Inspirace 3U – prosinec 2023

Žhnoucí měď

Pomůcky: vysoká kádinka 250 ml, hodinové sklo (na přikrytí kádinky), kancelářské sponky, silnější drát (přes kádinku), plynová pistole nebo kahan, rovné a kulaté kleště, štípačky

Chemikálie: aceton, měděný drát (průřez 1,5 mm²), měděný plech, pěticentová euromince nebo desetikoruna

Postup

Z měděného drátu nebo plechu vyrobíme objekt podle vlastní fantazie. Přes kádinku dáme tlustší drát pro zavěšení objektu. Z narovnané kancelářské sponky uděláme závěs tak dlouhý, aby náš objekt visel 0,5 cm nad dnem kádinky. Do kádinky nalijeme tolik acetonu, aby jeho hladina byla asi 3 mm pod měděným objektem. Stranou od kádinky s acetonem (hořlavina!) na závěsu rozžhavíme měděný objekt plynovou pistolí nebo nad plamenem kahanu a vložíme ho do kádinky s acetonovými parami. Původně zčernalý povrch mědi zrůžoví a pak se na něm začnou duhově měnit růžové až černé oblasti. Ve tmě objekt podle tloušťky a geometrie materiálu žhne tmavě červenou až oranžovou barvou. Pokud si z kancelářské sponky vytvarujeme vhodný závěs, dá se experiment udělat i pěticentovou euromincí nebo desetikorunou.

Důležité je, aby se měděný objekt nedotknul hladiny kapalného acetonu, došlo by pravděpodobně k jeho vznícení (zapálení). Pokud se tak nedopatřením stane, není třeba panikařit, kádinku zakryjeme hodinovým sklem a plamen sám zhasne.

Tipy a triky

Jak to funguje

Když měď vyžíháme v plameni, při chladnutí se kov pokrývá vrstvou černého oxidu měďnatého. Pokud drát nebo plech ještě dostatečně horký vložíme do kádinky s parami acetonu, začne probíhat oxidace acetonu vzdušným kyslíkem. Mechanismus je takový, že nejprve reaguje oxid mědnatý s acetonem, vznikají štiplavě zapáchající produkty a kovová měď (povrch předmětu zrůžoví, dobře patrné je to při vložení objektu do acetonových par). Oxidační reakce je silně exotermní a udržuje kov v rozžhaveném stavu, nebo ho dokonce zahřeje na vyšší teplotu, než měl při vložení – objekt se po chvilce rozžhaví. 

Vzhledem k barvě žhnoucího měděného objektu je možné dosaženou teplotu odhadnout na až 1 000 °C (oranžová barevná teplota tepelně zářícího tělesa je asi 1 000 °C). Při této teplotě měď opětovně reaguje se vzdušným kyslíkem, znovu vzniká oxid měďnatý a cyklus se opakuje. Výsledkem je kontinuální heterogenní reakce acetonu s kyslíkem na povrchu mědi, jejíž reakční teplo udržuje kov v rozžhaveném stavu. Důležité je, aby měl měděný objekt při vložení do acetonových par dostatečnou teplotu. Každý katalyzátor totiž začne pracovat až od určité teploty (kdy je jeho reakce se substrátem dostatečně rychlá), pak už se teplota udržuje reakčním teplem. Pokud nám tedy měděný objekt před vložením do acetonových par příliš vychladne, reakce nezačne probíhat.

Při vhodném uspořádání může reakce a efektní žhnutí trvat desítky sekund nebo i minuty. Uplatňuje se totiž navíc jev, který je podobný tzv. komínovému efektu. Plynné produkty mají vysokou teplotu, také páry acetonu a vzduch v okolí objektu jsou zahřívány, rozpínají se a mají menší hustotu než chladnější plynná směs po obvodu kádinky. Tyto horké plyny stoupají středem kádinky vzhůru (je možné opatrně vyzkoušet rukou) a v důsledku toho se po obvodu okraje kádinky dovnitř nasává čerstvý vzduch. Žhnoucí objekt vyzařuje teplo radiací (sáláním), ohřívá aceton na dně kádinky a ten se odpařuje. Je tak zaručen kontinuální přísun reaktantů ke katalyticky aktivnímu povrchu mědi a reakce může probíhat relativně dlouhou dobu až do odpaření veškerého acetonu.

Stejně tak důležité je, aby měděný objekt nebyl příliš blízko hladiny acetonu nebo se jí nedotknul. Aceton má jako každá hořlavina tzv. teplotu vznícení, při které se definovaná směs par hořlaviny se vzduchem vznítí (pro aceton to je 465 °C), tzn. začne probíhat oxidace kyslíkem doprovázená otevřeným plamenem (hoření). Důvod, proč k tomu v případě našeho experimentu prakticky nikdy nedojde, je pravděpodobně ten, že plynná směs je v okolí měděného předmětu chudá na kyslík (oproti definovaným podmínkám při měření teploty vzplanutí), a má tedy vyšší teplotu vznícení.

Pěticentová (případně jedno- nebo dvoucentová) mince a naše desetikoruna vypadají, že jsou měděné. Vzhledem k tomu, že je měď relativně měkký kov, by však mince nebyly dostatečně pevné. Ve skutečnosti mají jádro z oceli, které je galvanicky poměděné.

Možná vás napadlo, že při pokusu vlastně dochází poškozování, a tedy pozměňování mincí české nebo evropské měny. Mohlo by se tedy jednat o naplnění skutkové podstaty trestného činu padělání a pozměnění peněz podle § 233 trestního zákoníku se sazbou jeden až tři roky odnětí svobody. Ale každý chemik přece ví, že katalyzátor se při chemické reakci nespotřebovává, ale pouze ji urychluje! Co tedy udělat se zčernalou mincí po experimentu? Opět poradí chemik. Stačí ji znovu zahřát v plameni kahanu a ponořit pod hladinu acetonu. První krok – reakce acetonu s oxidem měďnatým proběhne a tím se obnoví růžový povrch mědi. Ale protože vzduch, tedy ani kyslík, už k povrchu mince nemá přístup, reakce se zastaví (kromě toho kapalný aceton minci ochladí). Výsledkem je krásně růžová mince, která je čistší a hezčí, než byla na začátku experimentu a všechno je v pořádku.

-pH-

Škola chemie v přírodě pro žáky ZŠ a SŠ 

Bude je jednat o týdenní pobyty, kdy dva učitelé chemie (fyziky, biologie…) na svojí škole sestaví skupinu 24–30 žáků/studentů, kteří mají zájem o chemii a přírodní vědy. Nemusí se jednat o stejně staré žáky, naopak kombinace nejmladších a maturantů umožní vrstevnické učení. Stejně tak je možné, že se domluví třeba dvě nebo tři školy, aby termín společně obsadily. Třída bude rozdělena na dvě poloviny a vždy jedna skupina bude v laboratoři a druhá skupina může mít výuku v učebně, odebírat vzorky vody, vzduchu, půdy v terénu, sportovat nebo mít biologickou či geologickou exkurzi do okolní přírody. Na večer můžeme pozvat zajímavé přednášející, realizovat volitelné úlohy v laboratoři, udělat kino, hrát deskové hry, nebo cokoliv podle dohody. Laboratorní práce budou připraveny Ústavem učitelství chemie a jejich nabídka se bude průběžně rozšiřovat. Laboratoře povedou asistenti z VŠCHT s výpomocí studentů učitelství chemie. S volnočasovým programem učitelům podle domluvy také rádi pomohou studenti VŠCHT.

V první fázi předpokládáme termíny v době září–říjen a duben–červen, po dobudování celoroční ubytovací kapacity pak i v průběhu celé zimy. Cena za pobyt se bude odvíjet od reálných nákladů za ubytování, stravování a energie.