Multioborový workshop pro SŠ BIOLOGIE – FYZIKA – CHEMIE

PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ
CZ.1.07/1.1.30/02.0024
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Multioborový workshop pro SŠ
BIOLOGIE – FYZIKA – CHEMIE
Téma: PARAZITI POD MIKROSKOPEM
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
ELEKTROCHEMIE
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
TÉMA: PARAZITI POD MIKROSKOPEM (PARAZITIČNÍ PRVOCI - Protozoa)
AUTOŘI: Mgr. ZBYNĚK HOUDEK, Ph.D., Mgr. VERONIKA KAUFNEROVÁ,
CÍL: Příprava nativních preparátů parazitických prvoků
ÚVOD
Parazitičtí prvoci patří k jednobuněčným eukaryotickým mikroorganismům, které se živí
heterotrofně, ale liší se od svých volně žijících prvoků řadou jedinečných organel. Tyto
organely pomáhají těmto prvokům žít ve svých hostitelích. Mezi tyto organely náleží např.
u trypanosom kinetoplast, což je mitochondrie vybavená velkým množstvím DNA. Podobnou
organelu obsahují výtrusovci, jako je malárie s apikoplastem.
Parazitičtí prvoci ze třídy Kinetoplastea a řádu Trypanosomatida, kteří jsou příbuzní našim
krásnoočkám, tedy bičíkovcům. Tito bičíkovci se vyznačují nejen přítomností bičíků, ale i
zvláštní organelou, kterou nazýváme kinetoplast. Kinetoplast proto, jelikož ho najdeme
blízko bazálního tělíska (kinetozóm) a jedná se v podstatě o specializovanou mitochondrii,
která obsahuje velké množství DNA (až 40 % z celkového množství). Schopností těchto
prvoků je opět vytvářet celou řadu stádií, která se od sebe liší úpravou bičíku, undulující
membrány a polohou kinetoplastu vůči jádru. Nejznámější formou těchto parazitů jsou
trypomastigoti, kteří dali jméno celému řádu (kinetoplast a bičík je až za jádrem.
Nás v této kapitole budou zajímat hlavně dvouhostitelští parazité, kde jedním hostitelem je
hmyz a druhým obratlovec, tedy i člověk. Hmyz, který přenáší tyto parazity, náleží mezi
dvoukřídlé (Diptera) a ploštice (Heteroptera).
Spavá nemoc – africká trypanosomóza
Vývoj parazita v přenašeči končí v přední části trávící soustavy a přenos je zajištěn přes
bodavěsací ústní ústrojí (Salivaria). Původním přenašečem této trypanosomózy jsou africké
mouchy bodalky (Glossina spp.), ale u některých forem onemocnění tyto přenašeči už nejsou
nezbytní a jsou přenášeny jiným dvoukřídlým hmyzem, proto se mohly rozšířit i na jiné
kontinenty.
Trypanosomóza divokých zvířat a dobytka (nagana) je přenášena právě mouchami bodalkami
a je způsobena druhem Trypanosoma brucei, který je pro člověka ale neškodný, protože náš
imunitní systém jej zničí.
2
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
Obr. 1
Trypanosoma brucei
Naopak původcem spavé nemoci (lidská trypanosomóza) je druh Trypanosoma
rhodensiense, který je vůči naší imunitní reakci rezistentní. Tato akutní forma nemoci může
být i smrtelná a trvá několik týdnů a je přenášena bodalkami savan a najdeme ji hlavně ve
východní Africe. V západní Africe nám hrozí naopak chronická fáze nemoci, která je
přenášena říčními bodalkami a trvá až několik let a končí také smrtí.
U nás najdeme příbuzné zástupce trypanosom hlavně u bezobratlých živočichů jako jsou
bičíkovci Leptomonas pyrhocoris v trávicí trubici ploštice ruměníce pospolné nebo
v semenném váčku hlemýždě zahradního Cryptobia helicis .
ÚLOHY:
1 SAMOSTATNÁ PŘÍPRAVA NATIVNÍCH PREPARÁTŮ BIČÍKOVCE Z KMENE KRÁSNOOČEK
(Euglenozoa - druh Cryptobia helicis)
1.1 Pomůcky a materiál
živí hlemýždi zahradní (Helix pomatia), živé žížaly obecné (Lumbricus terestris), preparační
(pitevní) miska, preparační jehla, pinzeta, nůžky, špendlíky, jednorázová plastová pipeta,
gumové jednorázové rukavice, měkký hadřík, podložní a krycí skla, fyziologický roztok,
3
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
proužky filtračního papíru, čistý benzín, binokulární lupa, mikroskop, imerzní objektiv
a potřeby k mikroskopování, imerzní olej.
1.2 Princip
Zhotovte nativní preparát ze semenného váčku (receptaculum seminis) hlemýždě zahradního
(Helix pomatia).
1.3 Postup
Velkou širokohrdlou lahev naplníme až po okraj převařenou vodou a vložíme do ní živé
hlemýždě zahradní a zavíčkujeme ji. Takto provedeme usmrcení plže utopením, které trvá
přibližně 20 – 24 hodin. Poté po částech opatrně odstraníme pomocí pinzety ulitu. Plže
připevníme pomocí špendlíků k voskovému dnu pitevní misky a objekt přelijeme vodou.
Pomocí nůžek, pinzety a preparační jehly vypreparujeme semenný zásobní váček
(receptaculum seminis), kde by se měli nacházet cizopasní prvoci Cryptobia helicis.
1.4 Otázky a úkoly
• Která buněčná organela obsahuje DNA a je charakteristická pro trypanosomy a jim
příbuzné parazity?
• Napiš jakou nemoc, způsobují trypanosomy v Africe?
4
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
A.
TÉMA: PARAZITIČTÍ HELMINTI POD BINOLUPOU (ČERVI):
CÍL: Seznámit se s parazitickými helminty:
ÚVOD
Tato rozmanitá skupina helmintů zahrnuje druhy, které napadají člověka i v našem mírném
pásmu a řadíme je do tříd motolic (Trematoda), tasemnic (Cestoda) a kmene hlístic
(Nematoda). Tato skupina endoparazitů je charakteristická většinou složitými životními cykly.
Motolice mají např. za mezihostitele nějaký druh měkkýše.
Mezi kosmopolitní motolice, které se sporadicky vyskytují i u nás, náleží motolice jaterní
Fasciola hepatica, kterou řadíme do čeledi Fasciolidae mezi dvou-hostitelské motolice. Její
rozměry jsou 60x15 mm a poškozuje játra a žlučovody. Nejvíce tato motolice napadá lidi
v Jižní Americe v Bolívii, kde je to až 15 % populace. Tato motolice je vázána na plovatky,
tedy vodní plže, kdy u nás je to bahnatka malá (Galba truncatula). Tato plovatka je schopná
žít na podmáčených lokalitách. Motolice se do definitivního hostitele dostávají s potravou
(salát z vodních rostlin) v podobě metacerkárií, které v trávicí trubici excystují a pronikají do
břišní dutiny a jater. Následně se usadí ve žlučovodech a způsobují fibrózu až cirhózu jater.
Člověk se může nakazit i tepelně neupravenými játry zvířat, kdy se mladé motolice mohou
zachytit i v hltanu, kde způsobují krvácení a otoky – halzoun.
Prevence těchto parazitů spočívá v tlumení populací mezihostitelů, vodních plžů formou
vysušování a meliorací vodních zdrojů. Nejúčinnější prevence je v oblasti zpracování
potravin, které je nutné před konzumací dobře tepelně upravit.
Obr. 2
Přední část těla motolice obrovské s přísavkou
5
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
Trichobilharzia regenti je druh motolice objevené v roce 1998 v České republice a na
některých lokalitách se vyskytuje až u 40 % volně žijících vodních ptáků. Napadá je
prostřednictvím volně plovoucích cerkárií, které se uvolňují z vodních plžů rodu Radix
a pronikají ptákům pod kůži. Oproti ostatním schistosomám, zalézají tyto motolice nejprve
do periferních nervů, pak do míchy, mozku a dále do nosní sliznice, kde se množí. Infikovaní
ptáci mohou mít poškozené nervové tkáně a způsobit poruchy, u těžších infekcí zejména
ochrnutí končetin. U lidí mohou trichobilharzie způsobit cerkáriové vyrážky vznikajících po
koupání ve vodních nádržích. I putování cerkárií v savcích může mít podobné následky jako
u napadených ptáků. Rozdíly mezi ptačím a savčím hostitelem jsou však tak velké, že parazit
v savcích nedospívá a pak hyne. U lidí s cerkariovou dermatitidou zatím nebylo prokázáno
jiné postižení než vyrážka, někdy provázená zduřením lymfatických uzlin.
Škrkavky
Tito helminti patří mezi nematoda a pod řád Ascaridida a čeleď Ascaridae. Nejznámější je
škrkavka dětská (Ascaris lumbricoides), která je opět jako předchozí tasemnice
kosmopolitním druhem a parazituje v tenkém střevě člověka a lidoopů. Odhady světové
zdravotnické organizace uvádí asi 1 mild. nakažených lidí. Jsou země, kde je výskyt choroby
50%, naopak u nás je ročně zaznamenáno několik desítek až stovek pacientů ročně. Larvy žijí
v odolných vajíčkách ve vnějším prostředí až několik týdnů. Zdrojem nákazy jsou
kontaminované potraviny, které jsou nedostatečně teplotně zpracované. Ze střeva pronikají
larvy do jater anebo cév, pak do srdce a plic, pak jsou larvy vypuzeny dýchacími cestami do
úst, kde jsou polknuty a dostávají se zpět do střev, kde dospívají. Krevní a plicní stádia
vyvolávají embolii, kašel, záněty plic, horečkami a eozinofilií. Mimo mechanického poškození
jater a dalších částí trávící soustavy vylučují metabolity, které ovlivňují nervovou soustavu
a působí vznik alergických ekzémů. Onemocnění se dále projevuje nechutenstvím, zvracením
a průjmy. Při masivní nákaze může dojít až k ruptuře střeva.
U člověka může parazitovat i škrkavka psí a kočičí (Toxocara canis, T. cati) a jedná se
o larvální toxokarózu, kdy migrující larvy poškozují orgány, jako jsou plíce, oči a mozek. U nás
byly zjištěny protilátky u 18 % populace, i když se jedná především o škrkavky našich
domácích mazlíčků.
6
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
Obr. 3
Toxocara cati
ÚLOHY:
2 POD BINOLUPOU BUDETE POZOROVAT ZÁSTUPCE MOTOLIC
(Trematoda - motolici obrovskou Fascioloides magna), a škrkavek (Ascaridida – škrkavku
kočičí Toxocara cati).
2.1. Pomůcky
usmrcení a ve 4% formalínu uložení dospělí jedinci motolice obrovské (Fascioloides magna), a
škrkavky kočičí (Toxocara cati), preparační (pitevní) miska, preparační jehla, pinzeta,
jednorázová plastová pipeta, gumové jednorázové rukavice, měkký hadřík, podložní a krycí
skla, fyziologický roztok, proužky filtračního papíru, čistý benzín, binokulární lupa a
mikroskop.
2.2. Princip
Prohlédnout pod binolupou a nakreslit parazitické helminty
7
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
2.3. Postup
Pinzetou uchopte a vyjměte z nádoby s roztokem formalínu postupně dospělého jedince
motolice obrovské (Fascioloides magna), tasemnice a škrkavky kočičí (Toxocara cati). Pomocí
preparační jehly a pinzety dejte na preparační misku a nakreslete.
2.4. Otázky a úkoly
• Jaká motolice je u nás nejvíce nebezpečná pro lidi?
• Nakresli životní cyklus škrkavky dětské.
• Které další druhy škrkavek znáš?
B.
TÉMA: PARAZITIČTÍ ČLENOVCI:
CÍL: Seznámit se s parazitickými členovci a příprava trvalých preparátů
ÚVOD
Klíště obecné (Ixodes ricinus)
Klíště obecné, které je v poslední době velice aktuálním parazitem a vektorem závažných
chorob člověka, náleží systematicky do třídy Chelicerata – klepítkatci, dále do řádu roztočů –
Acarina, čeledi Ixodidae (klíšťovití). Tento roztoč se vyznačuje přítomností štítku (scutum) na
těle, kdy u samce kryje celé tělo, ale u nenasáté samice pouze jeho polovinu nebo třetinu.
Zadní část těla (idiosoma) klíštěte je velice elastická, aby se samička mohla dostatečně nasát
a tím pádem zvětšit svůj objem. Přední část těla (gnathosoma) nese nejen končetiny, ale i
charakteristický útvar podobný rypáčku (hypostom), jehož přichycovací funkci vylepšují
koncentrické a zahnuté zoubky. Nasátá samička klíštěte se pouští svého hostitele
a produkuje vajíčka, ze kterých se vyvíjí larva a pak nymfa, které také sají a přeměňují se
v další stádium nymfy a následně v dospělce. Z hlediska počtu hostitelů mluvíme u klíštěte
o 6-hostitelském životním cyklu, který trvá několik let. Výše uvedená stádia klíšťat čekají na
svého hostitele převážně na vegetaci a jeho přítomnost určí díky Hallerovu orgánu na
předním páru nohou, který deteguje CO2, teplo atd., protože jim oči chybí. U larev bývá
hostitelem drobný hlodavec, pták nebo ještěrka. Nymfy už napadají větší obratlovce
a dospělci hlavně vetší lesní zvěř, hospodářská a domácí zvířata. Člověk může být hostitelem
všech jmenovaných stádií klíšťat od larvy po dospělce. Délka života klíštěte je zhruba 6 let,
protože každé stádium potřebuje pro svůj vývoj asi 1 rok. Nejvíce klíšťat najdeme v květnu –
září v níže položených rovinách, údolích a méně na horách od března do listopadu v závislosti
na počasí. Z hlediska biotopů, tak jsou hojná v listnatých a smíšených lesích s křovinami.
8
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
Jejich nebezpečí vůči člověku spočívá především v přenosu klíšťové encefalitidy a lymeské
boreliózy.
Klíšťová encefalitida je způsobena virem a lymeská borelióza je bakteriální onemocnění, jež
zahrnuje komplex druhů Borrelia burgdoferi. V místě sání klíštěte se 2-6 týdny po infekci
dojde k vytvoření zarudlé skvrny, která je uprostřed světlá. Skvrnu nazýváme erythema
migrans.
Klíšťové encephalitidě můžeme předejít díky vakcinaci, ale u lymeské boreliózy vakcína pro
Evropu neexistuje. Naopak v Americe je vakcinace možná, protože byla vyvinuta účinná
vakcína. Léčí se peniciliny jako je ampicilin, penicilin G a cefalosporiny.
Klíšťák holubí (Argas reflexus)
Patří mezi roztoče do čeledi Argasidae (klíšťákovití). V angličtině se jim říká soft tick neboli
měkká klíšťata, podle měkkého bradavičnatého pokryvu těla. Od předchozího klíštěte se liší
nepřítomností štítku (scutum). Idiosoma tohoto roztoče kryje zcela gnathosomu. Klíšťáci žijí
v hnízdech svých ptačích hostitelů. Dospělci podobně jako klíšťata sají krev hostiteli, ale jen
po krátkou dobu, když hostitel spí. Naopak larvy sají na hostitelích po dlouhou dobu. Celkově
jsou klíšťáci schopni i dlouho hladovět, dokonce i několik let. Vývoj klíšťáka trvá podobně
jako u klíštěte 2-6 roky.
Klíšťák holubí parazituje nejen na holubech, ale i na člověku, u kterého může způsobit až
podlitiny, alergickou reakci, horečky a bolesti hlavy.
Nejdůležitější je zjistit zdroj, odkud se klíšťáci šíří dovnitř a ten zlikvidovat, znemožnit
holubům přístup na půdy, římsy a do světlíků.
9
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
Obr. 4
Přední část těla (gnathosoma) klíšťáka holubího
ÚLOHY:
3. POD BINOLUPOU NEBO MIKROSKOPEM SI BUDETE MOCT PROHLÉDNOUT PARAZITICKÉ
ČLENOVCE, JAKO ROZTOČE
(Acarina - klíšťáka holubího Argas reflexus) .
3.1. Pomůcky
usmrcení jedinci, klíšťáka holubího (Argas reflexus), 96% alkohol, xylen, kanadský balzám,
podložní a krycí skla, pinzeta, skleněná tyčinka, Petriho miska, mikroskop, binokulární lupa,
čistý benzín, určovací klíč pro determinaci blech (např. Kolářová a kol. – Images of human
parasites – http://old.lf3.cuni.cz/mikrobiologie/parazitologie/)
3.2. Princip
Připravit trvalé preparáty a prohlédnout pod binolupou a nakreslit parazitické členovce
3.3. Postup
Ektoparazity nejprve odvodněte 2 – 3x v 96% etanolu a poté v xylenu.
Na dobře vyčištěné a odmaštěné podložní sklo kápněte kapku kanadského balzámu (pokud je
příliš hustý, lze jej ředit xylenem). Do kapky kanadského balzámu vložte odvodněného
10
BIOLOGIE
PARAZITI POD MIKROSKOPEM
ektoparazita a oparně přikryjte krycím sklem. Abyste zabránili vzniku vzduchových bublin, je
dobré nejprve krycí sklo smočit v xylenu. Zhotovený trvalý preparát pozorujte nejprve pod
binokulární lupou a poté pod mikroskopem.
3.4. Otázky a úkoly
• Zařaď systematicky klíště obecné?
• Které choroby u nás klíště přenáší nejčastěji?
LITERATURA
1. Hofmanová, H., 2012: Praktická parazitologie ve výuce biologie. –MS, Diplomová práce,
ZČU, Plzeň, str. 123.
2. Jíra, J., 2009: Lékařská protozoologie. Galén, Praha, str. 567.
3. Kolářová, L., Němečková, V. et al., Images of human parasites,
http://old.lf3.cuni.cz/mikrobiologie/parazitologie/, staženo 23. 6. 2013.
4. Volf, P., Horák P. et al., 2007: Paraziti a jejich biologie. Triton, Praha, str. 618.
5. Votava, M., Černohorská, L. et al., 2006: Lékařská mikrobiologie speciální, Neptun, Brno,
str. 493.
11
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
TÉMA: FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
AUTOŘI: PhDr. PAVEL MASOPUST, Ph.D., Mgr. LUKÁŠ FEŘT
CÍL: Seznámit účastníky s fyzikálními pokusy, které demonstrují fyziku, která se „skrývá“ za
tím, když se tělesa vznáší
ÚVOD
Také jste jako děti pozorovali s otevřenými pusami letadla a říkali si, jak je možné, že „drží“
ve vzduchu? A nyní už to víte? Následující řádky a především pokusy na workshopu vás
seznámí s fyzikou, která je za létáním (a padáním) těles skryta a kterou budete na vlastní kůži
zkoumat na workshopu v podobě rozmanitých fyzikálních pokusů.
12
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Něco z poezie
Touha po poznání je lidstvu daná. Toužíme poznávat naše okolí a svět kolem nás, podmořské
hlubiny i „prázdný“ prostor nad námi.
Ten byl lidstvu dlouho nepřístupný. Po okolí se mohl člověk projít, přes vodu přeplout, pod
vodu se ponořit, ale vznést se a moci tak poznávat prostor nad námi bylo lidstvu dlouho
zapovězeno. Vznést se a odlepit od země bylo člověku dlouhou dobu odepřeno. Touhu po
poznání vesmíru a vůbec světa nad našimi hlavami krásně ukazuje i báseň Jana Nerudy, tolik
slavná i z filmu Marečku, podejte mi pero:
Jak lvové bijem o mříže,
jak lvové v kleci jatí,
my bychom vzhůru k nebesům
a jsme zde Zemí spjatí.
Nám zdá se, z hvězd že vane hlas:
"Nuž pojďte, páni, blíže,
jen trochu blíže, hrdobci,
jimž hrouda nohy víže!"
My přijdem! Odpusť, matičko,
již jsi nám, Země, malá,
my blesk k myšlénkám spřaháme
a noha parou cvalá.
My přijdem! Duch náš roste výš
a tepny touhou bijí,
zimniční touhou po světech
div srdce nerozbijí!
My přijdem blíž, my přijdem blíž,
my světů dožijeme,
my bijem o mříž, ducha lvi,
a my ji rozbijeme!
Víra autora v lidské poznání, které umožní objevovat dosud nepoznané skutečnosti přírody je
v básni krásně patrná. Zajímavé je, že v básnické sbírce Písně kosmické (z které je báseň Jak
lvové bijem o mříže) nejsou žádné větší nesrovnalosti se současným stavem poznání
astronomie, Jan Neruda dokonce astronomii učil i své dva kmotřence, bratry Fričovi, pozdější
zakladatele Ondřejovské hvězdárny.
13
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Když se v roce 2009 uskutečnil poslední let amerického raketoplánu programu Space Shuttle
STS-125 (jednalo se o poslední let programu k jinému objektu než k Mezinárodní vesmírné
stanici) nesl raketoplán Atlantis na své palubě směrem k Hubbleovu vesmírnému
dalekohledu, kromě obvyklého vybavení a posádky, také českou vlajku a český a anglický
výtisk Písní kosmických. Předměty se na palubu dostaly iniciativou astronauta Andrew
J. Feustela. Proč si vybral právě předměty z České republiky? Jeho tchýně byla z Moravy,
a tak měl k naší republice vztah.
Obr. 1 Astronaut Andrew J. Feustel,
Zdroj: NASA
Vztah Jana Nerudy a jeho díla a prostoru nad našimi hlavami se tímto činem krásně zpečetil.
14
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Gravitace a tíha
Proč se vlastně nevznášíme prostorem a musíme pro pohyb mimo zemi vyvíjet mimořádné
úsilí? Je to samozřejmě způsobeno přitažlivou silou mezi planetou Zemí a naším tělem. Tuto
sílu již znáte pod pojmem gravitační síla, nebo tíhová síla.
Gravitační síla
Gravitační síla působí mezi každými dvěma tělesy, která mají hmotnost. Jak veliká je tato
síla? To nám umožní spočítat Newtonův gravitační zákon.
Dvě tělesa o hmotnostech
a
, jejichž hmotné středy (přibližně totožné s těžištěm,
u koulí je to jejich střed) jsou ve vzdálenosti , jsou přitahována silou
.
Obr. 2 Gravitační síla
Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Newton%C5%AFv_gravita%C4%8Dn%C3%AD_z%C3%A1kon
Řecké písmeno kappa ( ) označuje gravitační konstantu a její velikost byla změřena jako
. Jakou silou jste tedy přitahování například k automobilu,
kolem kterého procházíte ve vzdálenosti 1 m? Předpokládejme, že vaše hmotnost je 80 kg a
automobil má 1000 kg, pak:
. Tato síla je velmi
malá a ve skutečnosti ji ani nepocítíte. Srovnejme ji se silou, jakou vás přitahuje Země.
Hmotnost Země je oproti hmotnosti automobilu mnohokrát vyšší:
.
Mnohokrát vyšší tak bude i přitažlivá síla mezi Zemí a vámi. Vzdálenost středu Země a osoby
stojící na povrchu země se rovná zemskému poloměru
a přitažlivá síla
. Tato síla je cca 150 milionkrát větší.
Tíhová síla
Země rotuje kolem své osy, a my se nacházíme na jejím povrchu. Situaci lze přirovnat
k otáčení se na kolotoči. Na kolotoči pociťujme sílu, která se nás snaží z kolotoče „vystrčit“.
Je to stejná síla, která na nás působí při zatáčení na kole nebo v automobilu. Jedná se
15
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
o takzvanou odstředivou sílu. Stejná síla na nás působí i na povrchu Země a snaží se nás
„vystřelit“ kolmo k zemské ose do vesmíru.
Obr. 3 Gravitační a tíhová síla
Na tomto obrázku značí
silu gravitační (ta míří do hmotného středu Země),
sílu
odstředivou (je kolmá k ose otáčení) a černě tučně je zde naznačena výsledná síla, což je
právě síla tíhová: jedná se tedy o součet gravitační a odstředivé síly. Na pólech, kde je
odstředivá síla nulová (podobně jako uprostřed otáčejícího se kruhového kolotoče) je tíhová
síla rovna gravitační a na rovníku, kde je odstředivá síla největší (podobně jako na okraji
rotujícího kolotoče) se odstředivá a gravitační síla odčítá. Pro představu o velikosti: na
rovníku je gravitační síla působící na 80 kg člověka rovna
(jak jsme spočítali
v předchozím odstavci) a odstředivá síla se spočte podle vzorce
. Hmotnost je
80 kg, r je vzdálenost středu Země a bodu na rovníku (přibližně poloměr Země) a v je oběžná
rychlost tělesa na rovníku kolem středu Země.
Tu lze spočítat z toho, že těleso oběhne kruhovou dráhu o poloměru
, za
jeden den (uvažujme střední den, 24 h, 86 400 s) a rychlost se pak rovná
.
. O tuto sílu se gravitační síla 783 N
Odstředivá síla je pak
snižuje. Tíhová síla
.
Gravitační síla se se vzdalováním od povrchu Země snižuje, pro běžné aplikace kdy se příliš
nevzdálíme od povrchu Země stačí tíhovou sílu počítat známým vzorcem
, kde je
tíhové zrychlení a velikost normálního tíhového zrychlení je stanovena na
. To je ona hodnota
, se kterou se v příkladech běžně počítá.
Podstata gravitace ještě není objasněna, jejímu vysvětlení se mimo jiné věnuje obecná teorie
relativity, která gravitaci popisuje pomocí zakřivování prostoru v okolí hmotných těles.
16
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 4 Gravitace a zakřivení prostoru
Zdroj: http://www.reddit.com/static/spreddit5.gif
Antigravitace
Slovo antigravitace nám může znít jako něco z oblasti sci-fi filmů a vědy daleké budoucnosti.
Samotný význam slova je ovšem jednodušší: předpona anti obvykle značí proti – například
antibakteriální je protibakteriální, antialergický působí proti alergii a antibiotikum působí
proti mikroorganismům (bios je řecky život). A slovo gravitace již známe.
Jako antigravitační sílu pak můžeme označit jakoukoli sílu, která působí proti gravitaci.
Antigravitační silou tak může být označena i síla, která drží křídu nad stolem a nedovolí jí
vlivem gravitace upadnout zpět na stůl.
17
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 5 Antigravitační síla,
Zdroj: http://readingcore.org/privacy.htm
V obrázku Obr. 5 je antigravitační síla označena
. Pokud je síla
stejně velká
(a opačného směru než ) výsledná síla působící na jablko bude nulová, nulové tedy bude
i zrychlení a jablko bude zůstávat na stejném místě v prostoru (pokud na něj nepůsobí žádné
další síly). Jaké další síly mohou působit antigravitačně? Ve zbytku textu se na některé z nich
podíváme.
Vztlaková síla a balóny
Dne 4. června 1783 se za účasti francouzského krále Ludvíka XVI. podařilo bratrům
Montgolfierům odstartovat s prvním horkovzdušným balónem. Toto datum bývá
považováno za počátek éry balónového létání.
Tomuto veřejnému pokusu předcházelo samozřejmě množství neveřejných. Samotný princip
balónu údajně odhalil Joseph-Michel Montgolfier při pozorování prádla, které se sušilo nad
ohněm a v proudu teplého stoupajícího vzduchu se pohybovalo. Další jev, který ho na nápad
přivedl, byl žhavý popel, který se vznášel nad ohněm, který pozoroval. V listopadu 1782
zahájil pokusy s krabicí 1x1x1 m z tenkého dřeva, kterou obalil taftem – umělým hedvábím.
Pod touto krabicí zapálil papír a pozoroval, že se krabice vznesla a vylétla až ke stropu.
Svému bratru (Jacques-Étienne Montgolfier) napsal: „Obstarej zásobu taftu a lan, rychle,
a uvidíš jeden nejúžasnějších pohledů světa“. Bratři následně postavili model s třikrát
zvětšenými rozměry (27 krát zvětšený objem). Model se vznesl tak prudce, že nad ním bratři
hned při prvním letu 17. 12. 1782 ztratili kontrolu a po přistání na dva kilometry vzdáleném
místě byl zničen kolemjdoucími.
Bratři předpokládali, že hoření produkuje speciální plyn, který nazvali Montgolfierovým
plynem a jeho vlastnost nazvali levitací.
18
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 6 Balón bratří Montgolfierů
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:1783_balloonj.jpg
První balón plněný jiným plynem než vzduchem, byl balón vytvořený Jacquem Charlesem
v roce 1783. Balón plněný vodíkem vzlétl 27. srpna z Martových polí v Paříži. Jaká síla nese
balón vzhůru?
Vztlaková síla
Balóny jsou udržovány ve vzduchu stejnou silou, jaká vás nadnáší, když se ponoříte do vody.
Pokud je těleso o objemu ponořeno do tekutiny (plynu nebo kapaliny) o hustotě , je
nadlehčováno silou
. Pokud je tato síla větší než tíhová a je namířena proti
síle tíhové, působí výsledná síla ve směru vztlakové síly a může těleso zdvihnout do výšky.
19
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 7 Vztlaková síla
Uvažujme kulový balón o poloměru , uvnitř kterého je plyn o hustotě
, je v prostředí
. Pokud zanedbáme hmotnost obalu balónu (je vůči hmotnosti plynu uvnitř
o hustotě
zanedbatelná), je tíhová síla působící na balón, jak víme z předchozích odstavců,
. Byl zde použit vzorec pro hmotnost
. Vztlaková síla je
.
Pokud je vztlaková síla větší než tíhová, tedy pokud
,
a
, a
. Toto je podmínka pro to, aby se balón vznesl.
Hustota plynu v balónu tedy musí být nižší, než hustota plynu vně.
Zanedbali jsme hmotnost obalu balónu a také hmotnost koše a zátěže. Podmínka pro
vznesení je však stejná. Balón unese tím více, čím nižší je hustota plynu uvnitř balónu oproti
hustotě plynu vně.
Hustota vzduchu při teplotě
je
, při teplotě
je
hustota vodíku
, helia
.
Stoupání a klesání balónu je možné ovládat změnou teploty vzduchu v horkovzdušném
balónu (a tedy změnou hustoty plynu uvnitř), nebo u balónů plněných jiným plynem
upouštěním plynu pro klesání a odhazováním zátěže pro stoupání. Ve vodorovném směru lze
balón ovládat jen částečně využitím toho, že v různých výškách může vítr vanout různým
směrem.
20
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Elektrostatická síla
Již ve starém Řecku bylo známo, že třením těles (pozorováno u mineralizované pryskyřice
jantaru) se s nimi „cosi stane“ a tato tělesa mohou silově působit na tělesa jiná. Jantar se
řecky označoval jako
= elektron, pojmenování elektřina pochází právě od jantaru.
To „cosi“ je jak již dnes víme způsobeno přenosem elektrického náboje z jednoho tělesa
(jantaru) na druhé těleso, kterým byl jantar třen (např. vlna).
Již velmi dávno je tak známo, že elektrostatická síla může být jak přitažlivá, tak odpudivá.
Náboj ve fyzice označujeme a jakou silou na sebe působí dva náboje? Na to nám odpoví
.
Coulombův zákon, který obvykle zapisujeme v podobě
Písmenko
značí
takzvanou permitivitu vakua a hodnota této veličiny je
. Náboj jednoho Coulombu je náboj obrovský: pokud bychom
umístili dva bodové náboje o velikosti 1 C do vakua do vzdálenosti 1 m od sebe, odpuzovaly
by se silou
,
což je obrovská síla, která odpovídá síle, jakou bychom museli vyvinout pro zdvihnutí tělesa
o hmotnosti cca 916 000 tun. S takto velkými náboji se ovšem nesetkáváme a například při
tření jantaru vlnou získáme náboje v řádu miliardtin coulombu.
Pokud je odpudivá elektrostatická síla namířena proti tíhové síle, může působit jako síla
antigravitační.
Pěkně tento jev demonstruje hračka http://www.thinkgeek.com/geektoys/science/af4c/.
V hůlce je ukryt miniaturní Van de Graaffův generátor, který hůlku a stříbřitou mylarovou
fólii nabíjí kladným nábojem. Hůlka a fólie se pak odpuzují.
21
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 8 Elektrostatická síla
Magnetická síla
Elektřina a magnetismus mají mnohé společné. Jak může být magnetismus použit pro „boj“
s gravitací ukazuje zařízení http://en.wikipedia.org/wiki/Levitron.
22
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 9 Levitron a magnetická síla
Všichni víme, že magnety mají severní a jižní pól a stejné póly se navzájem odpuzují. Nebylo
by tedy možné tuto odpudivou sílu použít jako antigravitační sílu? Tak jednoduché to ovšem
nebude. Pokud uchopíme dva magnety a přiblížíme je k sobě stejnými póly tak se sice
odpuzují, ale energetický výhodnější je, když se horní magnet otočí a přitáhne se k druhému.
Nedopadne to tedy takto
ale takto
.
Pokud bychom chtěli, aby se druhý magnet vznášel nad prvním magnetem, musíme nějak
zamezit tomu, aby se otočil a přitáhl. Pozn. to, že není možné vytvořit stabilní systém jen
s použitím statického magnetického nebo elektrického pole vysvětluje Earnshawův teorém.
Stabilita zařízení na obrázku Obr. 9 je dosažena tím, že je horní (žlutý) magnet vyroben jako
23
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
setrvačník a roztočený setrvačník se snaží zachovat orientaci osy rotace v prostoru. Tím je
magnet stabilizován a nedojde k výše popsanému otočení. Jak poukazuje např. článek na
http://www.physics.ucla.edu/marty/levitron/spinstab.pdf, toto vysvětlení je pro stabilitu
nedostačující a je potřeba provést důkladnější analýzu, viz zmíněný článek, jeho důkazy
ovšem přesahují rámec tohoto textu. Předpoklad, že je zde vznášení dosaženo magnetickou
silou je ovšem platné. I magnetická síla může působit jako síla antigravitační.
Lifter, asymetrický kondenzátor.
Předváděný jev byl poprvé pozorován ve dvacátých letech dvacátého století Thomasem
Townsendem Brownem při pokusech s Coolidgeovou trubicí. Pozoroval, že při zapnutí
trubice se tato snaží pohybovat směrem zpět, proti směru emitovaného záření.
Jev lze v laboratorních podmínkách demonstrovat konstrukcí tzv. lifteru.
Lifter je asymetrický kondenzátor, tedy takový kondenzátor, u nějž je velká geometrická
odlišnost kladné a záporné elektrody. Jedna z možných konstrukcí je na obrázku 1. Právě pro
tuto odlišnost nazýváme lifter asymetrickým kondenzátorem.
Obr. 10 Princip lifteru
Samotnou konstrukci pak ukazuje obrázek 1. Funkci malé kladné elektrody plní tenký
měděný drátek, funkci záporné elektrody alobalový obal lifteru.
Pokud na tenký drátek přiložíme kladný a na alobal záporný pól vysokého napětí,
vznikne silný proud vzduchu směrem dolů od lifteru, a s trochou štěstí se lifter vznese. Jako
zdroj vysokého napětí byl použit počítačový monitor. Více o konstrukci lifterů např. na
http://jnaudin.free.fr/lifters/main.htm.
Hotový lifter ukazuje obrázek 17.
24
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 11 Hotový lifter
25
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Obr. 12 Lifter "v akci"
Zdroj http://vnuf.cz/2008/cz/galerie/ctvrtek/?fotografie=P8280515.JPG
26
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Závěr
Doprovodný text multioborového workshopu přinesl přehled základní teorie, která bude při
workshopu diskutována, a na kterou budou předváděny pokusy, a která je potřeba pro
zodpovězení otázek z pracovních listů. Jsou zde popsány základní síly, které mohou působit
proti tíhové síle a umožnit tak předmětům vznášet se. Konkrétně byly uvedeny příklady
z oblasti elektrostatiky a magnetismu a aerostatiky.
27
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Levitron
Pomůcky: Levitron, http://en.wikipedia.org/wiki/Levitron, váha
Obr. 13 Levitron
Otázky:
1. Na jakém principu Levitron funguje? Jaká síla drží horní magnet ve vzduchu?
2. Zvažte Levitron (horní magnet i podstavu) v klidu a pak umístěte a zprovozněte
Levitron na váze. Bude váha ukazovat odlišná čísla? Proč váha ukazovala to, co
ukazovala? Nejprve výsledek odhadněte, pak ověřte experimentem.
3. Proč musí horní magnet rotovat?
28
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Gravitační a tíhová síla
Úkol: Na zeměkouli v bodech označených křížkem vyznačte šipkou gravitační sílu
a odstředivou sílu (čárkovaná čára je osa rotace zeměkoule)
Otázky:
1. Kde je gravitační a odstředivá síla největší?
2. Kde je největší výsledná tíhová síla?
3. Pokud byste chtěli překonat rekord ve skoku do výšky nebo do dálky, kde na zeměkouli
byste se o to pokusili?
4. Jak ovlivní odpovědi skutečný tvar zeměkoule – zploštění na pólech?
29
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Lifter
Pomůcky: Sestrojený lifter, zdroj vysokého napětí
Obr.14 Lifter
Zdroj: http://elektronik.webz.cz/img/lifter2.jpg
Otázky:
1.
2.
3.
4.
5.
Na jakém principu lifter funguje? Jaká síla drží zařízení ve vzduchu?
Jaký fyzikální zákon (jaké zákony) zařízení demonstruje?
Proč jsou při provozu lifteru vidět výboje?
Při provozu lifteru je ve vzduchu cítit ozon. Co to je a proč vzniká? Jaké má vlastnosti?
Co lze použít jako zdroj vysokého napětí pro provoz lifteru?
30
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Vytvoř foukací raketu
Úkol: Vytvoř z papíru raketu.
Pomůcky: kancelářský papír, nůžky, lepenka tužka, brčko, nůžky
Postup: Vystřihni z papíru obdélník o rozměrech 3 cm x 16 cm. Dále vystřihni z papíru
stabilizační křidélka ve tvaru trojúhelníku. Obdélník naroluj na tužku, tak abys jím zakryl cca
2/3 tužky. Poté na konci zalep lepenkou (papír se tak nebude rozmotávat). Na druhé straně
vytvoř špičku tím, že papír trochu zmuchláš a přelep izolepou. Pak nalep po obvodu
stabilizační křidélka lepenkou. Raketu nasaď na brčko s ramenem a foukni do brčka.
brčko
přilep lepenkou
zde zalepit lepenkou
Obr. 15 Foukací raketa
Zdroj: http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/TRCRocket/paper_rocket.html
Otázky:
1. Co ovlivňuje délku letu rakety?
2. Kde se používá obdobný princip?
3. Co má model rakety společného se skutečnými vesmírnými koráby?
31
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
Vytvoř balon přání NIKDY neprovádět bez přítomnosti dospělého
Úkol: Vytvoř z domácích pomůcek balon přání.
Pomůcky: velký odpadkový pytel, drátek, houbičku na nádobí, líh, lepenka
Postup: Po obvodu ústí odpadkového pytle připevni pomocí lepenky drát. Ve vzniklém kruhu
vytvoř pomocí drátu kříž. Uprostřed (na spojnici drátů) přidělej polovinu z houbičky na
nádobí (pomocí drátku). Vynes na volné prostranství pytel. Venku nalij trochu lihu na
připevněnou houbičku. Odpadkový pytel nafoukni a po té opatrně zapal houbičku. Dávej
pozor, aby plamen nezapálil odpadkový pytel.
Obr. 16 Balón přání
Zdroj: http://www.wyspagadzetow.pl/wp-content/uploads/2010/12/latajace-lampiony.jpg
Otázky:
1. Do kdy balon bude stoupat?
2. Co se bude dít s balonem chvíli po té, co houbička dohoří?
3. Jaké síly působí na balon?
32
FYZIKA
FYZIKÁLNÍ POKUSY SPOJENÉ S LÉTÁNÍM
LITERATURA
1. Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika, Prometheus, Praha 2000
2. Montgolfier brothers,
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Montgolfier_brothers&oldid=589262694
(naposled revidováno. 4. 12. 2013).
3. Rozhovor: Písně kosmické v raketoplánou,
http://www.rozhlas.cz/leonardo/vesmir/_zprava/581028
(naposled revidováno 5. 12. 2013)
4. Heronova parní baňka,
5. http://pokusy.upol.cz/skolni-pokusy/mechanika/reaktivni-motory/heronova-parnibanka-2/
(naposled revidováno 5. 12. 2013)
6. Bernoulliho rovnice,
http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Bernoulliho_rovnice&oldid=10852860
(naposledy revidováno 6. 12. 2013).
7. Visualization Wind Tunnel,
http://smart-blade.com/products-services/visualization-wind-tunnel.html
(naposledy revidováno 6. 12. 2013).
8. Amazing paper airplanes,
http://www.amazingpaperairplanes.com/Favorites.html
(naposledy revidováno 4. 12. 2013).
Science Fair Project Ideas, Answers, & Tools,
http://www.sciencebuddies.org/
(naposledy revidováno 5. 12. 2013).
9. Amazing paper airplanes,
http://www.amazingpaperairplanes.com/sailplane/Sailplane_video.html
(naposledy revidováno 6. 12. 2013)
10. Spin stabilized magnetic levitation
http://www.physics.ucla.edu/marty/levitron/spinstab.pdf
(naposledy revidováno 4. 1. 2014)
33
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
TÉMA: ELEKTROCHEMIE
AUTOR: Ing. JAN HRDLIČKA, Ph.D.
CÍL: Žáci jsou schopni popsat a vysvětlit termín oxidace a redukce, katoda a anoda,
elektrolyt. Naučí se měřit napětí elektrických článků, sami si dovodí princip Faradayova
zákona a vysvětlí si pojem odpor elektrolytu včetně odvození závislosti odporu na
vzdálenosti elektrod. V rámci studia vlastností elektrického článku jsou schopni popsat a
vysvětlit termín ušlechtilost kovů a Beketovova řada kovů (řada napětí kovů).
ÚVOD
Elektrochemické reakce patří mezi chemické reakce, ale mají od ostatních druhů reakcí
určité odlišnosti. Při reakcích dochází k výměně elektronů, tj. vždy se jedná o reakce redoxní,
dochází k oxidaci a redukci. Zároveň je typické, že oxidace a redukce probíhají na různých
místech, na elektrodách, mezi nimiž dochází k pohybu elektronů vodičem, tj. toku
elektrického proudu. Další odlišností je to, že reakce probíhá jen ve velmi tenké vrstvě na
povrchu dané elektrody. Tento typ reakcí má široké uplatnění. Ve vaší práci se dnes
soustředíme na dvě oblasti – na elektrické články, kdy dochází k samovolným reakcím, které
vedou ke generaci elektrického proudu, a na elektrochemické vylučování kovů z roztoků
jejich iontů, které je využíváno při potahování předmětů vrstvičkou vhodného kovu.
ÚLOHY:
1.
GALVANICKÝ ČLÁNEK (ŘADA NAPĚTÍ KOVŮ)
1.1 Pomůcky
dráty nebo plíšky z různých kovů, 2 – 3 kádinky (150 ml), stojan s dvěma držáky, střička
s destilovanou vodou, 5% kyselina chlorovodíková, 5% roztok chloridu sodného, voltmetr
s vodiči.
1.2 Princip
Nejjednodušším zdrojem elektrické energie je elektrický článek tvořený dvěma různými kovy
ve společném roztoku elektrolytu. První zmínky o tomto jevu lze vysledovat už u známých
pokusů italského lékaře Luigiho Galvaniho, který pozoroval svalové záškuby způsobené
elektřinou. Na základě těchto pozorování zkonstruoval italský fyzik Allesandro Volta již v roce
1800 elektrický článek jako první trvalý zdroj elektrické energie. Vy si vyzkoušíte přípravu
takového článku, který je založen na různé ušlechtilosti kovů. Při vodivém spojení se tak
34
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
jeden z kovů oxiduje na své ionty a rozpouští se v roztoku, druhý pak redukuje na kov,
případně se na něm vylučuje vodík. V takovém případě pak nazýváme kov, který se oxiduje
(rozpouští) méně ušlechtilým kovem.
1.3 Postup
Do kádinky si nalijte asi 100 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové. Jako záporný pól článku
budete používat zinkový plíšek. Upevněte jej do držáku a ponořte do elektrolytu. Poté
umístěte stejným způsobem i hliníkový drát. K zinkové elektrodě připojte záporný pól
voltmetru (země) a k hliníkové elektrodě pól kladný. Zapněte voltmetr a zaznamenejte
napětí připraveného článku do tabulky. Postup zopakujte i pro cínový, stříbrný a měděný
drát, železný hřebík a hořčíkový plíšek. Ihned po měření dráty z roztoku vyjměte, opláchněte
destilovanou vodou a osušte.
1.4 Otázky a úkoly
•
Změřte napětí na každém vytvořeném článku. Jednotlivá naměřená napětí vyneste do
tabulky 1.
•
Pokud máme článek složený ze zinku a mědi, na které elektrodě v článku dochází
k oxidaci a na které k redukci?
•
Na základě zjištěných potenciálů seřaďte testované kovy podle jejich ušlechtilosti.
•
Pokud má běžně používaný článek, např. "tužková baterie", napětí přibližně 1,5 V, který
z připravených článků by bylo možno použít k zapojení baterie (několik článků za sebou,
jejichž napětí se sčítá), která by dávala podobné napětí jako koupený článek? Kolik článků
by bylo v baterii a jaké napětí by bylo dosaženo?
2.
ELEKTROLÝZA
2.1 Pomůcky
Zdroj napětí, dráty s banánky a krokosvorkami, kádinka, petriho miska, plastová pinzeta,
střička s destilovanou vodou, kousky filtračního papíru, 10% roztok ZnSO4.
2.2 Princip
Elektrolýza je rozklad roztoku působením elektrického proudu. Pokud daný roztok obsahuje
rozpuštěnou sůl kovu, pak se účinkem proudu na jedné z elektrod redukují kationty za vzniku
kovu, na druhé elektrodě se oxidují anionty. K tomu, aby reakce probíhala je potřeba
překročit tzv. vylučovací napětí. To je takové napětí, při kterém začne probíhat na elektrodě
daná reakce. Elektrolýzu studoval v první polovině 19. století známý anglický fyzik a chemik a
zjistil vztah mezi časem, elektrickým proudem a množstvím vyloučené látky na elektrodě.
35
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
Tento vztah je dnes známý jako Faradayův zákon. Vy si v tomto úkolu vyzkoušíte obdobný
experiment, díky kterému pak můžeme platnost tohoto zákona ověřit.
2.3 Postup
Zvážíme si kousek pozinkovaného plechu, který budeme používat jako katodu. Do roztoku
vložíme elektrody – uhlíkovou anodu a plechovou katodu. Zapneme zdroj stabilizovaného
napětí a nastavíme hodnotu napětí na 10 – 12 V. Necháme po dobu 2 minut probíhat
elektrolýzu, poté zdroj vypneme. Plechovou elektrodu vyjmeme, opláchneme destilovanou
vodou, osušíme a zvážíme. Opakujeme ještě dvakrát. Váhy po jednotlivých časech
zaznamenáváme do tabulky. Data pak vyneseme do připraveného grafu.
2.4 Otázky a úkoly
•
Jaká je souvislost mezi dobou elektrolýzy a množstvím vyloučeného kovu? Vyjádřete ji
slovně.
3.
GALVANICKÉ POKOVOVÁNÍ
3.1 Pomůcky
Plochá baterie (4,5 V), žárovka, dráty s banánky a krokosvorkami, 2 kádinky, petriho miska,
plastová pinzeta, střička s destilovanou vodou, kousky filtračního papíru, 10% roztok CuSO4,
10% roztok H2SO4.
3.2 Princip
Stejně jako v předchozí úloze se jedná o elektrolýzu roztoku. V tomto speciálním případě se
využívá k tomu, aby se povrch vodivého předmětu pokryl tenkou vrstvičkou kovu, v našem
případě mědí. Většinou se tohoto postupu využívá k ochraně materiálů před korozí nebo ke
zlepšení estetických vlastností povrchu.
3.3 Postup
Minci ponoříme na několik vteřin do kyseliny sírové. Pak ji opláchneme destilovanou vodou
a uchytíme ji do krokosvorky. Takto připravenou elektrodu zapojíme jako katodu, měděný
drát pak zapojíme jako anodu. Obě elektrody ponoříme do roztoku CuSO4. Pozorujeme
intenzitu svitu žárovky v závislosti na vzdálenosti elektrod. Minci několikrát otočíme tak, aby
pokovení bylo pokud možno jednolité. Po ukončení pokusu minci vyjmeme, opláchneme
destilovanou vodou a osušíme.
3.4 Otázky a úkoly
•
Dokážete vysvětlit změnu intenzity svitu žárovky se vzdáleností elektrod?
•
Jaký proces probíhá na katodě a jaký na anodě? Zapište je rovnicemi.
36
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
LITERATURA
1. Vacík, J. et al.: Přehled středoškolské chemie. SPN - pedagogické nakladatelství, Praha
1999.
2. Honza, J., Mareček, A.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 2. díl. Nakladatelství Olomouc,
Olomouc 2002.
37
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
Úloha 1
Tabulka 1
Článek
Výsledková tabulka napětí článků
Zn / Al
Zn / Fe
Zn / Sn
Zn / Mg
Zn / Ag
Zn / Cu
Naměřený
potenciál
(V)
Pokud máme článek složený ze zinku a mědi, na které elektrodě v článku dochází k oxidaci
a na které k redukci?
Na základě zjištěných potenciálů seřaďte testované kovy podle jejich ušlechtilosti.
Pokud má běžně používaný článek, např. "tužková baterie", napětí přibližně 1,5 V, který z
připravených článků by bylo možno použít k zapojení baterie (několik článků za sebou, jejichž
napětí se sčítá), která by dávala podobné napětí jako koupený článek? Kolik článků by bylo v
baterii a jaké napětí by bylo dosaženo?
Úloha 2
Tabulka 2
Závislost hmotnosti vyloučené látky na době elektrolýzy
Čas (min)
Hmotnost vyloučeného
kovu (g)
38
CHEMIE
ELEKTROCHEMIE
0,6
0,5
Hmotnost (g)
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Čas (min)
Graf 1 Závislost hmotnosti vyloučeného kovu na čase
Jaká je souvislost mezi dobou elektrolýzy a množstvím vyloučeného kovu? Vyjádřete ji
slovně.
Úloha 3
Vysvětlete změnu intenzity svitu žárovky se vzdáleností elektrod.
Jaký děj probíhá na katodě a jaký na anodě? Zapište je rovnicemi.
39