Identifikace plynu je jedním z nejstarších problémů v chemii a stále je aktuální: důlní a tunelové čety testují vzduch před vstupem, sládci a vinaři monitorují oxid uhličitý produkovaný kvašením a nemocnice ověřují obsah každého plynového potrubí, než se dostane k pacientovi. Většina plynů je bez barvy a zápachu, takže vzhled nijak nepomůže – plyn musí být identifikován podle toho, jak se chová.
Tři klasické zkoušky dohromady rozlišují nejběžnější laboratorní plyny. Hořící špejle zkoumá, zda je sám plyn hořlavý: vodík se vznítí s ostrým puknutím, zatímco oxid uhličitý plamen udusí. Žhnoucí špejle zkoumá, zda plyn podporuje hoření lépe než vzduch: pouze kyslík znovu rozžhne žhavý uhlík. A vápenná voda – nasycený roztok hydroxidu vápenatého – detekuje specificky oxid uhličitý, přičemž se v důsledku vzniku nerozpustného uhličitanu vápenatého zakalí do mléčna. Žádná zkouška není sama o sobě průkazná, ale vzorec všech tří výsledků je pro každý plyn jedinečný.
V této laboratoři aplikujete všechny tři testy na tři neznámé plyny, z nichž každý je dodáván ve třech zátkou uzavřených zkumavkách, zaznamenáte výsledek každého pokusu a na základě souhrnných důkazů odvodíte totožnost každého plynu.
Vzdělávací cíle
Seznámení s laboratorním prostředím
- Určete uspořádání a vybavení laboratoře pro identifikaci plynů, včetně stojanu se zkumavkami s neznámými plyny (#1 až #9), dřevěných dřívek a zapalovače, laboratorního stojanu s univerzální svorkou a odměrného válce používaného k odměřování vápenné vody.
Bezpečná manipulace s plyny a otevřeným plamenem
- Zkumavky udržujte uzavřené zátkami až do okamžiku testu, použité špejle odkládejte do odpadní nádoby na zbytky a pochopte, proč se v blízkosti plamene manipuluje pouze s malými objemy plynů.
- Zkumavka se upevňuje dnem vzůru kvůli zkouškám doutnající nebo zapálenou špejlí, protože plyn, který je méně hustý než vzduch, jako například vodík, by jinak unikl dříve, než by mohl být otestován.
Správné provedení tří klasických zkoušek plynů
- Vložte hořící špejli do otočené zkumavky a vyhodnoťte mikroexplozi, zhasnutí plamene nebo žádnou změnu.
- Uhašte špejli tak, aby zůstala žhavá, a pomocí žhavého uhlíku otestujte, zda plyn podporuje hoření.
- Odmerajte 15 ml vápennej vody, rýchlo ju prelejte do skúmavky s plynom a premiešajte, aby ste otestovali prítomnosť zrazeniny.
Systematické pozorování a dedukce
- Výsledek každého pokusu ihned zaznamenejte do tabulky výsledků.
- Odvoďte totožnost každé neznámé spíše z kombinovaného vzorce všech tří testů než z jakéhokoli jednotlivého pozorování.
Propojování pozorování s chemickými vlastnostmi
- Draňte každý test s vlastností, kterou zkoumá: hořlavost, schopnost podporovat hoření a acidobazickou reakci oxidu uhličitého s hydroxidem vápenatým.
- Napište a vyvažte chemické rovnice stojící za štěknutím vodíku a zalknutím vápenné vody.
Protokol
Identifikace neznámých plynů
- Připevněte univerzální svorku k podpěře.
- Připojte dnem vzhůru jednu zbaněk obsahujících neznámý plyn 1 (baněk 1 až 3) k univerzální svorce.
- Odstraňte zátku z otočené zkumavky.
- Zapalte dřevěnou třísku.
- Vložte hořící třísku do obrácené zkumavky.
- Mikrovýbuch, zmizení nebo beze změny plamene mohou poskytnout informace o povaze plynu.
- Položte zkumavku zpět na stojan a vyhoďte dřevěnou špejli do sběrné nádoby.
- Připevněte dnem vzhůru druhou zkumavku obsahující neznámý plyn 1 (zkumavky 1 až 3) k univerzální svorce.
- Odstraňte zátku z otočené zkumavky.
- Zapálit další dřevěnou třísku.
- Zatřeste dřevěnou třískou, abyste ji uhasili a zároveň udrželi doutnající.
- Vložte žhnoucí třísku do obrácené zkumavky.
- Možné zapálení špejle může poskytnout informace o povaze plynu.
- Vraťte zkumavku zpět na stojan a zahoďte třísku do sběrného odpadu.
- Nalijte 15 ml vápenné vody do odměrného válce.
- Zatímco ji budete držet na stojanu na zkumavky, otevřete třetí zkumavku obsahující neznámý plyn 1 a rychle do ní nalijte přibližně 15 ml vápenné vody.
- Vraťte zkumavku a dobře promíchejte.
- Vytvoření nebo absence bílé sraženiny může poskytnout informace o povaze plynu.
- Zopakujte kroky 2 až 17 se zkumavkami obsahujícími neznámý plyn 2 (zkumavky 4 až 6), pak s těmi, které obsahují neznámý plyn 3 (zkumavky 7 až 9).
- Zkontrolujte tabulku výsledků na tabletu a odvoďte obsah zkumavek.
Předvídané výsledky
Očekávané výsledky. Tři neznámé se chovají následovně.
| Neznámý | Hořící špejle | Žhnoucí špejle | Vápenná voda | Identita |
|---|---|---|---|---|
| Plyn #1 (trubky 1–3) | mikro-výbuch s ostrým “lupnutím” | žhavý uhlík zhasne | beze změny | vodík, H2 |
| Plyn #2 (trubky 4–6) | plamen hoří rychleji a jasněji | žhavý uhlík se znovu rozhořívá | beze změny | kyslík, O2 |
| Plyn #3 (trubky 7–9) | plamen je uhašen | žhavý uhlík zhasne | zakalí se do mléčně bílé barvy | oxid uhličitý, CO2 |
Proč vodík praská. Vodík je hořlavý: smíchaný s kyslíkem okolního vzduchu a za přítomnosti zdroje zapálení shoří téměř okamžitě – 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). Reakce je silně exotermní a šíří se malým objemem plynu během zlomku sekundy, přičemž vydává charakteristické pískavé lupnutí mikrovýbuchu. Zkumavka pojme jen několik millilitrů, což je přesně důvod, proč je tato demonstrace bezpečná.
Proč pouze kyslík znovu rozněcuje žhavý uhlík. Žhavá tříška je uhlík, který se oxiduje těsně pod prahem otevřeného plamene. Ve vzduchu tvoří kyslík pouze 21% molekul narážejících na žhavé uhlíky; v čistém kyslíku se tento podíl zvyšuje na 100%, rychlost oxidace se zvyšuje přibližně úměrně a uvolněné teplo navíc vrátí žhavé uhlíky zpět nad jejich zapalovací teplotu. Vodík a oxid uhličitý neobsahují žádný volný kyslík, takže v obou plynech je žhavé uhlí zbaveno kyslíku a zhasne.
Proč vápenná voda mléčně zakalí. Oxid uhličitý je kyselý plyn. Po protřepání s vápennou vodou – nasyceným roztokem hydroxidu vápenatého – s ní reaguje za vzniku uhličitanu vápenatého: CO2(g) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + H2Uhličitan vápenatý je téměř nerozpustný, takže se objevuje jako suspenze jemných bílých částic, které rozptylují světlo a způsobují, že kapalina vypadá mléčně. S hydroxidem vápenatým nereaguje ani vodík, ani kyslík, takže u těchto plynů zůstává vápenná voda čirá.
Proč plamen v oxidu uhličitém zhasne. Oxid uhličitý je plně oxidovaný produkt hoření: nemůže dále hořet a neobsahuje žádný dostupný kyslík k udržení doutnající špejle. Protože je hustší než vzduch, drží se také v zkumavce a vytlačuje vzduch, který plamen potřebuje – což je stejný princip, jaký využívají hasicí přístroje na CO2 hasiči.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
- Zaměření Plynné látky jsou identifikovány podle svého chování, nikoliv podle vzhledu, a pozorování musí být zaznamenávána systematicky.
- Aktivity: u každé neznámé látky bezpečně proveďte zkoušku s hořící špejlí, doutnající špejlí a vápennou vodou; každý výsledek ihned zapište do tabulky; na základě kombinovaného vzorce identifikujte tyto tři plyny; uveďte, která jednotlivá pozorování by byla sama o sobě nejednoznačná.
11. ročník
- Zaměření chemie, která stojí za každým testem.
- Aktivity: Rovnice hoření vodíku: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O Rovnice reakce oxidu uhličitého s vápennou vodou: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O Tlející špejle se vznítí pouze v kyslíku, protože kyslík jako silné oxidační činidlo výrazně zvyšuje četnost účinných srážek mezi palivem a kyslíkem, což vede k dosažení zápalné teploty a rychlému uvolnění velkého množství tepla. Ve vzduchu je koncentrace kyslíku příliš nízká na to, aby byla tato reakce dostatečně rychlá k rozhoření špejle. Zkumavky se upevňují dnem vzhůru při testech se špejlí proto, že zkoumaný plyn (vodík) je výrazně lehčí než vzduch, takže by z otevřené zkumavky otočené směrem nahoru rychle unikl. Oxid uhličitý udušuje plamen proto, že je těžší než vzduch a je nehořlavý; klesne nad hořící předmět, čímž vytlačí kyslík a zabrání jeho přístupu k ohni, bez kterého nemůže hoření pokračovat.
12. ročník / Úroveň college
- Zaměření analytická logika a návrh schémat kvalitativních testů.
- Aktivity: Sestavte úplnou rozhodovací matici pro tyto tři testy a ukažte, že každý plyn poskytuje unikátní vzorek; vysvětlete opětovné rozpuštění sraženiny vápenné vody v nadbytku $\text{CO}_2$.2 a její důsledek pro interpretację; určete minimální sled testů, který by identifikoval každý plyn a které dvojice nedokáže každý jednotlivý test odlišit; diskutujte o tom, jak by schéma selhalo v případě inertního plynu, jako je dusík.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Zapalovač
- Zkumavky
- Dřevěné dlahy
- Laboratorní stojan
- Svorka
- Odměrný válec
Produkty
- Neznámé plyny (#1 až #9)
- Vápenná voda