Wprowadzenie do nauki chemii

Co to właściwie znaczy, że chemia jest nauką eksperymentalną? Czy taka forma tego przedmiotu może być realizowana w szkole, ale co ważniejsze – czy może być interesująca? Aby się o tym przekonać, wykonano wg instrukcji poniższe doświadczenie. Zapoznaj się z jego przebiegiem, a w razie problemów ze zrozumieniem omawianych zagadnień, skorzystaj z pomocy nauczyciela.

Doświadczenie wykonano w fartuchu, rękawicach i okularach ochronnych.

Poniżej doświadczenia zamieszczono film, omawiający jego przebieg.

Co było potrzebne:

• woda destylowana;

• wodorotlenek potasu;

• glukoza;

• błękit metylenowy (używany między innymi jako preparat akwarystyczny);

• kolba stożkowa o pojemności $300$ ${\mathrm{cm}}^3$;

• korek;

• waga laboratoryjna;

• cylinder miarowy.

Wykonywane czynności:

1. Odważono $5$ $\text{g}$ wodorotlenku potasu oraz $3$ $\text{g}$ glukozy.

2. Do kolby stożkowej wlano około $250$ ${\mathrm{cm}}^3$ wody destylowanej. Dodano do niej odważone wcześniej substancje oraz szczyptę błękitu metylenowego.

3. Kolbę zamknięto korkiem i energicznie potrząsano jej zawartością, aż do rozpuszczenia się wsypanych odczynników.

4. Kolbę odstawiono na pewien czas i obserwowano zachodzące wewnątrz niej zmiany.

5. Ponownie potrząśnięto kolbą i dokonano obserwacji zachodzących zmian.

Obserwacje:

Dodanie błękitu metylenowego wywołuje niebieskie zabarwienie roztworu, które po chwili zanika. Potrząsając kolbą można je łatwo z powrotem przywrócić. Po potrząśnięciu, kolor niebieski jest bardziej intensywny niż na początku.

Wnioski:

Obserwowanie naprzemiennie pojawiania się i zanikania niebieskiej barwy roztworu świadczy o tym, że w kolbie zachodzi odwracalna reakcja pomiędzy barwnikiem (błękitem metylenowym) i którymś z pozostałych składników mieszaniny reakcyjnej.

Podsumowanie:

Glukoza reaguje z barwnikiem (błękitem metylenowym), w wyniku czego powstają bezbarwne produkty. Potrząsanie naczyniem doprowadza do roztworu tlen z powietrza, co powoduje, że błękit metylenowy odtwarza się, dlatego roztwór ponownie przyjmuje niebieskie zabarwienie. Obserwowana zmiana barwy roztworu (z niebieskiej na bezbarwną i na odwrót) to wynik dwóch procesów, które zachodzą w przeciwnych kierunkach.

Jak sądzisz, czy wykonane wcześniej doświadczenie można zmodyfikować i uzyskać podobne, odwracalne reakcje, z wykorzystaniem innego barwnika? Aby się o tym przekonać, wykonano doświadczenie pt. „Chemiczne światła drogowe”. Zapoznaj się z przebiegiem doświadczenia, a następnie rozwiąż zadanie do doświadczenia.

Doświadczenie wykonano w fartuchu, rękawicach i okularach ochronnych.

Poniżej doświadczenia zamieszczono film, omawiający jego przebieg.

Problem badawczy:

Czy reakcja indygokarminu i glukozy w roztworze z dodatkiem wodorotlenku sodu pozwala na naprzemienne otrzymywanie barwnego i bezbarwnego roztworu?

Hipoteza:

Reakcja pomiędzy indygokarminem i glukozą, zachodząca w roztworze z dodatkiem wodorotlenku sodu, jest odwracalna i pozwala na kilkukrotne uzyskanie barwnego roztworu po wstrząśnięciu mieszaniny reakcyjnej.

Co było potrzebne:

• woda destylowana;

• wodorotlenek sodu;

• glukoza;

• dwie kolby stożkowe o pojemności $300$ ${\mathrm{cm}}^3$ z korkami;

• waga laboratoryjna;

• cylinder miarowy.

Wykonywane czynności:

1. Odważono $\mathrm{1,4}$ $\text{g}$ wodorotlenku sodu i $3$ $\text{g}$ glukozy.

2. Do pierwszej kolby stożkowej wlano około $140$ ${\mathrm{cm}}^3$ wody destylowanej o temperaturze około $35$$\text{°C}$. Dodano do niej odważoną wcześniej glukozę i szczyptę indygokarminu.

3. Do drugiej kolby stożkowej wlano pozostałe około $60$ ${\mathrm{cm}}^3$ wody destylowanej, po czym rozpuszczono w niej odważony wcześniej wodorotlenek sodu.

4. Wodny roztwór wodorotlenku sodu wlano do kolby z roztworem glukozy i zamknięto ją korkiem. Obserwowano zachodzące zmiany.

5. Energicznie potrząśnięto zamkniętą kolbą. Ponownie obserwowano zachodzące zmiany.

Obserwacje:

Dodanie roztworu wodorotlenku sodu do intensywnie niebieskiego roztworu glukozy i indygokarminu zmienia jego zabarwienie na czerwony, a następnie na żółty. Potrząśnięcie kolbą powoduje uzyskanie intensywnie zielonego koloru, który ponownie przechodzi w czerwony, a następnie żółty. Kolejne wstrząsania prowadzą do otrzymywania kolorów o coraz mniejszej intensywności.

Wnioski:

Reakcja zachodząca w roztworze z dodatkiem wodorotlenku sodu, pomiędzy indygokarminem i glukozą, jest odwracalna.

Podsumowanie:

W roztworze z dodatkiem wodorotlenku sodu, glukoza reaguje z  indygokarminem (podobnie jak błękitem metylenowym), jednak w tym przypadku produkty reakcji są barwne. Czerwona barwa roztworu jest  związana z obecnością w roztworze obu form indygokarminu (przereagowanej i nieprzereagowanej). Z kolei za żółty kolor roztworu odpowiedzialny jest końcowy produkt reakcji glukozy z indygokarminem. Wstrząśnięcie kolbą powoduje dostarczenie do roztworu tlenu z powietrza, dzięki któremu dochodzi do częściowego odtworzenia się niebieskiego barwnika, co skutkuje nadaniem roztworowi nietrwałej, zielonej barwy.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, wykonano zgodnie z instrukcją poniższe doświadczenie. Zapoznaj się z jego przebiegiem, a następnie rozwiąż zadanie do doświadczenia.

Doświadczenie wykonano w fartuchu, rękawicach i okularach ochronnych.

Problem badawczy:

Czy do poprawnej interpretacji obserwacji poczynionych w przebiegu eksperymentu wymagana jest obszerna wiedza?

Hipoteza:

Poprawne wyjaśnienie obserwacji dokonanych w przebiegu eksperymentu często wymaga znajomości podstaw chemii i fizyki.

Co było potrzebne:

• szkło wodneszkło wodneszkło wodne;

• woda destylowana;

• kryształy następujących soli: azotanu$\text{(V)}$ kobaltu$\text{(II)}$, azotanu$\text{(V)}$ miedzi$\text{(II)}$, azotanu$\text{(V)}$ niklu$\text{(II)}$, azotanu$\text{(V)}$ żelaza$\text{(II)}$, siarczanu$\text{(VI)}$ niklu$\text{(II)}$, chlorku miedzi$\text{(II)}$;

• waga laboratoryjna;

• cylinder miarowy;

• bagietka;

• zlewka.

Wykonywane czynności:

1. Do zlewki o pojemności $1000$ ${\mathrm{cm}}^3$ wlano około $400$ ${\mathrm{cm}}^3$ roztworu szkła wodnego i dodano taką samą ilość wody. Zawartość zlewki wymieszano bagietką.

2. Do zlewki wrzucono kolorowe kryształy soli w taki sposób, aby jej dno było nimi równomiernie pokryte. Każdy kryształ miał masę około $10$ $\text{g}$.

3. Tak przygotowany zestaw doświadczalny pozostawiono na około $15$ minut. Obserwowano zachodzące zmiany.

Obserwacje:

Po upływie kilku minut, każdy kryształ pokrywa się błonką i pęcznieje. W roztworze pojawiają się różnobarwne kształty, wyglądem przypominające rośliny.

Wnioski:

Zmiany zachodzące podczas eksperymentu nie wyglądają jak typowe rozpuszczanie ciała stałego w roztworze. Aby wyjaśnić, co odpowiada za taki przebieg eksperymentu i powstające w nim kształty, konieczna jest znajomość wielu zagadnień z zakresu chemii, a także fizyki.

Podsumowanie:

Pomiędzy rozpuszczającymi się solami a roztworem szkła wodnego dochodzi do tak zwanej reakcji wymiany. Mechanizm powstawania zaobserwowanych kształtów jest dość złożony i trudny do zrozumienia bez znajomości fizyki i chemii.

Przeprowadzając doświadczenia chemiczne nie wolno nam zapominać, że reakcje mogą zachodzić w sposób gwałtowny, czasem nieprzewidywalny. Zawsze należy przestrzegać przepisów $\text{BHP}$ oraz dbać o środki ochrony osobistej. Przeprowadzono poniższe doświadczenie zgodnie z podaną instrukcją. Zapoznaj się z jego przebiegiem, a następnie rozwiąż zadanie do doświadczenia.

Doświadczenie wykonano w fartuchu, rękawicach i okularach ochronnych.

Problem badawczy:

Czy bezpieczne przeprowadzanie doświadczeń wymaga znajomości chemii?

Hipoteza:

Aby bezpiecznie przeprowadzić doświadczenie chemiczne, ważna jest nie tylko znajomość przepisów $\text{BHP}$ i dbanie o odpowiednie środki ochrony osobistej – konieczna jest także znajomość chemii.

Co było potrzebne:

• perhydrol (roztwór nadtlenku wodoru o stężeniu około $30$$\text{\%}$);

• jodek potasu;

• płyn do mycia naczyń;

• cylinder miarowy o pojemności $150$ ${\mathrm{cm}}^3$;

• kuweta lub duża miska.

Wykonywane czynności:

1. Cylinder miarowy wstawiono do kuwety.

2. Do cylindra miarowego bardzo ostrożnie wlano około $30$ ${\mathrm{cm}}^3$ perhydrolu.

3. Do cylindra dodano kilka kropli płynu do mycia naczyń.

4. Do naczynia wsypano niewielką ilość jodku potasu.

5. Obserwowano zachodzące zmiany. Ostrożnie sprawdzono ręką, czy temperatura naczynia uległa zmianie.

Obserwacje:

Po dodaniu jodku potasu do roztworu perhydrolu z kilkoma kroplami płynu do mycia naczyń rozpoczyna się gwałtowna i burzliwa reakcja chemiczna. Powstaje duża ilość gorącej piany.

Wnioski:

Reakcja przebiega w sposób gwałtowny, trudny do kontroli, a powstająca piana może stanowić zagrożenie. Brak wiedzy chemicznej, odnośnie do możliwego przebiegu eksperymentu, mógłby być niebezpieczny dla eksperymentatora.

Podsumowanie:

Jodek potasu stanowi katalizatorkatalizatorkatalizator reakcji rozkładu nadtlenku wodoru, do wody i cząsteczkowego tlenu. Wydzielający się w doświadczeniu tlen, dzięki obecności w naczyniu płynu do mycia naczyń, powoduje powstanie dużej ilości piany. To doświadczenie jest także nazywane „pasta dla słonia”.