1.01 Detergenty.

1. Chemie a společnost
1.01 Detergenty.
Projekt Trojlístek
úroveň
1–2–3
Detergenty
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 ročníky
2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída)
osmiletých gymnázií (tercie a kvarta).
Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta)
3. Abstrakt
Povrchové napětí je jednou z vlastností kapalin. Je to efekt, při kterém
se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co
možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se
povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je
povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny. Kapalina se
snaží zabírat co nejmenší plochu. Na povrchu kapaliny se tedy mohou
zachytit lehké předměty a mohou plovat po hladině. Po přidání
detergentu (jaru) se povrchové napětí kapaliny sníží a k plování
předmětů tak nemůže docházet – předměty se ponoří do vody.
Mýdla jsou čisticí a prací prostředky, řazené do skupiny tzv. detergentů.
Přítomnost detergentů způsobuje snížení povrchového napětí vody
a usnadňuje smáčení povrchů různých materiálů. Tím dochází
k rozptýlení nečistot a jejich snadnějšímu odstranění z povrchu
materiálů.
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 chemických látek a jejich směsí, chemických reakcí,
mycích prostředků.
Co mají žáci znát:
• mycí prostředky (jar, mýdlo);
• povrchové napětí kapalin.
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos
Co se žáci dozví:
• Co jsou detergenty.
• Jak detergenty fungují.
• Dopad jejich užívání na životní
prostředí.
Individuální provedení experimentu přispěje k pochopení povrchového
napětí u kapalin a jeho uplatnění v praxi. Dále se žáci dozví, jak snižovat
povrchové napětí kapalin a jaké důsledky jsou s tímto spojeny.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Detergenty
Trojlístek
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení
6.1 Použité chemikálie
H 2 O voda
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Mýdlo (anionický tenzid - mýdlo)
Olej (triacylglycerol)
Žloutek (slepičí: 51 % voda, 16,1 % bílkoviny, 30,5 % tuky, 25,3 %
mastné kyseliny)
Bílek (slepičí, 10% vodný roztok bílkovin)
Kečup (vodný roztok cukru)
Jar
Zkumavka (8 ks)
Kapátko
Tekuté mýdlo
Talíř
Usušená majoránka (koření)
DŮLEŽITÉ:
Co budu potřebovat, co si mám
nachystat, připravit, nakoupit!
Na co nesmím zapomenout!
6.3 Přístrojové vybavení
Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích
přístrojů.
7. Časový harmonogram
7.1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout sestavení
experimentu z výše uvedených pomůcek.
Časy:
ČASY:
Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně
15 minut.
15 minut
7.2 Realizace experimentu
Provedení tohoto pokusu je velice jednoduché a je možno pozorovat
průběh reakcí (pokud k nim dojde) v reálném čase.
Časy:
Dobu experimentu emulgační účinky odhadujeme na 20 minut a pokus
25 minut
běžící majoránka na 5 minut.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Detergenty
Trojlístek
8. Laboratorní postup
Emulgační účinky
Vezmeme si 8 zkumavek a připravíme dvě řady experimentů. Sérii A
připravíme tak, že 4 zkumavky naplníme do poloviny vodou, do každé
přidáme 5 kapek jedné ze zkoumaných látek (olej, žloutek, bílek
a kečup). Sérii B čítající další 4 zkumavky připravíme stejným způsobem,
navíc do každé z nich vneseme 5 kapek tekutého mýdla. Všechny
zkumavky uzavřeme a třepeme s nimi 30 až 60 s. Následně necháme
roztoky odstát asi 2 minuty. Výsledné emulze porovnáme, zaměříme se
zejména na rozdíly mezi sérií A (bez detergentu) a sérií B
(s detergentem). Výsledky zapíšeme do přehledné tabulky.
Běžící majoránka
Do talíře nalijeme asi centimetrovou vrstvu vody a na celý povrch vody
nasypeme koření. Doprostřed talíře kápneme kapku jaru a pozorujeme,
co se stane.
9. Princip experimentu
Detergenty
Experiment je založen na chování různých látek v polárním
rozpouštědle (voda) a v anionickém tenzidu (detergentu) obsahujícím
polární a nepolární část (tekutém mýdle).
V případě vody se jedná o to, zda-li látka přidávaná do vody je ve vodě
rozpustná (vznikne homogenní roztok), nerozpustná (ve vodě se objeví
sraženina), nemísitelná (vzniká emulze) apod. Princip experimentu
vychází z fyzikálně-chemických vlastností vody.
Mýdlo v užším slova smyslu, jehož podstatou jsou hydratované sodné
nebo draselné soli vyšších karboxylových kyselin, je nejstarším
a nejdéle používaným anionickým tenzidem na světě. Molekuly těchto
solí obsahují nerozvětvený uhlovodíkový řetězec (10 až 22 atomů
uhlíku) a koncovou polární skupinu (např. karboxylovou nebo
sulfonovou). V důsledku toho mají dvě části s velice rozdílnými
fyzikálně-chemickými vlastnostmi.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Detergenty
Trojlístek
Obrázek 1.
Micela v roztoku mýdla.
Obr. 1 Micela v roztoku mýdla
Obrázek 2.
Princip rozpouštění tuků v mýdlových
micelách.
Obr. 2 Princip rozpouštění tuků v mýdlových micelách
Dlouhá alifatická část molekuly, tvořená uhlovodíkovým řetězcem
methylenových skupin CH 2 a zakončená skupinou methylovou CH 3 , je
hydrofobní a nepolární; menší karboxylová skupina, tedy lipofobní část
(buď neutrální –COOH, nebo ve formě aniontu –COO−), je hydrofilní
a polární. V důsledku toho mohou tvořit „propojovací můstek“ mezi
částečkami hydrofobních látek (např. tuků a olejů) a hydrofilním
prostředím, např. vodou, a tak vytvářet stabilní emulze nebo nepravé
roztoky těchto látek ve vodě. Toto je základním mechanismem čisticího
účinku mýdel.
Běžící majoránka
Majoránka plave na hladině vody díky povrchovému napětí vody.
V okamžiku, kdy snížíme povrchové napětí vody pomocí detergentu
(jaru), majoránka „odplave“ do místa, kde nedošlo ke snížení
povrchového napětí vody a vytvoří kolem okraje talíře kruh.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Detergenty
Trojlístek
10. Bezpečnost práce
Použité látky jsou běžně používány. Kromě dodržování zásad bezpečné
práce a hygieny práce není třeba věnovat zvýšenou pozornost
chemickým rizikům.
11. Poznámky ke strategii výuky
Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje
malou potřebou „laboratorního“ nádobí a nízkou spotřebou
„chemikálií“.
Doporučujeme provedení pokusu ve skupinách (dva a více žáků).
Emulgační účinky
Výsledky pozorování doporučujeme zapisovat do přehledné tabulky.
Běžící majoránka
Žáci by měli obrazově zdokumentovat začátek a konec experimentu
a pokusit se vysvětlit pozorovaný jev.
12. Přínos
Detergent je směs tenzidů a dalších látek, která má detergenční
vlastnosti. Detergence je schopnost převádět nečistotu z pevného
povrchu do objemové fáze roztoku.
Tenzid je povrchově aktivní organická látka, která je schopna se
hromadit již při nízké koncentraci na fázovém rozhraní a tím snižovat
mezifázovou energii soustavy.
Saponát je starší (nepřesný) název pro syntetické tenzidy.
Syndet je zkratka názvu syntetický detergent, která se začala používat
pro detergenty, jež obsahovaly syntetické tenzidy, aby se tyto
detergenty odlišily od těch, které obsahovaly jako tenzid mýdlo (tj.
sodnou sůl mastných kyselin, obvykle C 12 -C 18 ).
Saponiny jsou glykosidické tenzidy obsažené v rostlinách. Podle ionicity
(nikoli ionogenity) jsou správné následující termíny pro označení
tenzidů. Tenzidy ionické, které se dále dělí na anionické, kationické
a amfoterní, a tenzidy neionické, u kterých rozlišujeme oxyethylenáty
a polyhydroxysloučeniny. Tyto termíny by se tedy měly používat místo
dříve užívaných názvů: anionaktivní, kationaktivní a neionogenní tenzid.
Nakonec ještě běžně používané neionické tenzidy, které se podle
nomenklatury nazývají oxyethylenáty, (obsahují oproti původní
molekule jednu nebo více oxyethylenových skupin tj. -CH 2 -CH 2 -O-)
nikoli ethoxyláty, tím méně pak etoxyláty (neboť ethoxylová skupina je
-O-CH 2 -CH 3 ). Termín ethoxyláty, který se používá běžně v české
i zahraniční odborné literatuře, lze tedy akceptovat jako technický
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
Detergenty
Trojlístek
termín, nikoli jako termín chemického názvosloví.
Tenzidy používané v praxi pro výrobu detergentů jsou téměř vždy směsi
mnoha organických i anorganických sloučenin.
Tenzidy obsažené v komerčních přípravcích a prostředcích působí
bezprostředně na každého jedince druhu Homo sapiens, zejména pak
na tu část populace, která pravidelně myje sebe a pokud možno
všechno ve svém okolí. Aplikuje-li se na proces mytí princip zákona
o zachování hmoty, platí analogicky Imbesiho zákon o zachování špíny:
„Aby bylo možno jedno vyčistit, musíte něco jiného ušpinit". Tedy
mytím (rovněž praním a čištěním) se pouze převádí nečistota (hmota)
působením energie a jiné hmoty (voda a mycí prostředek) z místa na
místo. Převedenou nečistotu nelze skladovat na určených lokalitách
(skládkách), ale nečistota a prací prostředek s vodou přecházejí přes
čističky odpadních vod do ekosystému. Složení nečistoty nelze ovlivnit,
lze však použít biologicky rozložitelný mycí prostředek. Nedílnou
součástí mycího (pracího i čistícího) prostředku jsou tenzidy, proto by
tenzidy použité v mycích, pracích a čisticích prostředcích měly být
rychle a dokonale biologicky rozložitelné.
(Jan Šmidrkal, Tenzidy a detergenty dnes, Chem. Listy 93, 421 - 427
(1999)).
Povrchové napětí využívají někteří vodní živočichové k pohybu po vodní
hladině, např. vodoměrky. Až půjdeš kolem rybníka, podívej se na ně.
Co se s nimi stane, když si někdo umývá auto u rybníka? Čistící
prostředek se dostane do vody, sníží povrchové napětí vody
a vodoměrky se utopí.
13. Fotografie
Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením
fotografií.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
7