2-07

2. Vlastnosti látek a chemické reakce
2.07 Krystalizace.
Projekt Trojlístek
úroveň
1–
2 –3
Krystalizace
Trojlístek
1. Předmět výuky
Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu
Chemie
Chemie.
2. Cílová skupina
Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší
2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída)
ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta).
Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta)
3. Abstrakt
Tento jednoduchý pokus demonstruje rozdíl ve tvaru a velikosti
krystalů síranu hořečnatého získaných v závislosti na
podmínkách, za jakých je krystalizace uskutečňována.
4. Startovní znalosti žáků
Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ
v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Chemie a rovněž
obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk
a příroda. Mezi okruhy zájmu patří problematika nerostných
surovin, složení vzduchu, chemických látek a jejich směsí,
chemických reakcí, anorganických sloučenin.
Co mají žáci znát:
• chemické látky;
• anorganické sloučeniny;
• roztoky;
• směsi.
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos
Pozorováním velmi jednoduchého pokusu žáci získají informace
o procesu krystalizace, tedy vylučování tuhé látky z roztoku. Dále
pak pozorováním krystalů při zvětšení dokáží popsat vliv
podmínek při krystalizaci na tvar a velikost vylučovaných
krystalů. Osvojí si pojem rozpustnost, pochopí rozdíl mezi
rozpustností jednotlivých látek ve vodě.
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení
6. 1 Použité chemikálie
Voda H 2 O
Síran hořečnatý heptahydrát MgSO 4 .7H 2 O
Potravinářské barvivo (volitelné)
Co se žáci dozví:
• Jak lze provést krystalizaci.
• Jak ovlivňují podmínky výsledek
krystalizace.
• Co je rozpustnost.
DŮLEŽITÉ:
Co budu potřebovat, co si mám
nachystat, připravit, nakoupit!
Na co nesmím zapomenout!
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Krystalizace
Trojlístek
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Odměrný válec 100 ml
Kádinka 250 ml
Laboratorní váhy
Laboratorní lžička
Váženka
Pinzeta
Zdroj tepla (kahan s trojnožkou a keramickou síťkou, elektrický
vařič aj.)
Chladnička
6.3 Přístrojové vybavení
Lupa (případně mikroskop)
7. Časový harmonogram
7. 1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout nachystání
všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí, přípravu
roztoku a především dobu potřebnou ke krystalizaci vzorku.
Časy:
ČASY:
Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na
maximálně 5 minut.
5 minut
Přípravu roztoků odhadujeme na 10 minut.
10 minut
7. 2 Realizace experimentu
Realizace experimentu vyžaduje delší dobu tak, aby bylo možné
rozdíly dostatečně vysvětlit a popsat. Realizace se pak skládá
z následujících částí:
Časy:
Příprava roztoku síranu hořečnatého za horka trvá cca 30 minut. 30 minut
Krystalizace volným chladnutím probíhá cca 180 minut (případně 60 – 180 minut
do druhého dne).
Pozorování krystalů lupou, případně mikroskopem a záznam
z pozorování trvá asi 15 minut.
15 minut
8. Laboratorní postup
Do kádinky o objemu 250 ml (nebo větší) odměříme odměrným
válcem 50 ml destilované vody. Kádinku umístíme na trojnožku
s keramickou síťkou nad kahan, případně na elektrický vařič
a začneme zahřívat. Postupně do vody přidáváme 60 g síranu
Při zahřívání roztoku dbejte
zvýšené opatrnosti a použijte
ochranné brýle!
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Krystalizace
Trojlístek
hořečnatého za stálého intenzivního míchání. Roztok nevaříme!
Po úplném rozpuštění roztok tuhé látky odstavíme a necháme
mírně zchladnout na vzduchu. Poté kádinku s roztokem umístíme
do chladničky (případně do chladné vody). K tvorbě krystalů
dochází zhruba do 60 minut.
Pro pozorování krystalů lupou nebo mikroskopem si vezmeme
vzorek krystalů ze zásobní láhve síranu hořečnatého. Krystalizace
této látky byla průmyslově provedena prudkým ochlazením
nasyceného roztoku. Dále pomocí pinzety vyjmeme opatrně
krystal síranu hořečnatého, který jsme připravili. Necháme chvíli
oschnout na vzduchu a pozorujeme rozdíly.
9. Princip experimentu
K vylučování tuhé látky z roztoku dochází při vzniku přesyceného
roztoku. Přesyceného roztoku můžeme dosáhnout prakticky
dvěma způsoby: změnou teploty nebo odpařením části
rozpouštědla. Pro velkou část anorganických solí platí, že čím
vyšší je teplota roztoku, tím vyšší je rozpustnost tuhé látky
v roztoku. Ochladíme-li roztok nasycený při vyšší teplotě, pak
dochází k vylučování krystalů z roztoku a získáváme nový
nasycený roztok při nižší teplotě. Velikost a tvar vzniklých
krystalů jsou závislé na krystalové mřížce anorganické soli a také
na podmínkách, za kterých je krystalizace prováděna. Především
se jedná o rychlost chlazení roztoku. Při prudkém zchlazení
získáváme velké množství malých nevyvinutých krystalů, při
pomalém ochlazení pak získáváme menší množství větších
krystalů.
Krystalizace je v podstatě opačným
procesem k rozpuštění tuhé látky
v rozpouštědle. Jedná se o
oddělování složek ze stejnorodé
směsi.
Co je roztok?
Co je suspenze?
10. Bezpečnost práce
Síran hořečnatý heptahydrát
Tato látka není klasifikována podle legislativy EU jako
nebezpečná. Běžně se s ní setkáme jako se součástí trávníkových
hnojiv nebo při léčivých koupelích, do kterých se přidává ve
velkém množství (napodobení vody mrtvého moře).
Likvidace roztoku po provedení reakce je možná v kanalizaci po
naředění vodou.
Chemikálie není nutné likvidovat zcela, krystaly je možné po
vysušení na vzduchu opět použít (nesušte v sušárně, jedná se
o hydrát).
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Krystalizace
Trojlístek
11. Poznámky ke strategii výuky
Experiment je velmi jednoduchý, provedení umožňuje více
možných variant pokusu.
Doporučujeme připravovat nasycený roztok centrálně na jednom
místě nebo v menší skupině žáků. Vlastní pozorování pak může
probíhat individuálně v závislosti na vybavení pracoviště (školy).
Se kterými dalšími látkami je vhodné provádět krystalizaci při
výuce chemie?
NaCl (chlorid sodný, kuchyňská sůl): běžně dostupná chemikálie, Krystalizace jiných látek
není nebezpečná, krystalizace volným odpařováním na vzduchu
(např. týden).
CuSO 4 .5H 2 O (síran měďnatý pentahydrát, modrá skalice) tvoří
velmi zajímavé krystaly při krystalizaci volným odpařováním
(velké vyvinuté krystaly). Při krystalizaci rušené jsou krystaly
naopak velmi drobné.
Vhodnou alternativou k tomuto pokusu je krystalizace změnou Krystalizace změnou rozpouštědla
rozpouštědla. Do roztoku CuSO 4 připraveného za laboratorní
teploty (např. 2,5 g CuSO 4 .5H 2 O v 10 ml vody) vneseme
ekvivalentní množství (10 ml) ethanolu. Rozpustnost v 50 %
ethanolu je výrazně nižší než v případě vody a dochází tak
k vylučování krystalů i přesto, že množství rozpouštědla je
dvojnásobné.
12. Přínos
Krystalizace je důležitým procesem v chemických výrobách, ale
setkat se s ní můžeme i v běžném životě. Patří mezi separační
metody. Díky procesu krystalizace se získává sůl z mořské vody
nebo se tvoří krápníky v jeskyních. Krystalizace z taveniny pak
měla za následek vznik polodrahokamů, které se na našem území
hojně nacházejí (achát, kalcit, jaspis apod.). Krystalizace se také Polodrahokamy
hojně používá pro čištění látek. Látka se rozpustí ve vodě nebo
jiném vhodném rozpouštědle, mechanické nečistoty se odfiltrují
a vyčištěná látka se přivede ke krystalizaci.
Množství látky, které můžeme ve vodě rozpustit, je závislé na Vlit teploty na rozpustnost
teplotě. Existují anorganické sloučeniny, které jsou ve vodě
prakticky nerozpustné (např. vápenec CaCO 3 , hydroxid
hořečnatý Mg(OH) 2 atd.). Dále pak najdeme soli, jejichž
rozpustnost s teplotou výrazně stoupá (např. síran hořečnatý
MgSO 4 nebo dusičnan draselný KNO 3 ), další velkou skupinu látek
tvoří takové, jejichž rozpustnost se s teplotou prakticky nemění
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Krystalizace
Trojlístek
(chlorid sodný NaCl). Malou skupinu pak tvoří anorganické látky,
jejichž rozpustnost s teplotou naopak klesá (chroman vápenatý
CaCrO 4 , hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 ).
Závislost rozpustnosti na teplotě znázorňují tzv. křivky
rozpustnosti na teplotě. Rozpustnost se vyjadřuje v g rozpuštěné
látky na 100 g vody.
Jestliže do roztoku přidáváme tuhou látku a ta se dále rozpouští,
pak mluvíme o nenasyceném roztoku. Nastane-li situace, že po
přidání látky již k rozpuštění nedochází, pak se jedná o roztok
nasycený. Tuhé látky se mohou vylučovat (krystalovat) pouze
z nasyceného roztoku. Nasycený roztok můžeme připravit tak, že
odpaříme část rozpouštědla (vody) nebo výrazně snížíme
teplotu. Získáme tedy tuhou látku v podobě krystalů a tzv.
matečný roztok, ve kterém i nadále zůstává část rozpuštěné
látky.
Křivky rozpustnosti
Závislost rozpustnosti na teplotě (zdroj: Lhotka M., Šulcová P.,
Bělina P. a kol., Úvod do anorganické technologie, VŠCHT Praha, Krystaly síranu hořečnatého vzniklé
volným chladnutím
2012)
Provedení krystalizace může být různé:
Volná krystalizace – krystalizace v klidu za pozvolného chladnutí. Volná krystalizace
Při ní vzniká malý počet krystalizačních jader a tvoří se větší, více
vyvinuté krystaly.
Rušená krystalizace – krystalizace prudkým ochlazením za Rušená krystalizace
míchání. Vzniká velký počet krystalizačních jader, krystaly jsou
malé.
Oba tyto typy krystalizace má smysl provádět pouze u látek,
jejichž rozpustnost výrazně stoupá s teplotou.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
Krystalizace
Trojlístek
Krystalizace odpařením části rozpouštědla – pro látky, u kterých Krystalizace odpařením rozpouštědla
se rozpustnost s teplotou mění jen velmi málo. Odpaření
rozpouštědla se provádí volným odpařením na vzduchu,
v exsikátoru, odpařením na vodní lázni nebo oddestilováním
části rozpuštědla.
Krystalizace přidáním třetí látky – speciální typ krystalizace. Krystalizace přidáním třetí látky
Krystalizace látky dosáhneme snížením její rozpustnosti pomocí
přídavku třetí látky. Bývá to látka dokonale mísitelná s původním
rozpouštědlem (např. líh a voda), ve které se však krystalovaná
látka nerozpouští a vylučuje se z roztoku.
13. Fotografie
Počáteční, průběžný i finální stav experimentu můžeme
dokumentovat pořízením fotografií. Pokud váš mikroskop
dovoluje pořízení fotografií, pak je možné rozdíly nasnímat.
Případně můžeme fotit krystaly přímo při použití zoomu a režimu
makro na fotoaparátu. Ke zvýraznění změn můžeme použít
potravinářské barvivo, které v malém množství přidáme do
roztoku.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
7