012 – Fyzikální vlastnosti a identifikace produktů

Žádné dvě čisté látky nemají úplně stejnou sadu fyzikálních vlastností. Každá má svůj vlastní bod varu a vlastní hustotu a tyto konstanty jsou evidovány v referenčních tabulkách, do kterých chemici denně nahlížejí. Proto se neoznačená lahvička nikdy neurčuje pouhým odhadem: měření jedné nebo dvou vhodně zvolených fyzikálních vlastností a porovnání výsledků se známými hodnotami obvykle stačí k určení látky. Stejný přístup se používá při kontrole kvality, v kriminalistických laboratořích a při kontrole čistoty vyrobených chemikálií.

Tuto laboratoř nesou dvě vlastnosti. Bod varu je teplota, při které se tlak par kapaliny rovná okolnímu atmosférickému tlaku; během varu kapaliny se její teplota přestává zvyšovat, protože dodávané teplo se spotřebovává na změnu skupenství namísto ohřívání kapaliny. Hustota je poměr hmotnosti k objemu, ρ = m/V. Je to intenzivní vlastnost – velký fragment i malý dávají stejnou hodnotu – a u nepravidelného tělesa se objem nejsnadněji měří vytlačením vody, což je poznatek přisuzovaný Archimédovi.

V této laboratoři identifikujete čtyři neznámé látky. Dvě neznámé kapaliny se zahřívají na plotýnkách nastavených na 105 °C, zatímco teploměry zaznamenávají jejich teplotu: plošina, které každá kapalina dosáhne, je její bod varu a z něj vyplývá její název. Dvě neznámé pevné látky se poté zváží na elektronických vahách a ponoří se do plné přepadové nádoby, přičemž vytlačená voda se zachycuje v odměrném válci; hmotnost a objem dohromady dávají hustotu a hustota určuje totožnost.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Vyhledejte a použijte vybavení stolu pro mokrou chemii: varné desky, univerzální stojany a svorky, magnetická míchadla, elektronické váhy, přepadovou nádobu a sběrnou nádobu.

Použití ochranných prostředků a bezpečné chování v laboratoři

• Používejte ochranné prostředky vhodné pro manipulaci s tekutinami blízkými bodu varu a použité vzorky zlikvidujte v nádobě na odpad.
• Vysvětlete, proč se prsty nesmí dotýkat vody během měření objemu ponořením: jakýkoliv ponořený předmět přidává svůj vlastní objem a zkresluje výsledek.

Měření objemu a hmotnosti

• Měřte objemy kapalin v úrovni menisku pomocí vhodného odměrného válce.
• Zvažte pevné látky na elektronických vahách za použití lodičky na vážení a ukažte každé měření včetně jeho jednotky.

Stanovení bodu varu

• Sestavte topnou aparaturu s upnutým teploměrem, magnetickým míchadlem a časovým záznamem teploty.
• Rozpoznejte teplotní plošinu, která označuje var, a použijte ji – nikoli samotné bublání – jako naměřený bod varu.

Stanovení hustoty vytlačením vody

• Změřte objem nepravidelného tělesa pomocí vody, kterou vytlačí z plné přepadové nádoby.
• Vypočítejte hustotu podle vzorce ρ = m/V na základě naměřené hmotnosti a vytlačeného objemu.

Identifikace látek na základě fyzikálních vlastností

• Porovnejte naměřenou hodnotu bodu varu nebo hustoty s referenčními hodnotami a zdůvodněte identifikaci.
• Uveďte meze tohoto srovnání: jak blízko u sebe mohou být dvě referenční hodnoty, než už žádná jednotlivá vlastnost nebude schopna kandidáty odlišit.

Protokol

Identifikace neznámých kapalin

1. Přesně změřte 50 ml neznámé kapaliny 1 pomocí 50 ml odměrného válce.
2. Nalejte tekutinu z odměrného válce do 100ml kádinky označené A.
3. Propláchněte odměrný válec.
4. Zopakujte kroky 1 až 3 s neznámou kapalinou 2 s kádinkou B.
5. Položte kádinku A na levou plotýnku a kádinku B na pravou plotýnku.
6. Vložte magnetickou tyčinku do každého kádinky.
7. Připevněte univerzální svorku ke stojanům nad středem každého kádinku.
8. Umístěte teploměr do každé kádinky tak, že je připevníte k držákům připevněným k univerzálnímu stojanu.
9. Spusťte stopky.
10. Spusťte magnetické míchačky.
11. Nastavte teplotu plotýnek na 105 °C.
12. V tabulce výsledků zkontrolujte změnu teploty.
13. Podle bodu varu, čím by neznámé kapaliny mohly být?
14. Když je dosaženo maximální teploty varu pro každý kádinkou, vypněte magnetická míchadla.
15. Zastav stopky.
16. Snižte teplotu plotýnky na 15 °C.
17. Odpojte teploměry od svorek.
18. Odstraňte magnetické míchátka z kádinek.
19. Vylijte obsah kádinek do záchytné nádoby.

Identifikace neznámých pevných látek

1. Pomocí pinzety vložte 5 kousků neznámé látky 1 do vážní lodičky na váze. Zaznamenejte celkovou hmotnost těchto 5 kousků.
2. Naplňte přepadovou nádobu kohoutkovou vodou až po okraj (500 ml). Přebytečnou vodu nechte odtéct do dřezu.
3. Umístěte přepadu nádobku na pult hned vedle 25ml odměrného válce tak, aby tento byl umístěn pod přepadu otvorem přepadu nádobky.
4. Jemně vyprázdněte kusy pevné látky 1 z vážící lodičky do přeplavovací nádoby. Pozor! Prsty se nesmí dostat do kontaktu s vodou, aby nedošlo ke zkreslení výsledků.
5. Pomocí přetečení z přepadové nádoby a menisku v odměrném válci určete objem pevné látky 1.
6. Počkejte, až tok zcela ustane.
7. Zaznamenejte objem, který zabírají. S hmotností kusů zvážených v kroku 1 tak budete moci vypočítat hustotu.
8. Pomocí pinzety vyjměte kousky pevné látky 1 z přepadové nádoby a hoďte je do sběrné nádoby.
9. Vylijte tekutinu z 25ml odměrného válce do sběrné nádoby.
10. Pomocí kohoutkové vody znovu naplňte přepadovou nádobku do plné kapacity před přetečením (500 ml). Přebytečnou vodu nechte protékat do dřezu.
11. Umístěte sběrnou nádobu zpět na pult hned vedle 25 ml odměrného válce tak, aby tento byl umístěn pod přepadem sběrné nádoby.
12. Pomocí pinzety vložte 5 kousků neznámé látky 2 do vážní lodičky na váhu. Zaznamenejte celkovou hmotnost těchto 5 kousků.
13. Opatrně vyklepněte pevné látky 2 z vážící lodičky do přepadem. Pozor! Prsty se nesmí dotýkat vody, aby nedošlo ke zkreslení výsledků.
14. Pomocí přetečení z přetékací nádoby a menisku v odměrném válci určete objem pevné látky 2.
15. Zaznamenejte objem. S hmotností dílků zvážených v kroku 12 tak budete moci vypočítat hustotu.
16. Budete tak moci identifikovat 2 neznámé pevné látky pomocí jejich hustoty.

Předvídané výsledky

Část A — neznámé kapaliny. Obě kádinky se zahřívají na plotýnkách nastavených na 105 °C, tedy těsně nad bod varu vody, takže každá kapalina nakonec dosáhne stabilní teploty, kterou nemůže překročit. Teploty těchto stabilních fází slouží k identifikaci.

Kapalina začne vřít, když se její tlak par vyrovná atmosférickému tlaku nad ní. Od tohoto okamžiku se teplo dodávané topnou deskou spotřebovává spíše na přeměnu kapaliny na páru než na zvyšování teploty, takže hodnota na teploměru přestane stoupat – nastane plató –, i když je deska nastavena o 5 °C výše. Jelikož neznámá kapalina #2 vře při 78 °C, tedy výrazně pod 100 °C, začne vřít jako první; samotné pozorování, která kádinka začne vřít dříve, je důkazem, a hodnoty v plató pak potvrdí identifikaci.

Část B – neznámé pevné látky. Z každé látky se odváží pět kousků, které se poté vloží do přetokové nádoby naplněné až po okraj (500 ml); voda, kterou vytlačí, stéká do 25ml odměrného válce, čímž se přímo zjistí objem těchto kousků.

Základní vztah je ρ = m/V. Pro pevnou látku #1: ρ = 14,5 g ÷ 5,4 ml = 2,7 g/ml, což odpovídá referenční hustotě uhličitanu vápenatého 2,71 g/ml s přesností měření měrného válce. Pro pevnou látku #2: ρ = 63,75 g ÷ 12,2 ml = 5,2 g/ml, což odpovídá hodnotě 5,24 g/ml pro oxid železa(III). Hustota je intenzivní veličina, a proto pět kusů dává stejnou hodnotu jako jeden — použití pěti kusů pouze zajistí, že jak hmotnost, tak vytlačený objem budou dostatečně velké pro přesné odečtení.

Metoda vytěsnění funguje na principu, že ponořené těleso vytlačuje přesně svůj vlastní objem vody – to byl Archimédův objev. Vyžaduje to, aby se těleso potopilo a bylo v podstatě nerozpustné, což obě tyto látky splňují. To také vysvětluje varování v postupu ohledně prstů: cokoli jiného, co se dostane do vody, přidá svůj vlastní objem k přetečení a zkreslí výsledek měření. Také si všimnete, že voda po přidání neznámé pevné látky #2 nabývá oranžového odstínu – ve vodě se vznášejí jemné částice oxidu železa(III), pigmentu rzi. Barva je užitečným kvalitativním vodítkem, ale rozhodujícím důkazem je hustota.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření fyzikální vlastnosti jako identifikátory a pečlivé měření se správnými jednotkami.
• Aktivity: změřte objemy a hmotnosti; pozorujte obě kapaliny při zahřívání a zaznamenejte teploty plató; vhoďte zvážené pevné látky do přepadové nádoby a odečtěte vytlačený objem; spočítejte každou hustotu pomocí ρ = m/V a přiřaďte všechny čtyři neznámé k referenčním hodnotám.

11. ročník

• Zaměření kvantitativní popis varu a hustoty.
• Aktivity: nakreslete graf závislosti teploty na čase pro oba kádinky a vysvětlete plateau (plochou část) z hlediska energie dodávané na změnu skupenství; vysvětlete, proč je plotýnka nastavená na 105 °C; ve výpočtech hustoty zachovejte správný počet platných cifer; vysvětlete, proč se používá pět kousků namísto jednoho.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření identifikace jedné nemovitosti a kdy je potřeba druhá nemovitost.
• Aktivity: Závislost bodů varu na tlaku: Bod varu kapaliny je teplota, při které se její tloušťka par rovná vnějšímu (okolnímu) tlaku. S rostoucím vnějším tlakem roste také bod varu, protože je zapotřebí vyšší tepelné energie (vyšší teploty), aby molekuly dosáhly dostatečné kinetické energie k úniku do plynné fáze. Naopak při sníženém tlaku (například ve velkých nadmořských výškách) klesá bod varu. Tato závislost je kvantitativně popsána Clausiusovou-Clapeyronovou rovnicí. Problém hustoty a nezávislý ověřovací test: Hustota sama o sobě nemůže spolehlivě rozlišit dvě látky, pokud mají shodnou nebo velmi podobnou hustotu za daných podmínek (například při specifické teplotě a tlaku). Jelikož hustota závisí na teplotě, dvě různé látky mohou vykazovat náhodně stejnou hustotu. Jako nezávislý ověřovací test lze použít měření indexu lomu, stanovení molární hmotnosti pomocí hmotnostní spektrometrie, nebo měření bodu tání či varu, které poskytují specifické a odlišné molekulární otisky. Klasifikace vlastností a identifikace látek: - Hustota: intenzivní vlastnost (nezávisí na velikosti vzorku, např. poměr hmotnosti a objemu zůstává u stejného materiálu konstantní). - Bod varu: intenzivní vlastnost (nezávisí na množství kapaliny). - Hmotnost a objem: extensivní vlastnosti (závisí na množství látky). Pouze intenzivní vlastnosti mohou jednoznačně identifikovat látky, protože jsou pro danou chemickou látku za specifických podmínek konstantní a neměnné bez ohledu na to, jak velké množství materiálu máme k dispozici. Extenzivní vlastnosti se s velikostí vzorku mění, a proto nemohou sloužit jako spolehlivý identifikační znak.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Kádinky (100 ml)
• Elektronická váha a navažovací lodička
• Odměrné válce (25 ml a 50 ml)
• Plotny
• Laboratorní stojany a svorky
• Magnetické míchačky a míchadla
• Přepadová nádoba (500 ml)
• Koš
• Teploměry
• Časovač
• Pinzeta

Produkty

• Neznámé kapaliny (#1 a #2)
• Neznámé pevné látky (#1 a #2)
• Vodovodní voda