Země, člověk, vzduch, voda – jak zatraktivnit vyučování chemie

Deváťáci se účastnili dne nazvaného Země

Když uslyšíte slovní spojení Země a chemie, jistě vás napadne Z jakých prvků je Země tvořena? Které zajímavé prvky na ní či v ní můžeme najít?

Nejhojnější z nich je samozřejmě kyslík a křemík, dále následují hliník a železo. Železo se na Zemi nachází ryzí velmi vzácně, ale díky jeho reaktivitě jej můžeme nalézt vázané v nejrůznějších sloučeninách. Sloučeniny železa dávají často nerostům a horninám, které je obsahují, načervenalou nebo rezavohnědou barvu (žáci si samozřejmě mohou jejich ukázky prohlédnout, dokonce i na špercích paní lektorky). 

Železo doprovází lidskou historii již od pradávna, výrobu železa zvládali již staří Chetité tři tisíce let před naším letopočtem. K rozšíření výroby železa však došlo až po pádu jejich říše 1200 let před naším letopočtem.

Dnes se vyrábí železo ve vysokých pecích. Chemický princip této výroby spočívá v redukci kyslíkatých rud železa koksem. 

Železa se každoročně vyrobí obrovské množství, ale veliké jsou následně ztráty, které může způsobit koroze. Co je to koroze? Jak můžeme chránit před korozí? Co je to rez? Takové a mnoho dalších otázek v rychlém sledu napadá jak žáky, tak učitele. A všechny jsou hned zodpovězeny (doplňte si sami odpovědi: oxidace za působení vlhkosti; nátěry, pokovováním, maštěním; hydratovaný oxid železitý).

Po krátkém teoretickém úvodu vždy následuje několik zábavných pokusů, a to jak demonstračních, prováděných lektorkou, tak i žákovských.

V tématu Země je vtipné na úvod začít sopkou. Sopky souvisí s činností Země, v jejich blízkosti mohou vznikat sloučeniny s obsahem železa.

Existuje sice celá řada možností, jak si připravit nádhernou sopku v chemické laboratoři, ne vždy se ale uplatňují sloučeniny železa. Takovým příkladem může být Leméryho sopka.

Nachystáte si baňku o objemu 1000 ml, zátku s odvodnou trubičkou, stojan, kahan, síťku. Z chemikálií je třeba prášková síra a železný prach. Na stechiometrickou směs práškové síry a železného prachu se do litrové baňky opatřené zátkou s odvodnou trubičkou vytaženou v kapiláru nalije vroucí voda. Je-li směsi dostatek (20 g), dojde za několik minut k bouřlivé reakci. Uvolněným teplem při exotermní reakci se vyvolá var vody a její páry začnou unikat trubicí. V baňce se voda živě vaří a obsah je černošedě zbarvený. Síru a železný prach je nutné dobře promíchat – voda musí vřít. (Fe + S → FeS)

Když nemáme dost času a odvahu na takovýto experiment (jako jsme neměli ani my), pro úžasnou motivaci na začátek můžeme použít klidně i koupenou stolní sopku či malý dortový ohňostroj z prodejny pyrotechnických pomůcek. A potom jen dodržet a patřičně okomentovat pravidla bezpečnosti.

Efektní jsou mnohé další pokusy, které patřičně představíme. Pokus, sloužící jako důkaz přítomnosti Fe³⁺ kationtů, obvykle provádíme na kapkovací destičce, ve zkumavce nebo jako „Tajný inkoust“^[1]. Všechny tyto postupy si účastníci projektového dne vyzkoušeli.

Důkaz železitých kationtů okořeněný strašidelným příběhem se může stát malým hororem v chemii, který jistě vzbudí zájem žáků či studentů. Lektorka si zápěstí pokapala chloridem železitým, nůž namočila do roztoku KSCN (thiokyanatan draselný), a tupou stranou nože (!) si podřezávala zápěstí. Rudá „krev“ ukapává i na zem!

Chlorid železitý, který obsahuje Fe³⁺, je ve slabém roztoku téměř bezbarvý. Když k němu přidáme malé množství taktéž bezbarvého thiokyanatanu draselného (rhodanidu), barva se dramaticky změní na krvavě červenou (thiokyanatan železitý).

FeCl₃ + 3 KSCN → Fe (SCN)₃ + 3KCl

Deváťáci si chtěli vyzkoušet nějakou sopku sami. Takže jedna velmi bezpečná:

Žáky rozdělíme do skupin. Do Erlenmayerovy baňky vložíme 1 lžičku (asi 10 g) hydrogenuhličitanu sodného (jedlé sody), přidáme 100 ml H₂O a přiměřené množství saponátu. Baňku vložíme opatrně na dno výlevky. Poté přidáme 20 ml 8 % roztoku kyseliny octové. Každá skupina může přidat lžičku potravinářského barviva jiné barvy pro větší efekt pokusu.

Směs jedlé sody (hydrogenuhličitanu sodného), saponátu a obarvené vody reaguje s octem. Při reakci vzniká syčící pěna, která nabývá na objemu díky vznikajícímu plynu, jímž je oxid uhličitý.

Na HCO₃ + CH₃ COOH → CH₃ COONa + CO₂ + H₂O

Člověk - téma, které jsme pro projektový den určili osmákům

Na úvod je určitě dobré říci, z čeho je složené lidské tělo.

Z tabulky mohou žáci sami odvodit, že tělo je tvořeno především anorganickými látkami, z nichž většinu tvoří voda. Minerální látky představují jen nepatrnou část hmotnosti živé hmoty. Organických látek je mnohem méně, ale o to jsou důležitější. Představují je především bílkoviny a sacharidy, neméně důležité jsou lipidy a nukleové kyseliny.

Kromě seznámení s obsahem látek v našem těle (díky tabulce,  ale názorný je i graf), můžeme vysvětlit význam jednotlivých skupin přírodních látek pro buňky našeho těla i ve výživě člověka.

Potrava člověka je buď rostlinného nebo živočišného původu. Z rostlin jíme jejich jednotlivé části (kořeny, hlízy, stonky, listy a plody) jako zeleninu, ovoce, koření. Využíváme semena u obilnin, luštěnin či koření, lisujeme oleje a podobně. Z chovaných nebo lovených živočichů dokážeme využít maso, mléko a mléčné výrobky, vejce, med i živočišné tuky.

Zamysleme se nad tím, která z přírodních látek tvoří největší podíl v naší potravě, čeho nejvíce sníme. Nejvíce jíme chleba, rohlíků, brambor, těstovin, rýže, buchet – všechny tyto potraviny obsahují polysacharid škrob, který je vždy rostlinného původu. Škrob má velké molekuly. Co se se škrobem děje poté, co jej sníme?

Škrob se štěpí už v ústech trávicím enzymem ptyalinem, který je obsažen ve slinách. Štěpí se na malé molekuly sladkého cukru (monosacharidu) glukózy. Když si ponecháme několik minut v ústech kousek rozžvýkaného chleba, sousto zesládne. Škrob se dokazuje Lugolovým roztokem (roztok jodu v jodidu draselném) – po jeho přidání změní barvu na modročernou.

Že se škrob rozkládá účinkem slin, si můžeme dokázat jednoduchým pokusem.

Nejdříve si žáci připraví škrobový maz: 1 g škrobu rozpustí ve 20 ml studené vody a následně vlijí za stálého míchání do 300 ml vařící vody. Do dvou zkumavek si nachystají po 5 ml škrobového mazu. Do jedné z nich přidají asi 1 ml vlastních slin, které si připraví tak, že v ústech ponechají chvíli doušek vody. Obě zkumavky zahřejí na vodní lázni, teplé 40 °C, aby napodobili podmínky lidského těla. Intenzivně míchají tyčinkou. Po přikápnutí Lugolova činidla do obou zkumavek pozorují modré zbarvení pouze v samotném škrobu. Tam, kde byly sliny, se již škrob rozložil, a proto jsme jej nemohli dokázat.

Škrob můžeme dokázat nejen v čistém stavu, ale i v potravinách. A to nejen v potravinách rostlinného původu, jak bychom si mysleli podle předchozího výkladu. Škrob dokážeme Lugolovým roztokem elegantně v rozkrojeném bramboru, uvařené rýži, ale i tam, kde bychom to nečekali – v uzeninách! Pro představu o kvalitě uzenin můžeme jako vzorek zvolit levný salám typu Gothaj a k tomu dražší šunku – třeba debrecínku. Kvalitní uzeniny by neměly škrob obsahovat, což se nám podaří u dražší debrecínky, nikoli u levného Gothaje – ten je doplněn sójou či moukou a s Lugolovým roztokem doslova zčerná.

Zde musíme zdůraznit, že nedokazujeme, jestli jsou potraviny zdravé nebo nezdravé. Jednoduchým pokusem jsme dokázali, že levnější uzeniny bývají doplněné rostlinnými složkami.

Vzduch je téma číslo tři – čtyřikrát po sobě přišli toto téma zažít a vyzkoušet žáci sedmých tříd čtyř různých základních škol

Všichni víme, co je to vzduch. Obklopuje nás, dýcháme jej a v jiném složení jej vydechujeme. Je to směs plynných látek, které vytvářejí obal Země – atmosféru. 

Znečištěný vzduch také obsahuje ozon, částečky prachu, mikroorganismy a různé, často jedovaté nečistoty.

Všichni víme, že vzduch je základní podmínkou života na Zemi. Potřebují ho k životu jak živočichové, tak i rostliny. Složky vzduchu využívá v mnoha ohledech i člověk.

Kyslík používá v dýchacích přístrojích, v metalurgii (při výrobě a zpracování kovů), ke sváření a řezání kovů a spolu s vodíkem i jako raketové palivo. Dusík je možné použít jako ochrannou atmosféru při nebezpečných dějích – přečerpávání benzínu nebo zpracovávání reaktivních kovů. Kapalný dusík se zcela unikátními vlastnostmi slouží k chlazení. Samotný dusík se používá k výrobě dalších látek, jako třeba kyseliny dusičné, hnojiv a výbušnin. Záhadné vzácné plyny se proslavily použitím k plnění meteorologických balónů (He), neonových trubic (Ne, Rn), světel majáků (Kr, Xe) i jako ochranná atmosféra při nebezpečných reakcích.

Pokus na úvod je velmi jednoduchý, ale nastává při něm taková krátká „chvíle anarchie“, kterou si žáci dlouho budou pamatovat. Naši návštěvníci si totiž mohou nafukovat obyčejné nafukovací balonky. Přichází otázky: Jaké je složení vzduchu v balonku? A jaké je složení vzduchu ve třídě? Pokud se liší, jak? Co se stane, když stlačený vzduch necháme vycházet ven z balonku? Sami se o tom s žáky přesvědčíme, což samozřejmě vyvolá veselí. Je na pedagogických dovednostech učitele, co z takového okamžiku vytěží pro upevnění znalostí či rozvoj myšlení žáků.

Pro další žákovský pokus si lektorka již vyžádala řádné uklidnění. Použijeme baňku se zúženým hrdlem, do níž dáme 100 ml octa. Do gumové rukavice nasypeme lžíci jedlé sody a opatrně ji nasadíme na hrdlo láhve s octem tak, aby držela. Přesypeme sodu z rukavice do láhve s octem a pozorujte reakci. Poté, co se ve třídě uklidní situace a žáci si vypovídají zážitky z toho, jak se polekali, i když něco podobného čekali, můžeme přejít k otázkám a odpovědím.

Směs jedlé sody (hydrogenuhličitanu sodného) a octa (roztok kyseliny octové) prudce reaguje za uvolnění oxidu uhličitého. Ten nafoukne gumovou rukavici. Vznik CO₂ vykonal práci, chemická energie se změnila na kinetickou.

 Na HCO₃ + CH₃ COOH → CH₃ COONa + CO₂ + H₂O

Pohyb vzduchu v přírodě umožňuje práci v mnoha případech ze života: fouká do plachet lodičky na vodě i obrovských plachetnic, roztáčí kola větrných mlýnů či elektráren, čistí obilí od plev a podobně (žáci jistě vymyslí další příklady).

Poslední téma projektového dne je Voda a toto téma bylo připraveno pro nejmladší – pro šesťáky

Voda je často označována jako zázračná tekutina. Pokrývá asi tři čtvrtiny zemského povrchu. Vodní obal Země označujeme jako hydrosféru. Má mnoho různých podob – nejvíce je slané vody moří a oceánů, zmrzlá voda tvoří led a sníh a sladkou vodu nalezneme ve vodních tocích, rybnících, jezerech nebo jako vodu srážkovou. Malou část sladké vody tvoří voda podzemní.

Voda je důležitá ve všech skupenstvích – plynná jako vodní pára, kapalná i pevná (jako led). Ve všech skupenstvích je čistá voda bez chuti a zápachu. Voda je nedílnou součástí vnějšího i vnitřního prostředí živočichů a rostlin. To, že je voda rozpouštědlo, je důležité jak pro živé, tak pro neživé soustavy. Voda v kapalném stavu má úžasné fyzikální vlastnosti a některé z nich můžeme ukázat  demonstračních pokusech.

První ze zajímavých fyzikálních vlastností je povrchové napětí vody. Ocelová jehla plave na hladině a teprve když přikápneme látku, snižující povrchové napětí vody (detergent, Jar), ponoří se.

Zde si můžeme připomenout negativní důsledky znečištění povrchových vod detergenty i to, jak působí na vodní živočichy – vodoměrky nebo bruslařky, které využívají vodní hladinu k pohybu.  Povrchové napětí vody ovlivňuje i ropa a její produkty - žáci si jistě vzpomenou, jaké škody napáchá ropná havárie na populacích ryb či ptáků. Znalosti o povrchovém napětí a působení detergentů lze využít i k likvidaci ropných skvrn a žáci v řízené diskusi předvedou, co o daném tématu vědí. 

Od povídání o ropě je malý kousek k vysvětlení další vlastnosti vody – voda se chová jako rozpouštědlo těch látek, které mají podobný typ chemické vazby (polární, iontovou). Naopak látky s jiným typem vazby (nepolární) nerozpouští. Těmi ve vodě nerozpustnými látkami je většina organických látek. Řada z nich má menší hustotu než voda a proto „plavou na vodě“.

Když do válce se směsí vody a oleje přidáme šumivý vitamín C a promícháme, vitamín se rozpustí ve vodě (současně ji obarví). Bublinky oxidu uhličitého dočasně promísí obě tekutiny, ale poté se mezi olejem a vodou opět ustálí rovnováha. Tento pokus je možno použít při diskusi o ropě a jejím mísení s vodou.

To, že voda snadno rozpouští řadu látek, se projevuje na její kvalitě. Pitná voda musí být zdravotně nezávadná a jako její zdroj se používají podzemní prameny, nebo se získává čištěním povrchových vod. Užitkovou vodu je možné použít tam, kde nejsou kladeny tak vysoké nároky na hygienu – v průmyslu, k mytí aut, praní, splachování na toaletách a podobně. Činností člověka v domácnostech, průmyslu i v zemědělství vznikají odpadní vody. Před jejich vypuštěním zpět do přírody je třeba ji vyčistit. To provádíme v čističkách odpadních vod.

Na závěr posledního projektového dne si i šesťáci vyzkoušejí žákovský pokus. Má poetické jméno: Tančící rozinky.

Ke dvěma lžičkám jedlé sody přidáme 100 ml vody. Část sody se rozpustí, část zůstává nerozpuštěná na dně. Přidáme 10 rozinek a přilejeme 20 ml octa. Pozorujeme. Vysvětlení mohou odvodit žáci spolu s učitelem. Reakcí octa s jedlou sodou (NaHCO₃) vzniká oxid uhličitý CO₂. Jeho bublinky se přichycují na povrchu rozinek a vynesou je na hladinu. Tam prasknou a rozinka klesá opět ke dnu. Děj se opakuje, a proto se nám zdá, že rozinky tančí. Ve směsi jsou pozorovatelné tři složky - pevná (rozinky, popřípadě nezreagovaná jedlá soda), kapalná (ocet) a plynná (bublinky oxidu uhličitého). Vznikla různorodá směs, jejíž všechny tři složky se dají rozlišit pouhým okem.

Výhodou našich pokusů bylo to, že suroviny pro ně jsou snadno dostupné a mohou s nimi pracovat i žáci, kteří doposud v laboratoři žádné pokusy neprováděli – nevznikají žádné nebezpečné zplodiny. Všechny projektové dny se setkaly u žáků základních škol s velkým úspěchem. Žáci měli možnost podívat se na dané téma z různých úhlů a současně si mohli získané znalosti důkladně propojit. Žáci základních škol měli skvělou příležitost poznat prostředí střední školy, její učitele i studenty – asistenty. A co je nejdůležitější – díky atraktivním pokusům si určitě uvědomili, že přírodní vědy, s chemií v popředí, jsou nejen důležité, ale i zajímavé!

 ^[1] Různé náměty na tajný inkoust, resp. písma, naleznete v modulu Wiki.

^[2] Modul Wiki nabízí širokou databázi jednoduchých chemických a fyzikálních pokusů v sekci Tvořivé pokusohraní.