek čas in jih veže na svojo površino, ki je običajno velika. Stare vezi v molekulah reaktantov se zrahljajo. Molekule se laže usmerijo druga proti drugi, da so trki uspešni. Zniža se aktivacijska energija.

Kemijske reakcije so ravnotežne reakcije, saj pri vsaki kemijski reakciji pri določenih pogojih iz reaktantov nastanejo produkti, ki ponovno razpadajo v reaktante. Rečemo, da reakcija hkrati poteka v obe smeri.

Ko je hitrost reakcije v obe smeri enaka, se koncentracije reaktantov in produktov ne spreminjajo več. Vzpostavi se kemijsko ravnotežje.

Vpliv katalizatorja preučite z reakcijo razpadanja vodikovega peroksida. Določite, ali je reakcija eksotermna ali endotermna. Narišite diagram poteka reakcije tako, da vnesete energijsko spremembo s katalizatorjem in brez njega.

V nekaterih primerih je v ravnotežju koncentracija reaktantov v primerjavi s koncentracijo produktov zelo majhna, zato pravimo, da je ravnotežna reakcija zelo pomaknjena v smer produktov oz. je »enosmerna«.

Kemijsko ravnotežje v zapisu enačbe reakcije zapišemo z znakom , ki pomeni, da je reakcija ravnotežna.

2H2O2(aq)

2H2O(l) + O2(g)

Pri delu uporabljajte zaščitna očala in rokavice.

Ločimo heterogeno in homogeno ravnotežje; pri prvem imajo v reakciji udeležene snovi različno, pri drugem pa isto agregatno stanje.

Potrebščine in kemikalije

Kemijsko ravnotežje splošno zapišemo takole:

epruveta, stojalo za epruvete, kapalka, trska, vžigalnik

H 2O 2

vodikov peroksid – H2O2 (3-odstotni), manganov dioksid v prahu – MnO2(s)

MnO2

Cc + dD

Aa + bB

opozorila za varno delo in oznake nevarnih snovi

Pri reakcijah, ki so v ravnotežnem stanju, je razmerje med koncentracijami produktov in reaktantov pri določeni temperaturi konstantno (zakon o vplivu koncentracij) in ga izražamo z ravnotežno konstanto, Kc. Ta velja za homogeno ravnotežje.

[C]c · [D]d [A]a · [B]b

Kc =

RAVNOTEŽJA

17

a. co m

2. laboratorijska vaja

20

homogena ravnotežja

heterogena ravnotežja

• reaktanti in produkti so v isti fazi • N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) • med plini in raztopinami

• CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) • količina trdne snovi ne vpliva na ravnotežje

C

O

Xn

Postopek

• • • •

V epruveto nakapajte 1 do 2 mL H2O2.

Pripravite tlečo trsko in z njo preverite prisotnost kisika.

Nato dodajte za noževo konico MnO2 in ponovno s tlečo trsko preverite prisotnost kisika.

Ko reakcija neha potekati, preverite še, ali se je epruveta segrela.

Rezultati in ugotovitve

1. Narišite diagram poteka reakcije s katalizatorjem in brez njega.

S spreminjanjem pogojev lahko vplivamo na kemijsko ravnotežje.

Kaj lahko storimo, da bomo pri reakciji nastanka žveplovega trioksida dobili čim več produktov?

2SO2(g) + O2(g) Kc =

2SO3(g)

2

[SO3] 2 [SO2] · [O2]

naloge za ponovitev predznanja služijo za pripravo na laboratorijske vaje

ar n

1. Če dodamo več reaktantov, dobimo več produktov. Glede na gornjo reakcijo to pomeni, da moramo dodati več SO2 ali O2, da nastane več SO3.

Ionske reakcije v vodnih raztopinah elektrolitov

69

1. Predvidite potek ionskih reakcij in dopolnite enačbe v vseh treh oblikah. Če reakcija ne poteka, na črto zapišite /.

3. POSKUS

62

4. laboratorijska vaja

1. a) Zapišite urejeno enačbo reakcije, ki poteka med raztopino barijevega hidroksida in bromovodikovo kislino.

a) AgNO3(aq) + NaCl(aq)

Ag+(aq) + NO3–(aq) + Na+(aq) + Cl–(aq)

naloge za utrjevanje znanja

b) Izračunajte množinsko koncentracijo raztopine barijevega hidroksida, če smo 10,0 mL te raztopine titrirali z 0,2 M klorovodikovo kislino in pri tem porabili 25 mL te kisline.

Račun:

Ag+(aq) + Cl–(aq)

c(Ba(OH)2) =

M

jig

b) NaNO3(aq) + KCl(aq)

c) Katera oblika titracijske krivulje, ki prikazuje spreminjanje vrednosti pH vzorca v odvisnosti od prostornine dodanega reagenta, je najustreznejša za ta primer titracije?

c) BaCl2 (aq) + K2SO4(aq)

2+

zanimivost

Barijevi ioni, Ba , so za organizem izjemno toksični, zato topnih barijevih soli ne smemo zaužiti (LD50 je 1 g/kg telesne mase).

Barijev sulfat(VI), BaSO4, ki je skoraj netopen v vodi, v kislih in bazičnih raztopinah, se v medicini uporablja kot rentgensko kontrastno sredstvo pri slikanju prebavil. Prebavila ga ne absorbirajo, zato ga smemo zaužiti.

A

B

C

2. Spodnji diagram prikazuje spreminjanje vrednosti pH (rdeča krivulja), temperature (modra krivulja) in električne prevodnosti (zelena krivulja) v odvisnosti od prostornine dodanega reagenta, 0,1 M HNO3, pri titraciji 10 mL NaOH.

kn

2. V kateri čaši je nastala oborina? Obkrožite črko pod ustrezno skico.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 6

14.6.2010 11:50:17

1. POSKUS

kn

jig

ar n

a. co m

Hitrost kemijskih reakcij

kemija za gimnazije 2 dz.indd 7

Hitrost raztapljanja apnenca v klorovodikovi kislini Vpliv površine reaktantov na hitrost kemijske reakcije Vpliv temperature na hitrost kemijske reakcije Vpliv koncentracije reaktantov na hitrost kemijske reakcije Vpliv katalizatorja na hitrost kemijske reakcije

14.6.2010 11:50:18

1. laboratorijska vaja

8

HITROST KEMIJSKIH REAKCIJ

a. co m

Predstavljajmo si, da se neko telo giblje. Da bi ugotovili, kako hitro se giblje, po navadi merimo pot, ki jo telo opravi v določenem časovnem intervalu. Hitrost kemijske reakcije določimo tako, da spremljamo potek reakcije v določenem času.

Pri raztapljanju cinka v klorovodikovi kislini se sprošča vodik. Enačba za reakcijo je: Zn(s) + 2HCl(aq)

ZnCl2(aq) + H2(g)

Dopolnite.

Hitrost gornje reakcije bi lahko merili tako, da bi merili maso cinka, ki se zmanjšuje, koncentracijo klorovodikove kisline, ki se

nastalega plina vodika, ki se

.

ar n

Vse poskuse lahko dijaki naredijo v manjših skupinah (zlasti če imate dovolj analitskih tehtnic) in ugotovitve v obliki poročila predstavijo sošolcem. Poskuse lahko naredite tudi demonstracijsko, dijaki pa merijo čas, narišejo grafe in ugotavljajo zakonitosti, ki jih poskusi prikazujejo.

, ali pa bi merili prostornino

kn

jig

Matematične zveze niso preproste in jih prepoznamo šele, ko smo kemijsko reakcijo preučili s poskusom in grafično prikazali potek reakcije. Zato definiramo hitrost kemijske reakcije z besedami: hitrost kemijske reakcije razumemo kot spremembo koncentracije reaktantov ali produktov v določenem časovnem intervalu.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 8

14.6.2010 11:50:19

1. POSKUS

9

HITROST RAZTAPLJANJA APNENCA V KLOROVODIKOVI KISLINI

a. co m

Demonstracijski poskus

Izmerite, kako se s časom spreminja masa koščka apnenca pri raztapljanju v klorovodikovi kislini.

CaCO3(s) + 2HCl(aq)

CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

Reakcija je pomembna za geologe in geografe, ker z njo ugotavljajo, ali so kamnine apnenčaste. Pri raztapljanju apnenca v klorovodikovi kislini vidimo namreč mehurčke ogljikovega dioksida.

Silikatne kamnine z razredčeno klorovodikovo kislino ne reagirajo.

Potrebščine in kemikalije

Pri delu uporabljajte zaščitna očala in rokavice.

ar n

erlenmajerica (200 mL), merilni valj (20 mL), analitska tehtnica, vata, štoparica, žlička

C

klorovodikova kislina – HCl (2 M raztopina), čisti apnenec v koščkih – CaCO3(s)

Postopek

•

Na tehtnico postavite erlenmajerico in v njej stehtajte 10,00 g apnenca.

Z merilnim valjem odmerite 20 mL HCl in jo prelijte po koščkih apnenca v erlenmajerici.

Z vato pokrijte ustje erlenmajerice. V istem trenutku sprožite štoparico in vsaki dve minuti stehtajte maso. Tehtajte vsaj 14 minut.

Podatke zapisujte v tabelo in točke narišite na diagram.

jig

•

HCl

• •

kn

Rezultati in ugotovitve 1. V tabelo vpišite meritve. t/min

0

2

4

6

8

10

12

14

m/g

kemija za gimnazije 2 dz.indd 9

14.6.2010 11:50:19

1. POSKUS

10

1. laboratorijska vaja

2. Narišite diagram.

Določite odvisno in neodvisno spremenljivko ter označite osi.

kn

jig

ar n

a. co m

Dobljene meritve vnesite v diagram.

Spreminjanje mase v odvisnosti od temperature

3. Dopolnite.

Hitrost reakcije V prvi minuti je hitrost reakcije

Grafično določevanje hitrosti reakcije je podrobno opisano v učbeniku Kemijske reakcije, str. 8–13.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 10

(narašča/pada). kot v tretji minuti.

4. Hitrost lahko ponazorimo tudi grafično. Na krivuljo lahko narišemo tangento ob izbranem času. Strmina oziroma naklon tangente ob različnih časih nam kaže, kako hitrost reakcije s časom pojema.

14.6.2010 11:50:20

1. POSKUS

Hitrost raztapljanja apnenca v klorovodikovi kislini

11

5. Če ste maso tehtali dovolj dolgo, da se je raztopil skoraj ves apnenec, lahko na diagramu odčitate, v kolikšnem času se je raztopila polovica apnenca.

a. co m

t½ =

kn

jig

ar n

6. Ugotovite, kdaj se reakcija ustavi. V katerem primeru bi reagiral ves apnenec in vsa kislina?

kemija za gimnazije 2 dz.indd 11

14.6.2010 11:50:20

2. POSKUS

12

1. laboratorijska vaja

VPLIV POVRŠINE REAKTANTOV NA HITROST KEMIJSKE REAKCIJE

a. co m

Demonstracijski poskus

Razmislite, kako površina reaktantov vpliva na hitrost reakcije.

Postavite hipotezo in jo preverite s poskusom.

Potrebščine in kemikalije

Pri delu uporabljajte zaščitna očala in rokavice.

HCl

dve mali petrijevki, kapalka, žlička, grafoskop C

čisti apnenec v koščkih in v prahu – CaCO3(s), klorovodikova kislina – HCl (2 M raztopina)

Postopek

•

ar n

•

Razmislite, kdaj bo hitrost reakcije med apnencem in HCl večja: ko uporabite košček apnenca ali apnenec v prahu. Hipotezo zapišite pod točko 1.

Petrijevki položite na grafoskop. V eno dajte žličko apnenca v prahu, v drugo pa košček apnenca.

V vsako petrijevko dajte po eno kapalko raztopine HCl in opazujte razvijanje mehurčkov.

•

Rezultati in ugotovitve

kn

jig

1. Zapišite svojo hipotezo.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 12

2. Kdaj so se mehurčki hitreje razvijali? Utemeljite svoja opažanja.

14.6.2010 11:50:20

3. POSKUS

13

VPLIV TEMPERATURE NA HITROST KEMIJSKE REAKCIJE

Na2S2O3(aq) + H2SO4(aq)

Poskuse št. 3, 4 in 5 lahko delate po skupinah. O svojem delu in ugotovitvah poročajte sošolcem.

a. co m

Pri reakciji natrijevega tiosulfata z žveplovo kislino nastaja elementarno žveplo. Žveplo se izloča koloidno – večji delci so na površini enako nabiti in se med seboj odbijajo, zato v raztopini lebdijo. Raztopina postaja motna.

S(s) + SO2(g) + Na2SO4(aq) + H2O(l)

Ugotovite, kako sprememba temperature vpliva na hitrost reakcije.

Potrebščine in kemikalije

stojalo za epruvete, 6 epruvet, 3 čaše (200 mL), merilne pipete, nastavek za varno pipetiranje, štoparica, 3 termometri, alkoholni flomaster, list, na katerega narišemo temen križ

Postopek

• •

H2SO4

V treh čašah si pripravite vodne kopeli: v prvi naj ima voda 20 °C, v drugi naj bo segreta na 40 °C, v tretji na 80 °C. Temperaturo vode kontrolirajte s termometri.

V tri epruvete s pipeto odmerite 2 mL Na2S2O3(aq) in v vsako dodajte še 3 mL destilirane vode.

V druge tri epruvete s pipeto odmerite 2 mL H2SO4(aq) in v vsako dodajte še 3 mL destilirane vode.

Pripravljene reagente zmešajte, tako da v prvo epruveto s tiosulfatom dodate vso vsebino epruvete s kislino in zmes takoj postavite v čašo z vodno kopeljo, ki ima 20 °C. Takoj vključite štoparico. Čas merite toliko časa, da se ne vidi več križa na listu, če pogledamo skozi epruveto.

Postopek ponovite še za zmes, ki jo daste v kopel s 40 °C in z 80 °C. Dopolnite tabelo in narišite diagram.

jig

•

C

ar n

raztopina natrijevega tiosulfata – Na2S2O3 (0,1 M raztopina), žveplova(VI) kislina – H2SO4 (razredčena v razmerju 1 : 10)

Pri delu uporabljajte zaščitna očala in rokavice.

• •

kn

• •

kemija za gimnazije 2 dz.indd 13

14.6.2010 11:50:20

3. POSKUS

14

1. laboratorijska vaja

Rezultati in ugotovitve 1. V tabelo vpišite meritve. Ker je hitrost reakcije obratno sorazmerna s časom, izračunamo še vrednost 1t .

20 40 80

t/s

1 –1 t (s )

a. co m

T/°C

2. Narišite diagram. Določite neodvisno in odvisno spremenljivko.

ar n

1

jig

Na ordinato nanašamo vrednosti t  10–3, da je izbira enot lažja.

kn

3. Zapišite svoje ugotovitve.

kemija za gimnazije 2 dz.indd 14

14.6.2010 11:50:20