Toto laboratorní cvičení provádí studenty chemickou analýzou říční vody s využitím jednoduchých kolorimetrických a volumetrických technik. Měří pH, stanovují tvrdost vody titrací s EDTA a kvantifikují koncentrace dusičnanů a fosforečnanů pomocí testů s činidly. Aktivita zdůrazňuje environmentální význam monitorování kvality vody. Studenti si osvojí dovednosti v manipulaci se vzorky, přesnosti a interpretaci dat. Na konci propojí experimentální zjištění se zdravím životního prostředí.
Vzdělávací cíle
Hlavním vzdělávacím cílem této laboratoře je podpořit pochopení toho, jak chemie přispívá k environmentálním vědám. Studenti ocení, že hodnocení kvality vody je klíčové pro zdraví ekosystémů, lidskou spotřebu a monitorování znečištění. Koncepčně studenti:
- Rozpoznat význam pH, tvrdosti, dusičnanů a fosfátů v přírodních vodách.
- Naučte se principy titrace (EDTA–komplexace kovových iontů) a kolormetrických stanovení (indikátorová barviva, reakce založené na činidlech).
- Propojte číselné výsledky (ppm, mg/L, pH) s environmentálními dopady, jako je eutrofizace, acidifikace a pitnost vody.
Z technického hlediska budou studenti:
- Bezpečně manipulujte s laboratorním sklem, chemikáliemi a elektronickými přístroji (pH metr).
- Získejte plynulost v měření malých objemů tekutin pomocí kapátek, pipet a odměrných cylindrů.
- Zaznamenejte, interpretujte a porovnejte výsledky se standardními referenčními stupnicemi.
Celkově tato laboratoř kombinuje koncepty environmentální chemie se základními laboratorními kompetencemi a pomáhá studentům propojit chemickou analýzu s reálnými problémy udržitelnosti.
Protokol
Příprava
Na sběr říční vody máte dvě možnosti:
- Volba 1: Pomocí prázdného 100ml kádinky odeberte vzorek říční vody u svých nohou
- Možnost 2: Použít přímo vodu, která byla dnes ráno sebrána do kádinky “říční voda”.”
ČÁST A: Měření pH
- Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
- Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 1.
- Pomocí kapátka přidejte 2 kapky univerzálního pH indikátoru (pH i) do zkumavky 1.
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Ponořte elektrodu pH metru do zkumavky 1.
- Pomocí skleněné tyčinky promíchejte obsah zkumavky 1.
- Porovnejte získanou barvu s pH tabulkou.
- Opláchněte elektrodu pH metru destilovanou vodou.
- Osušte elektrodu pH metru papírovým ručníkem.
ČÁST B: Měření tvrdosti vody
- Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
- Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 2.
- Pomocí kapátka přidejte 10 kapek pufrovacího roztoku do zkumavky 2.
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Zkontrolujte pH roztoku pomocí pH metru. Ujistěte se, že je vyšší než 10.
- Pomocí pipety přidejte do zkumavky č. 2 10 ml roztoku 0,5% Eriochrome Black (EB).
- Promíchejte skleněnou tyčinkou a zaznamenejte barvu roztoku.
- Pomocí pipety přidejte 1 ml EDTA do zkumavky 2.
- Rozmíchejte roztok skleněnou tyčinkou.
Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.
- Opakujte kroky 8 a 9, dokud se roztok znovu nezmění barvu. Poznamenejte si množství přidaných mL.
- Objem přidané EDTA je uveden v tabulce výsledků.
- Podle přidaného množství určete tvrdost říční vody.
- Nízká tvrdost: 5 ml nebo méně přidaného EDTA
- Střední tvrdost: Přidáno 5 až 10 ml EDTA
- Vysoká tvrdost: Mezi 10 a 15 ml přidané EDTA
- Velmi vysoká tvrdost: Přidáno více než 15 ml EDTA.
Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.
- Ujistěte se, že je pipeta zcela prázdná (0 ml).
ČÁST C: Měření koncentrace dusičnanů
- Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
- Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 3.
- Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku redukčního činidla pro dusičnany (NO3 (R)).
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Míchejte skleněnou tyčinkou.
- Pomocí kapátka přidejte 10 kapek Griessova činidla.
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Míchejte skleněnou tyčinkou.
- Zkontrolujte kolorimetrickou stupnici (ppm NO3) a určete koncentraci dusičnanů ve vodě z řeky.
Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.
Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.
ČÁST D: Měření koncentrace fosfátů
- Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
- Převeďte 20 ml říční vody do zkumavky číslo 4.
- Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku amonného molybdátu (MoO42-).
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Míchejte skleněnou tyčinkou.
- Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku kyseliny askorbové (vitamín C).
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
- Míchejte skleněnou tyčinkou.
- Nahlédněte do kolorimetrické stupnice (ppm PO4) a určete koncentraci fosfátů v řece.
Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.
Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.
- Vylijte zkumavky do sběrné misky.
Předvídané výsledky
Na konci experimentu by studenti měli být schopni:
- Definujte roli každého měřeného parametru: pH, tvrdost, dusičnany, fosfáty.
- Interpretace toho, jak jednotlivá měření odrážejí chemický stav říčního ekosystému.
- Uvědomte si, že každý test závisí na specifických chemických reakcích.
Grafy
pH indikátor
Dusičnany
Fosfáty
Technické výsledky
- Připravujte vzorky konzistentně a provádějte měření s ohledem na reprodukovatelnost.
- Použijte jak instrumentální metody (pH metr), tak klasické metody (barevné indikátory, titrace EDTA).
- Přesně dokumentujte výsledky v laboratorním deníku a porovnejte je s referenčními tabulkami.
Analytické výsledky
- Převést syrové experimentální výsledky na smysluplná hodnocení kvality vody:
- pH: 5,9 (slabě kyselé).
- Tvrdost: 60 mg/l Mg²⁺, na základě 6 ml EDTA (průměrná tvrdost).
- Dusičnany: 60 ppm, nad doporučené limity pro pitnou vodu.
- Fosfáty: 40 ppm, vysoké riziko eutrofizace.
- Kriticky zhodnoťte, zda výsledky naznačují bezpečnou, hraniční či problematickou kvalitu vody.
- Diskutovat o možných zdrojích chyb.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9.–10. ročník (základní úroveň)
- Zaměření: Pozorování a jednoduché interpretace.
- Úkoly: Přidat reagencie, sledovat změny barvy, použít pH stupnici a zaznamenat základní výsledky.
- Výsledek učení: Studenti bez podrobných výpočtů určí, zda je voda kyselá, tvrdá nebo bohatá na živiny.
11. ročník (středně pokročilá úroveň)
- Zaměření: Kvantitativní uvažování a úvod do stechiometrie.
- Úkoly: Provést titraci EDTA, odměřit objemy činidel a porovnat data s klasifikací tvrdosti.
- Cíl učení: Studenti spojí objemy činidel (mL EDTA) s hodnotami tvrdosti vody a interpretují koncentrace v ppm.
12. ročník (pokročilá úroveň – předuniverzitní)
- Zaměření: Analýza dopadu na životní prostředí a zohlednění chyb.
- Úkoly: Vypočítat tvrdost v mg/l ekvivalentů CaCO₃, porovnat hodnoty dusičnanů/fosforečnanů se standardy, navrhnout zdroje znečištění.
- Výsledek učení: Studenti interpretují chemická data v environmentálních souvislostech a hodnotí kvalitu vody podle norem.
Úroveň obohacení
- Zaměření: Holistické hodnocení kvality vody a širší kontext.
- Úkoly: Kriticky posoudit citlivost metody, diskutovat o vylepšeních (např. spektrofotometrie), navrhnout manažerské strategie.
- Výstup učení: Studenti propojují laboratorní měření s profesionálními přístupy a rámci environmentálního monitorování.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- 100ml kádinka
- 25ml odměrný válec
- Kapátko
- 10ml pipeta
- Skleněná tyč
- pH metr
- zkumavky 50ml x4
Produkty
- Říční voda
- Vyrovnávací paměť
- Univerzální pH indikátor
- Eriochromová černá
- EDTA
- Redukční činidlo dusičnanů
- Griessovo činidlo
- Roztok amonného molybdátu
- Roztok kyseliny askorbové