I. Provedení pokusu
Rozpouštění ledku (Endotermická disociace)
Pomůcky
- Ledek – dusičnan draselný (KNO3) nebo dusičnan sodný (NaNO3) (cca 20–30 g)
- Voda o pokojové teplotě
- Sklenice (nebo kádinka)
- Teploměr
- Odměrný válec na vodu
- Chemická lžička
Popis
V tomto experimentu se zaměříte na zkoumání chemických látek obecně označovaných jako ledky, které se v zemědělství využívají jako dusíkatá hnojiva a v průmyslu pro své silné oxidační účinky. Nejprve odměříte vodu o pokojové teplotě a zaznamenáte její výchozí teplotu. Následně budete do vody postupně přisypávat a míchat krystalky ledku. Vaším cílem bude bedlivě sledovat vývoj teploty na teploměru během rozpouštění a na vlastní oči ověřit, jak intenzivně dokáže tato sůl vznikající roztok ochlazovat.
Princip
Ledek (např. dusičnan draselný) je iontová sloučenina. Při jeho kontaktu s polárním rozpouštědlem (vodou) dochází k procesu zvanému disociace, kdy se krystalická mřížka rozpadá na volné ionty – kladné draselné kationty (K+) a záporné dusičnanové anionty (NO3–). Aby se pevná krystalová struktura mohla rozpadnout, je nutné spotřebovat značné množství energie. Tuto energii (teplo) si látka bere z okolní vody. Následná hydratace uvolněných iontů (jejich obklopení molekulami vody) sice trochu tepla uvolní, ale toto množství zdaleka nepokryje energii spotřebovanou na rozbití mřížky. Výsledná bilance rozpouštění ledku je proto výrazně endotermická, což se navenek projeví prudkým a silným poklesem teploty roztoku.
Pozor!
Ledky mají silné oxidační účinky a jsou mírně dráždivé. Při pokusu používejte ochranné brýle. Sypte ledek opatrně, abyste nevířili prach z krystalků. Látku v žádném případě neolizujte a vzniklý roztok po pokusu nekonzumujte. Sůl udržujte mimo dosah otevřeného ohně či organických hořlavých materiálů.
Postup
- Příprava vody: Do sklenice odměřte přesně 100 ml vody, kterou jste předem nechali odstát na pokojovou teplotu.
- Výchozí měření: Teploměrem změřte počáteční teplotu vody a teplotu suchého ledku v nádobce. Hodnoty zapište.
- Přidání reaktantu: Do vody nasypte první větší dávku ledku (přibližně 2 lžíce).
- Rozpouštění a míchání: Pomocí teploměru začněte ledek ve vodě plynule míchat a sledujte, jak rychle krystalky mizí.
- Sledování teploty: Bedlivě pozorujte displej teploměru a zaznamenávejte prudký pokles teploty, ke kterému během rozpouštění dochází.
- Ukončení pokusu: Jakmile se ledek úplně rozpustí (nebo roztok dosáhne nasycení), zapište nejnižší dosaženou teplotu a spočítejte celkový teplotní rozdíl.
Poznámky
K zamyšlení: Kdybychom pokus provedli s ledovou vodou namísto vody o pokojové teplotě, dokázal by ledek teplotu srazit ještě níže, nebo by se v chladné vodě rozpouštěl tak pomalu, že by teplotní pokles nebyl tak výrazný?
Zajímavost: Dusičnan draselný (KNO3) hrál obrovskou roli v historii vojenství. Je totiž hlavní a nejvýznamnější složkou (cca 75 %) černého střelného prachu (který dále obsahuje dřevěné uhlí a síru). Ledek v této směsi funguje jako silné oxidační činidlo, které dodává kyslík nezbytný pro bleskurychlé hoření prachu bez přístupu vzduchu.
Rozšíření: Žáci mohou porovnat endotermický efekt rozpouštění ledku s rozpouštěním běžné kuchyňské soli. Zjistí, že ledek spotřebovává teplo mnohem hladověji a ochlazení je řádově silnější než u kuchyňské soli.
Provázanost
Tento experiment je částí série pokusů o rozpouštění látek (navazuje na pokusy „Rozpuštění soli ve vodě“ a „Krtek čistič“). Žákům poskytuje extrémní příklad endotermické disociace, který tvoří dokonalý protiklad k silně exotermickému hydroxidu sodnému.
II. Pracovní list – protokol
Rozpouštění ledku (Endotermická disociace)
Jméno: _____________________________ Datum: ___________
Pojmy
Vyjmenujte klíčové fyzikální pojmy, se kterými jsme se dnes seznámili.
Ledek (dusičnan), endotermický děj, disociace iontů, krystalová mřížka, hydratace, oxidační účinky, nasycený roztok.
Poučka
Jakou zákonitostí chceme ověřit? Napište sem vzorec, definici, nebo fyzikální poučku, kterou ověřujeme.
Při rozpouštění dusičnanů alkalických kovů ve vodě je energie spotřebovaná na rozrušení krystalové mřížky podstatně větší než energie uvolněná při hydrataci iontů.
Badatelská hypotéza: Pokud budeme ve vodě o pokojové teplotě rozpouštět ledek (dusičnan draselný/sodný), dojde k velmi prudkému a hlubokému poklesu teploty kapaliny, což prokáže, že disociace ledku je silně endotermický děj.
Pozorování
Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)
Jakou veličinu v pokusu měníme?
Výběr rozpouštěné chemické látky (použití ledku) a její množství ve vodě.
Čím jsme změnu měřili a kontrolovali?
Množství přisypávaného ledku jsme odměřovali pomocí chemické lžičky (případně navážením na laboratorních vahách).
Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)
Jaká veličina se v pokusu mění?
Teplota vznikajícího dusičnanového roztoku.
Čím jsme tyto změny měřili?
Digitálním teploměrem.
Poznatek
Co jsme zjistili? Naměřená závislost obou proměnných. Vlastními slovy vyjádřete, co jste v pokusu (ne)ověřili.
Během rozpouštění ledku ve vodě došlo k velmi výraznému a rychlému poklesu teploty roztoku (např. z původních 22 °C teplota klesla až pod 10 °C). Tento pokles byl mnohem hlubší a citelnější než u běžné kuchyňské soli. Jedná se o ukázkový endotermický proces.
(Pokud pokus „nevyšel“ podle očekávání, tedy teplota klesla jen neznatelně, mohlo to být způsobeno tím, že ledek byl navlhlý a jeho mřížka již byla částečně narušena, nebo bylo použito příliš malé množství látky v nadměrném objemu vody).
Praxe
Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?
V běžném životě se ledky nejčastěji potkávají na zahradách a polích jako průmyslová dusíkatá hnojiva, která dodávají rostlinám nezbytný dusík pro růst.
Schopnost ledku masivně odebírat teplo při rozpouštění se dříve (před vynálezem ledniček) využívala k nouzovému chlazení nápojů či potravin, nebo dokonce k přípravě ledových obkladů v polních podmínkách, kdy se dusičnan smíchal s malým množstvím vody.
Kvůli svým oxidačním vlastnostem (schopnosti uvolňovat kyslík při zahřátí) je ledek nepostradatelnou složkou v zábavní pyrotechnice, při výrobě dýmovnic, prskavek, světlic a historicky také střelného prachu.