3.07 Sublimace kofeinu.

3. Separační metody
3.07 Sublimace kofeinu.
Projekt Trojlístek
úroveň
1–2–3
Sublimace kofeinu
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
Sublimací se z vybraného materiálu přečistí nebo izoluje Látka sublimuje.
požadovaná látka.
4. Startovní znalosti žáků
Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ
v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Fyzika, Chemie
a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti
člověk a příroda (individuální látky, jejich směsi, možnosti dělení
směsí, skupenství a přechody mezi skupenstvími, skupenské
teplo).
Co mají žáci znát:
• směsi a dělení směsí;
• skupenství;
• přechody mezi skupenstvími;
• skupenské teplo.
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos
Individuální provedení experimentu rozvine zručnost
a laboratorní techniku, které jsou nezbytné pro provádění
badatelské činnosti.
Spektrum pro žáky známých přechodů mezi skupenstvími, které
znají pod názvy tání, var, kondenzace a tuhnutí, si žáci doplní
o znalost dalšího způsobu přeměny skupenství, se kterým se
pravděpodobně dosud nesetkali. Seznámí se tedy se sublimací,
separační technikou používanou rutinně v chemických i jiný
laboratořích k separaci nebo k čištění látek s vhodnými
vlastnostmi. Znalost děje si upevní jeho vlastním provedením
a pozorováním.
Úloha je vhodná pro úvodní hodiny výkladu chemie a jako jedna
ze vstupních laboratorních úloh výuky chemie vedle dalších
separačních metod jako jsou filtrace, krystalizace, extrakce,
chromatografie nebo destilace.
Co se žáci dozví:
• Co je chemická látka.
• Co je směs.
• Způsoby dělení směsí.
• Sublimace.
• Izolace látek z materiálů.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Sublimace kofeinu
Trojlístek
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení
6.1 Použité chemikálie
DŮLEŽITÉ:
Co budu potřebovat, co si mám
nachystat, připravit, nakoupit!
Na co nesmím zapomenout!
Jod I 2
Chlorid amonný NH 4 Cl
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Hodinové sklo (2 ks)
Kádinka 400 ml
Kulatá baňka 250 ml
Keramická síťka
Elektrický vařič (popř. plynový kahan a trojnožka)
Filtrační papír
Laboratorní špachtle
Laboratorní střička s ethanolem
Sypaný zelený nebo černý čaj (popř. mletá káva)
6.3 Přístrojové vybavení
Provedení experimentu
měřicích přístrojů.
nevyžaduje
použití
laboratorních
7. Časový harmonogram
7.1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění
všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí.
ČASY:
Časy:
Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na
5 minut
maximálně 5 minut.
7.2 Realizace experimentu
Příprava improvizované aparatury a realizace pokusu probíhá ve
velmi krátké době, proces sublimace jednotlivých vzorků nebo
látek je okamžitě vizuálně pozorovatelný.
Časy:
Realizaci experimentu odhadujeme na 15 minut. Další potřebný
čas závisí na počtu vzorků, které lze buď postupně nebo 15 minut
i současně podrobit sublimaci.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Sublimace kofeinu
Trojlístek
8. Laboratorní postup
Varianta A: Mezi hodinovými skly
Na hodinové sklo nasypeme půl čajové lžičky lístků zeleného
nebo černého čaje (ev. jodu, chloridu amonného aj.). Překryjeme
hodinovým sklem stejné velikosti a obráceným dnem vzhůru. Na
horní sklo umístíme vlhký filtrační papír nebo vlhký smotek vaty.
Takto připravenou aparaturu pozvolna asi 10 minut zahříváme
na dostupném zdroji tepla (kahanem přes keramickou síťku, na
elektrickém vařiči přes keramickou síťku apod.). Pozorujeme
průběh sublimace. Po ukončeném zahřívání necháme aparaturu
vychladnout a horní sklo opatrně sejmeme. Špachtlí
seškrábneme krystaly přesublimované látky na filtrační papír.
Hurá! Jod je plynný, aniž
by tál a následně vřel!
Varianta B: V kádince zakryté baňkou
Do 400 ml kádinky vneseme vrchovatou čajovou lžičku lístků
zeleného nebo černého čaje (ev. jodu, chloridu amonného aj.).
Kádinku umístíme na připravený zdroj tepla (kahan nebo
elektrický vařič) a zakryjeme 250 ml kulatou baňkou naplněnou
studenou vodou. Baňku uchytíme do držáku na laboratorní
stojan. Aparaturu pozvolna 10 až 15 minut zahříváme,
pozorujeme průběh procesu. Po ukončeném zahřívání necháme
aparaturu vychladnout a baňku opatrně sejmeme tak, abychom
nesklepli krystaly do kádinky. Krystaly přesublimované látky
seškrábneme špachtlí na filtrační papír.
Účinkující chemické látky
a sloučeniny:
I 2 jod
NH 4 Cl chlorid amonný
kofein
9. Princip experimentu
Při zahřívání látek v tuhém skupenství dosáhneme teploty, při
které je v rovnováze tuhá a kapalná fáze. Jedná se o teplotu tání
(bod tání) a tuhá látka při ní taje (tzv. tání), přechází do
kapalného skupenství. Dalším zahříváním látky v kapalném
skupenství látka začne vřít (tzv. var) a přechází do plynného
skupenství, kapalná fáze je právě v rovnováze s plynnou fází.
Odpovídající teplotu označujeme jako teplotu varu (bod varu).
Malá skupina látek přechází ze skupenství tuhého přímo na páry,
aniž by tály. Tento jev se nazývá sublimace. Při ochlazení
vzniklých par sublimující látky vzniká přímo tuhá látka. V obou
případech „chybí“ skupenství kapalné.
Sublimace je hojně využívána jako čistící a separační metoda
k dělení snadno sublimujících látek ze směsí nebo od nečistot.
Improvizovaně ji lze provést mezi dvěma hodinovými skly,
Tání
Var
Sublimace
Využití sublimace
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Sublimace kofeinu
Trojlístek
přičemž horní vždy chladíme smotkem navlhčené vaty nebo
navlhčeným filtračním papírem. Další možností je provedení
v kádince zakryté kulatou baňkou naplněnou vodou. Páry
sublimující ze dna kádinky tuhnou na chladném dně baňky.
Zahříváme vhodným zdrojem tepla (kahanem, elektrickým
vařičem apod.).
Sublimace za normálního (atmosférického) tlaku není příliš
šetrná. Látky je nutno zahřívat na vysoké teploty a při takových
teplotách se zejména organické látky mohou rozkládat. Proto je
daleko vhodnější realizovat sublimaci za sníženého tlaku, ta se
Sublimátor
provádí ve speciálních zařízeních zvaných sublimátory.
10. Bezpečnost práce
Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je
nutné seznámit se s povahou použitých chemických látek, se
způsoby jejich likvidace a také s nutnými úkony, které je třeba
provést v případě poškození zdraví. Pracujeme v digestoři nebo
v dobře větrané místnosti.
Jod
Jod je tuhá krystalická látka. Lihový roztok jodu se používá ve
zdravotnictví k dezinfekci (např. při očkování). Při potřísnění
kůže ev. očí jodem místo oplachujte vodou.
R-věty a S-věty:
R20/21 Zdraví škodlivý při vdechování a při styku s kůží.
R50 Vysoce toxický pro vodní organismy.
S23 Nevdechujte plyny/dýmy/páry/aerosoly.
S25 Zamezte styku s očima.
S61 Zabraňte uvolnění do životního prostředí.
H-věty a P-věty:
H332 - Zdraví škodlivý při vdechování.
H312 - Zdraví škodlivý při styku s kůží.
H400 - Vysoce toxický pro vodní organismy.
P302+P352 - PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody
a mýdla.
P312 - Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ
STŘEDISKO nebo lékaře.
P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý
vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Sublimace kofeinu
Trojlístek
Chlorid amonný
Chlorid amonný je bílá krystalická látka (nerost salmiak). Používá
se v potravinářství jako přídatná látka E510 nebo při impregnaci
tratí běžeckého lyžování.
R-věty a S-věty:
R22 Zdraví škodlivý při požití.
R36 Dráždí oči.
S22 Nevdechujte prach.
H-věty a P-věty:
H302 - Zdraví škodlivý při požití.
H319 - Způsobuje vážné podráždění očí.
P301+P312 - PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře.
P330 - Vypláchněte ústa.
P305+P351+P338 - PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně
vyplachujte vodou.
P337+P313 - Přetrvává-li podráždění očí: Vyhledejte lékařskou
pomoc/ošetření.
Jod opatrně seškrábněte z nádobí, lze jej opětovně použít
k provedení pokusu. Nádobí znečištěné jodem opláchněte
ethanolem a roztok předejte k likvidaci. Nádobí se zbytky
chloridu amonného umyjte ve výlevce (umyvadle).
11. Poznámky ke strategii výuky
Experiment je snadný a časově nenáročný. Vyznačuje se malou
potřebou laboratorního nádobí a materiálu a velmi nízkou
spotřebou chemikálií.
Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky
nebo skupinkami žáků, jsou potřeba jen vstupní zkušenosti
laboratorní techniky a práce s chemickými látkami. Při zahřívání
je třeba dbát opatrnosti a vyvarovat se popálení.
Při sublimaci jodu se vytvářejí poměrně velké a dobře tvarované
krystaly, z tohoto pohledu se použití jodu jeví jako nejvhodnější.
Záporem je vznik a možný únik zdraví škodlivých par jodu, proto
doporučujeme provádět pokus s malým množstvím jodu a pokud
je k dispozici, využít pro experiment digestoř.
Sublimace chloridu amonného poskytuje drobné krystaly
a pozorování experimentu je ztíženo absencí barvy
sublimovaného chloridu. Pro použití této látky hovoří podstatně
nižší škodlivost oproti jodu.
Další vhodnou látkou k sublimaci je kyselina benzoová. Krystaly
jsou sice bezbarvé, ovšem sublimací připravíme dobře vyvinuté
velké jehlice.
ROZHODNĚME SE:
Která látka bude nejvhodnější pro
realizaci
sublimace
v našich
podmínkách?
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
Sublimace kofeinu
Trojlístek
Sublimaci kofeinu z čaje ztěžuje jednak slabý výtěžek získaného
kofeinu a znepříjemňuje ji zápach, který doprovází experiment.
Rovněž možnost pozorování průběhu sublimace je slabá.
Sublimaci kofeinu z kávy doprovází rovněž znatelný zápach
„připalované“ kávy a ztěžuje ji doprovodná kondenzace vlhkosti
přítomné v kávě.
12. Přínos
Pokus je vhodný jako jeden ze vstupních experimentů ve výuce Vhodný vstup žáků do výuky.
laboratorní techniky v chemii. Přirozená sublimace látek je
v běžném prostředí výjimečná, žáci se tak setkají a prakticky
seznámí se sublimací pravděpodobně poprvé v životě. Průběh
děje pak mohou
žáci porovnat s ostatními známějšími
skupenskými přeměnami.
13. Fotografie
Počáteční a finální stav, eventuálně i průběh experimentu,
můžeme dokumentovat pořízením fotografií.
Průběh sublimace jodu mezi hodinovými skly je znázorněn na
následujících třech fotografiích (Obr. 1 – 3).
Obr. 1
Jod na hodinovém skle
Obr. 2
Průběh sublimace
Obr. 3
Krystaly přesublimovaného jodu
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
7
Sublimace kofeinu
Trojlístek
Průběh sublimace jodu v kádince je ilustrován následujícími
dvěma fotografiemi (Obr. 4, 5).
Obr. 4
Sublimace jodu v kádince
Obr. 5
Výsledek sublimace jodu
Doba realizace pokusu je poměrně krátká, její průběh tedy
můžeme zaznamenat i krátkou videosekvencí.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
8