I. Provedení pokusu

Je ti to šumák 1? (Teplotní vývoj chemické reakce)

Pomůcky

• 1 šumivá tableta (např. vitamín C, šumivý multivitamín apod.)
• Voda o pokojové teplotě
• Sklenice (nebo kádinka)
• Teploměr

Popis

V tomto experimentu se zaměříte na sledování teplotního vývoje během chemické reakce. Nejprve změříte teplotu vody ve sklenici a teplotu tablet v uzavřené tubě, přičemž obojí by mělo mít pokojovou teplotu. Následně necháte šumivou tabletu rozpustit ve vodě a po celou dobu tohoto procesu budete nepřetržitě měřit teplotu vznikajícího roztoku. Vaším cílem bude sledovat, jak se mění teplota okolního prostředí v závislosti na probíhajícím ději, a určit, zda se jedná o reakci, která teplo spotřebovává, nebo uvolňuje.

Princip

Při vhození šumivé tablety do vody dochází k provázaným chemickým a fyzikálním jevům. Hlavní chemickou podstatou je neutralizační reakce mezi kyselinou (nejčastěji citrónovou) a hydrogenuhličitanem sodným (jedlou sodou), které tableta obsahuje. Po kontaktu s vodou se tyto látky disociují na ionty a reagují za vzniku oxidu uhličitého, vody a citrátu sodného podle rovnice: kyselina citrónová + hydrogenuhličitan sodný → oxid uhličitý + voda + citrát sodný.

Uvolňovaný plyn způsobuje charakteristické šumění a promíchávání. Z termodynamického hlediska je tento složitý děj (zahrnující rozpad mřížky, disociaci, reakci a následnou hydrataci iontů) jako celek doprovázen změnou teploty. Pokud teplota klesá, jedná se o endotermický děj (reakce spotřebovává teplo z okolí). Pokud roste, jde o exotermický děj (teplo se uvolňuje).

Pozor!

Při pokusu sice nehrozí vážné nebezpečí, ale šumivá tableta může při bouřlivé reakci vystříknout drobné kapičky kapaliny. Udržujte bezpečnou vzdálenost očí od okraje sklenice. Roztok po pokusu v žádném případě nekonzumujte, jedná se o laboratorní vzorek.

Postup

1. Příprava vody: Do sklenice si připravte vodu, která byla předem odstátá na pokojovou teplotu.
2. Výchozí teplota vody: Do vody vložte teploměr, počkejte na ustálení hodnoty a zapište výchozí teplotu vody.
3. Výchozí teplota tablety: Opatrně zasuňte teploměr do tuby s tabletami, změřte jejich teplotu (měly by mít pokojovou teplotu, ideálně lehce vyšší než voda) a zapište ji.
4. Zahájení reakce: Do sklenice vhoďte jednu šumivou tabletu a okamžitě spusťte kontinuální měření teploty.
5. Sledování průběhu: Pečlivě pozorujte vizuální projevy (šumění, pohyb tablety) a zaznamenávejte vývoj teploty vody po celou dobu rozpouštění.
6. Vyhodnocení: Po úplném rozpuštění tablety zaznamenejte konečnou teplotu, spočítejte celkovou změnu teploty a určete typ tepelného děje.

Poznámky

K zamyšlení: Jak by se změnila rychlost reakce a výsledný pokles/nárůst teploty, kdybyste tabletu před vhozením rozdrtili na jemný prášek?

Zajímavost: Bublinky oxidu uhličitého fungují jako malé „záchranné vesty“ – zachycují se na tabletě a vynášejí ji k hladině. Tam se ale bublinky uvolní do vzduchu, tableta opět těžkne a klesá ke dnu. Tento cyklus se opakuje, dokud se nerozpustí.

Rozšíření: Pokus můžete zopakovat s vodou o různé počáteční teplotě (např. ledová voda vs. teplá voda z kohoutku) a sledovat, jak teplota ovlivňuje rychlost chemické reakce (podle van ‚t Hoffova pravidla).

Provázanost

Pokus navazuje na obecné porozumění teplotě z předchozích úloh. Představuje však přechod od čistě fyzikálních dějů (chladnutí, míšení kapalin) k dějům chemickým, kde se teplo mění v důsledku přerušování a vzniku nových chemických vazeb. Na pokus přímo navazuje úloha Je ti to šumák 2? (Rychlost chemické reakce).

II. Pracovní list – protokol

Je ti to šumák 1? (Teplotní vývoj chemické reakce)

Jméno: _____________________________ Datum: ___________

Pojmy

Vyjmenujte klíčové fyzikální pojmy, se kterými jsme se dnes seznámili.

Chemická reakce, endotermický děj, exotermický děj, disociace, hydratace, neutralizace, oxid uhličitý, změna teploty.

Poučka

Jakou zákonitostí chceme ověřit? Napište sem vzorec, definici, nebo fyzikální poučku, kterou ověřujeme.

Při chemických reakcích dochází ke změnám vnitřní energie systému, což se navenek projevuje uvolňováním nebo pohlcováním tepla.

Badatelská hypotéza: Pokud vhodíme šumivou tabletu do vody o pokojové teplotě, dojde k chemické reakci, během níž teplota vody klesne, což prokáže, že rozpouštění a reakce složek šumivé tablety je endotermický děj.

Pozorování

Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)

Jakou veličinu v pokusu měníme?

Přítomnost reaktantu (vhození tablety).

Čím jsme změnu měřili a kontrolovali? 

Okamžik spuštění reakce byl dán vhozením přesně 1 tablety do odměřeného objemu vody.

Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)

Jaká veličina se v pokusu mění? 

Teplota vody (roztoku) ve sklenici.

Čím jsme tyto změny měřili? 

Digitálním teploměrem.

Poznatek

Co jsme zjistili? Naměřená závislost obou proměnných. Vlastními slovy vyjádřete, co jste v pokusu (ne)ověřili.

Co jsme zjistili? Během rozpouštění šumivé tablety ve vodě došlo k měřitelnému poklesu teploty kapaliny (např. z původních 21 °C na 19,5 °C). Tím jsme ověřili, že tato chemická reakce spojená s rozpouštěním je endotermickým dějem, při kterém se spotřebovává teplo z okolní vody.

Praxe

Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?

Endotermické děje se cíleně využívají v lékařství a sportu v podobě jednorázových chladicích sáčků (první pomoc při zranění). Uvnitř sáčku je oddělená voda a sůl (např. dusičnan amonný). Po prasknutí vnitřní přepážky a smíchání dojde k prudkému endotermickému rozpouštění, které sáček okamžitě ochladí na teplotu blízkou nule.

Naopak exotermické děje (uvolňování tepla) potkáváme u samonahřívacích konzerv s jídlem (chemické ohřívače MRE), u gelových kapesních ohřívačů rukou nebo při hašení vápna ve stavebnictví.