I. Provedení pokusu

Je ti to šumák 2? (Rychlost chemické reakce)

Pomůcky

• 3 stejné šumivé tablety
• Voda (studená z kohoutku/ledová, pokojové teploty, horká z konvice)
• 3 stejné sklenice (nebo kádinky)
• Teploměr
• Rychlovarná konvice
• Stopky (nebo software k teploměru PASCO zaznamenávající čas)

Popis

V tomto experimentu se zaměříte na zkoumání toho, jak teplota prostředí ovlivňuje rychlost chemického děje. Vaším úkolem bude nechat postupně rozpustit tři stejné šumivé tablety ve třech sklenicích s různě teplou vodou – od velmi studené přes pokojovou až po horkou. Budete bedlivě sledovat rychlost rozpadu tablety a měření teploty i času ukončíte přesně v okamžiku, kdy se tableta zcela rozpustí a zmizí. Následně porovnáte doby jednotlivých měření. 

Princip

Tento pokus demonstruje základní zákonitost chemické kinetiky: rychlost chemické reakce roste s rostoucí teplotou reaktantů. Vyšší teplota vody znamená, že molekuly vody i částice v tabletě (kyselina citrónová a hydrogenuhličitan sodný) mají větší kinetickou energii. Pohybují se rychleji, což dramaticky zvyšuje frekvenci jejich vzájemných střetů a také podíl tzv. účinných srážek. Vedle chemického vlivu hraje roli i fyzikální faktor – teplá voda rychleji proniká do pórů tablety, uvolňuje se větší množství bublinek a mechanický rozpad pevné struktury se tak urychluje. 

Pozor!

Při práci s horkou vodou z rychlovarné konvice (cca 70 °C) hrozí nebezpečí opaření. Se sklenicí s horkou vodou manipulujte opatrně. Používejte ochranné brýle. Vzniklé roztoky po pokusu nepijte.

Postup

1. Příprava vod: Do skleničky si připravte velmi studenou vodu (např. zchlazenou ledem na cca 5 °C) vložte do ní teploměr. Připravte si měření teploty (zobrazení grafu závislosti teploty na čase).
2. Začátek měření teploty: Jakmile vhodíte tabletu do vody, ihned začněte měřit teplotu vody v první (studené) sklenici.
3. Reakce a stopování: Sledujte průběh šumění.Vizuálně kontrolujte stav tablety.
4. Ukončení měření: Přesně v okamžiku, kdy ve vodě nezbývají žádné viditelné pevné části tablety a reakce skončí, měření zastavte a zaznamenejte výsledný čas rozpouštění.
5. Opakováni pro další teploty: Celý postup (kroky 2 až 4) zopakujte naprosto stejným způsobem pro vodu o pokojové teplotě (cca 22 °C) a následně pro vodu horkou  (cca 70 °C).
6. Čtení dat: Všechny naměřené průběhy teploty porovnejte.

Poznámky

Zajímavost: Závislost rychlosti chemických reakcí na teplotě popsal chemik Jacobus Henricus van ‚t Hoff. Zjistil, že při zvýšení teploty o 10 °C se rychlost většiny běžných reakcí zvětší dvojnásobně až čtyřnásobně.

Rozšíření: Pokud k měření využíváte systém PASCO, můžete vykreslit graf závislosti teploty na čase pro všechny tři pokusy do jednoho okna. Krásně uvidíte, že křivka pro horkou vodu končí na časové ose výrazně dříve (vlevo) než křivka pro studenou vodu.

Provázanost

Pokus přímo navazuje na předchozí úlohu „Je ti to šumák 1?“. Zatímco tam žáci zjišťovali, zda je reakce endotermická či exotermická, zde berou v potaz časové hledisko a zkoumají rychlost (kinetiku) tohoto děje v různých teplotních podmínkách.

II. Pracovní list – protokol

Je ti to šumák 2? (Rychlost chemické reakce)

Jméno: _____________________________ Datum: ___________

Pojmy

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

Rychlost chemické reakce, chemická kinetika, kinetická energie částic, účinná srážka, čas rozpouštění, závislost na teplotě.

Poučka

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

S rostoucí teplotou reagujících látek se zvyšuje rychlost chemické reakce, což vede ke zkrácení času potřebného pro její úplné proběhnutí. 

Badatelská hypotéza: Pokud necháme šumivou tabletu reagovat ve třech kapalinách o různé teplotě, čas potřebný k úplnému rozpuštění tablety se bude s rostoucí teplotou vody zkracovat. 

Pozorování

Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)

Jakou veličinu v pokusu měníme?

Počáteční teplotu vody ve sklenici. 

Čím jsme změnu měřili a kontrolovali? 

Teploměrem (před vhozením tablety). 

Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)

Jaká veličina se v pokusu mění? 

Celkový čas (doba trvání) chemické reakce do úplného rozpadu tablety. 

Čím jsme tyto změny měřili? 

Digitálním teploměrem jsme měřili graf teploty v čase. Čas jsme odečetli na ose x.

Poznatek

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

Měřením jsme potvrdili, že teplota má zásadní vliv na rychlost reakce. Ve studené vodě probíhalo šumění velmi líně a tableta se rozpouštěla nejdelší čas. V horké vodě byla reakce naopak bouřlivá a tableta zmizela během několika málo sekund. V grafu závislosti času na teplotě je jasně patrné, že se stoupající teplotou křivka doby trvání reakce prudce klesá. Náš experiment úspěšně ověřil teoretické principy chemické kinetiky. 

Praxe

Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?

Nejdůležitějším příkladem z každodenního života je skladování potravin v lednici a mrazáku. Nízká teplota v chladničce výrazně zpomaluje nežádoucí chemické a biologické rozkladné procesy (kažení jídla, růst bakterií), díky čemuž vydrží potraviny déle čerstvé.

Naopak při vaření polévky nebo pečení masa využíváme vysokou teplotu k tomu, aby chemické procesy (změknutí tkání, hydrolýza) proběhly během desítek minut namísto dnů.

Dalším příkladem je např. rychlé vyprání špinavého prádla – v horké vodě fungují prací enzymy a chemické složky prášku mnohem rychleji a efektivněji než ve vodě studené.