Tato laboratorní práce se zaměřuje na zkoumání vlivu teploty na sycenou vodu, konkrétně na to, jak teplotní rozdíly ovlivňují rozpustnost oxidu uhličitého (CO2) ve vodě.
Pomocí tří samostatných zkumavek naplněných perlivou vodou je každá umístěna do odlišného teplotního prostředí: jedna do studené vody s kostkami ledu, druhá do horké vody a třetí při pokojové teplotě. Zkumavky se před pozorováními nechají aklimatizovat na své příslušné teploty.
Vzdělávací cíle
- Pozorování vlivu teploty na sycenou vodu: Účastníci budou pozorovat a zaznamenávat rozdíly ve vývoji CO2 a vzhledu perlivé vody při různých teplotách s cílem přímo porovnat účinky.
- Pochopení rozpustnosti plynů v kapalinách: Experiment je navržen tak, aby ilustroval, jak teplota ovlivňuje rozpustnost plynů v kapalinách, se zaměřením na to, jak změny teploty mění schopnost vody rozpouštět CO2.
- Aplikace termodynamiky a chemické kinetiky: Toto laboratorní cvičení poskytuje praktický kontext pro aplikaci konceptů z termodynamiky a chemické kinetiky a prohlubuje tak porozumění účastníků těmto základním principům.
Prostřednictvím této laboratorní zkušenosti získají účastníci vhled do výrazných vlivů teploty na fyzikální a chemické vlastnosti kapalin, zejména do rozpouštění plynů v kapalinách.
Kromě toho experiment zdůrazňuje důležitost provádění kontrolovaných pokusů pečlivým manipulováním s proměnnými, jako je teplota, čímž se posilují dovednosti v metodologii experimentu. Dále jsou zdůrazněny pečlivé pozorování a důkladná dokumentace výsledků jako klíčové kroky pro vyvozování smysluplných závěrů v chemii. Tato lekce nejen podporuje hlubší porozumění vzájemnému působení mezi teplotou a rozpustností plynů, ale také zlepšuje kompetence účastníků v oblasti návrhu a analýzy experimentů, což podtrhuje význam přesného vědeckého zkoumání.
Protokol
- Najděte tři zkumavky s perlivou vodou (s oxidem uhličitým (CO2)).
- Naplňte kádinku s ledem studenou vodou z kohoutku.
- Umístěte ledovou kádinku doprava od levé podpěry.
- Naplňte druhý kádinku horkou vodou z kohoutku.
- Položte kádinku s horkou vodou doprava od pravého stojanu.
- Připevněte univerzální svorku na každý stojan tak, aby byly umístěny těsně nad středem každé kádinky.
- Zavěste zkumavku 1 na svorku levého univerzálního stojanu nad kádinku se studenou vodou.
- Zavěste zkumavku 2 na svorku pravého univerzálního stojanu nad kádinku s horkou vodou.
- Zkumavku 3 nechte na stojanu na zkumavky při pokojové teplotě.
- Počkejte 30 sekund, než teploty vzorků budou dostatečně nízké nebo dostatečně vysoké, než budete pokračovat.
- Odstraňte gumovou zátku ze zkumavky 3 ponechané při pokojové teplotě a zaznamenejte pozorovanou reakci (např. dobu šumění).
- Vyjměte gumovou zátku ze zkumavky 2 ponechané v horké vodě a zaznamenejte pozorovanou reakci (např. délku šumění).
- Odstraňte gumovou zátku z baňky 1 ponechané ve studené vodě a zaznamenejte pozorovanou reakci (např. délku šumění).
Předvídané výsledky
- Zpočátku je parciální tlak CO2 nad kapalinou v zkumavkách 150 kPa. Zvýšení teploty sníží rozpustnost CO2 ve vodě. Protože v teplé kapalině bude rozpuštěno méně CO2, v teplé nádobě bude menší šumění a v chladné nádobě bude větší šumění ve srovnání s nádobou při pokojové teplotě.
- Doba šumění pro studenou, pokojovou teplotu a horkou vodu by měla být přibližně 45, 25 a 20 sekund.
- Pozorované šumění zmizí nejprve v ohřátých zkumavkách, poté ve zkumavce při pokojové teplotě a nakonec v nejchladnější zkumavce.
- Rozpustnost plynů v kapalinách se obecně snižuje se zvyšující se teplotou. Toto chování je opačné k tomu, co pozorujeme u většiny pevných látek rozpuštěných v kapalinách. Se stoupající teplotou získávají molekuly rozpouštědla (kapaliny) a rozpouštěné látky (plynu) více kinetické energie. To se projevuje rychlejším a intenzivnějším pohybem molekul kapaliny, což ztěžuje udržení molekul plynu v roztoku. Interakce mezi molekulami plynu a kapaliny se stávají méně účinnými, protože molekuly plynu jsou snadněji ‘vylučovány’ z kapaliny. Tento vztah je zvláště důležitý v přírodních a průmyslových procesech. Například v jezerech a oceánech se schopnost vody zadržovat rozpuštěný kyslík se zvyšující se teplotou snižuje, což může mít důsledky pro vodní život. Podobně v průmyslových systémech, kde jsou plyny rozpuštěny v kapalinách, je řízení teploty klíčové pro udržení požadovaných koncentrací plynu.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
3.–5. třída (věk 8–10 let)
- Fokus: Základní úvod do rozpustnosti plynů a vlivu teploty.
- Aktivity: Sledování uvolňování CO2 ze šumivé vody při různých teplotách, jednoduché diskuse o tom, jak teplota ovlivňuje rozpustnost plynů, základní bezpečnostní pokyny.
6.–8. ročník (věk 11–13 let)
- Fokus: Středně pokročilé porozumění rozpustnosti plynů v kapalinách a vlivu teploty.
- AktivityPříprava zkumavek s perlivou vodou o různých teplotách, pozorování a zaznamenávání uvolňování CO2, pochopení vlivu teploty na rozpustnost plynů, dodržování podrobných bezpečnostních protokolů.
Třídy 9–12 (věk 14–18 let)
- FokusPokročilé porozumění rozpustnosti plynů, termodynamice a chemické kinetice.
- Aktivity: Nastavení experimentů s perlivou vodou při různých teplotách, přesné měření a zaznamenávání pozorování uvolňování CO2, analýza vztahu mezi teplotou a rozpustností plynu, podrobné zaznamenávání a interpretace výsledků, dodržování pokročilých bezpečnostních protokolů, posílení konceptů termodynamiky a chemické kinetiky.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinky (100ml a 1000ml)
- Elektronická váha
- Zkumavky
Produkty
- Sytená voda (CO2)