Handbok för laborationer och demonstrationer kemi 1 och 2

Transkript

1 Handbok för laborationer och demonstrationer kemi 1 och 2 Pär Leijonhufvud

2

3 Innehåll 1 Kemikursernas innehåll Kemi Kemi Demonstrationer Demonstration: finns luft? Empedokles demonstration Demonstration: Effekten av temperatur på löslighet Produktion av acetylengas från kalciumkarbid Demonstration: massan av 25 dm 3 luft Demonstration: Buffert i naturliga vattensystem Laborationer Hemlaboration: Rödkål som ph-indikator Rödkål som ph-indikator Bestäm koncentrationen av en okänd syra Specifik värmekapacitet hos metaller Bestäm gaskonstanten R Enzymkinetik med katalas Laboratorietekniker Att bereda en lösning Titrera Sugfiltrering Referenstabeller Vattens densitet vid olika temperaturer

4 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 4 INNEHÅLL

5 Kapitel 1 Kemikursernas innehåll För kursen Kemi 1 ingår normalt arbetsområdena Atomer och det periodiska systemet Bindning Beräkningar och gaser Syror och baser Termokemi Redox Elektrokemi Till dessa områden passar både olika demonstrationer i klassrummet och elevlaborationer. För kursen Kemi 2 ingår normalt områdena Reaktioners riktning och hastighet Jämnvikt Organisk kemi Reaktionsmekanismer Biokemi Molekylärbiologi Analytisk kemi För att förstärka elevernas förståelse använder man ofta olika demonstrationer, och eleverna får genomför olika laborationer som dels ger dem färdigheter i det praktiska arbetet, dels visar på det stoff som lärs ut under de mer teoretiska lektionspassen 1.1 Kemi 1 5

6 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD Avsnitt Labb/demo Referens Grunder Atomer Periodiska systemet Demo: Är luft ett ämne eller ingenting (Empedokles demonstration)? Demo: socker, järn, magnet Demo: knallgas Demo: lös upp kopparsulfat Demo: sublimering av jod Separation av salt och vatten Hur stor är en droppe? Tjockleken på aluminiumfolie Metalljoners lågfärg Jonjakt Demo; elda magnesium Demo: acetylen från kalciumkarbid Demo: olika metaller Demo: visa en mol Demo: alkalimetaller 2.1 på sidan 10 Visa, olika egenskaper Färdiga provrör Bindningar Demo: smälta salt Demo: flytande gem (S, Fe) Demo: olja, vatten, diskmedel utsaltning av alkohol Stationslabb: Vilket ämne (fällningar) Beräkningar Demo: massan av 25 dm 3 luft 2.4 på sidan 13 Demo: Effekten av temperatur på löslighet 2.2 på sidan 11 Demo: etanolraket? Demo: kollapsande cola-burk Demo: ballong av sopsäck kristallvatten i kopparsulfat Jämförande volymmätning stökiometriska ballonger Bestämma värdet på gaskonstanten 3.5 på sidan 21 Syra & bas Rödkål som ph-indikator 3.2 på sidan 17 alt 3.1 på sidan 15 Bestäm koncentrationen av en okänd syra 3.3 på sidan 18 Ordna lösningar efter ph HAc, ammoniak Demo:ammoniakfontän Demo: olika syror med Mg-band Demo: samarins buffrande effekt?? på sidan?? Termokemi Specifik värmekapacitet hos metaller 3.4 på sidan 20A 6 KAPITEL 1. KEMIKURSERNAS INNEHÅLL

7 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK Avsnitt Labb/demo Referens Redox Elektrokemi Demo: skumorm Aladdins lampa Demo: värma gummiband katalysator och T-röd metallernas elektrokemiska spänningsserie jod i tångaska??? Blå flaskan putsa silvret vitc-klocka Reduktion av Cu 2+ med Al Mäta spänninge mellan olika metaller i galvaniska element Demo: elektrolys av vatten KAPITEL 1. KEMIKURSERNAS INNEHÅLL 7

8 LABORATIONSHANDBOK 1.2 Kemi 2 PÄR LEIJONHUFVUD Avsnitt Labb/demo Referens Reaktionshastighet Kemisk jämvikt Syror & baser: jämvikt Organisk kemi Reaktionsmekanismer Biomolekyler Biokemi Analytisk kemi oxalsyra och permanganatjoner Demo: Jämvikt silver och salt. Förskjutning av jämviktsläge Bestämning av Syrakonstant Löslighet vid olika ph Funktionella grupper och löslighet Syntes av etylacetat Syntes av ASA Metan mha aluminiumkarbid Biurétprovet Mäta ketoner Katalas 3.6 på sidan 23 DNA ur kiwi Jod i tångaska Trommers prov TLC av klorofyll Järnhalten i rakblad DNA alt. proteingel 8 KAPITEL 1. KEMIKURSERNAS INNEHÅLL

9 Kapitel 2 Demonstrationer Vid genomförandet av demonstrationer bör man tänka på tre saker säkerheten att förevisningen fungerar vad man vill visa Historiskt har vissa förevisningar tenderat att vara extra olycksbenägna, t.ex. alkalimetaller i vatten där läraren lätt dras med av elevernas önskan om en större bit och därmed en häftigare reaktion. Säkerheten är A och O, och det förstärker även säkerhetsbudskapet om läraren t.ex. konsekvent bär skyddsglasögon i samband med förevisningar. Läraren bör vara väl bekant med Arbetsmiljöverkets föreskrifter (Arbetsmiljöverket, 2002) för arbetet med kemikalier i skolan och konsekvent genomföra en riskbedömning i samband med alla praktiska moment. 9

10 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 2.1 Demonstration: finns luft? Empedokles demonstration Detta är den första kemiska demonstrationen som finns dokumenterad, och utfördes år 440 f.kr. av den grekiske läkaren Empedokles. Med det visade Empedokles att luft inte var "ingenting", utan ett ämne. Utförande 1. Fyll en behållare med vatten till en bit under kanten. En stor bägare eller kristalliseringsskål är lämplig. 2. Tillsätt lite karamellfärg för att det skall gå lättare att se vätskeytan, särskilt om det är en större grupp elever. 3. Håll fingret över spetsen på en tratt och håll den stora ("övre") öppningen i vattnet. 4. Visa att vattnet inte fyller tratten. 5. Tag bort fingret från spetsen och notera att luften pressas ut genom öppningen och att vattnet nu fyller tratten. 6. Eftersom luften förhindrade vattnet från att fylla tratten måste luft alltså vara ett ämne! Lektionstips 1. Empedokles använde sin insikt för att tillverka en vattenklocka: en behållare med en vid öppning i nederänden och ett mycket litet hål i toppen sjönk i en jämn hastighet 2. Vid denna tidpunkt var det inte vanligt att utföra offentliga demonstrationsförsök, med via detta försök kunde grekiska läkare börja tänka på luftens roll i t.ex. andningen. 3. Empedokles skall även ha formulerat en enkel evolutionsteori: människor och djur hade utvecklats ut kringspridda kroppsdelar som sedan kombinerats slumpvis, och de livsdugliga kombinationerna hade överlevt. Källa: (Summerlin et al., 1988, sid. 3) 10 KAPITEL 2. DEMONSTRATIONER

11 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK 2.2 Demonstration: Effekten av temperatur på löslighet Ett provrör med en klar lösning kyls ned i ett isbad, och rosa kristaller bildas. När den värms upp blir lösningen först klar, sedan bildas vita kristaller. Förberedelser 1. Tillverka en lösning med koncentrationen 0,47 mol/dm 3 av MnSO 4. Väg upp antingen MnSO 4 70 g MnSO 4 7 H 2 O 130 g MnSO 4 H 2 O 78 g 2. Lös i 100 cm 3 vatten vid 27 C med några droppar konc svavelsyra 3. Dekantera den klara lösningen i ett stort provrör och sätt i en kork. 4. Förebered ett isbad Demonstrationen 1. Placera provröret med lösningen i isbadet. Rosa kristaller kommer att bildas 2. Värm lösningen. Vid 27 C kommer kristallerna att lösas 3. Fortsätt att värma. Efter en stund bildas vita kristaller Reaktioner MnSO 4 7 H 2 O (s) + värme Mn 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) + värme MNSO 4 H 2 O(s) Lektionstips 1. Visar både på att löslighet ökar med temperaturen, men att det finns undantag Källor: Maeda et al. (2003) (Summerlin and Ealy, Jr, 1988, sid 35) KAPITEL 2. DEMONSTRATIONER 11

12 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 2.3 Produktion av acetylengas från kalciumkarbid Lite vatten och en bit kalciumkarbid placeras i en gummiballong och den knyts snabbt igen. ballongen fylls med gas. En tändsticka på en lång pinne förs fram till ballongen, och den exploderar. Tillvägagångssätt 1. Bär skyddsglasögon, arbeta inte alltför nära elever (skyddsskärm?). Bär hörselskydd och varna eleverna i samband med det sista steget (explosionen) ml vatten sprutas in i en ballong. 3. En liten bit kalciumkarbid (ca 2 3 g) förs in i ballongen och den knyts snabbt ihop. 4. Släpp ballongen och se hur den fylls med gas. 5. När reaktionen gått klart för man fram en tändsticka fäst vid en lång pinne. Hög knall! Reaktioner Produktion av acetylen CaC 2 (s) + 2 H 2 O (l) Ca(OH) 2 (s) + C 2 H 2 (g) Explosionen 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) H < 0 Lektionstips 1. Berätta om karbidlampor 2. Låt eleverna balansera båda reaktionerna 3. Låt eleverna beräkna mängden gas som kan bildas av 2 g CaC Ca(OH) 2 blandas med vattnet som bildas vid förbränningen och kommer att stänkas ut. Källor: Summerlin and Ealy, Jr (1988) 12 KAPITEL 2. DEMONSTRATIONER

13 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK 2.4 Demonstration: massan av 25 dm 3 luft En plastdunk på 25 dm 3 vägs "tom". Diskutera med eleverna vad man egentligen väger, alltså att den innehåller luft (se även Empedokles demonstration, 2.1 på sidan 10). Räkna även ut vad en mol luft väger 1. Väg dunken, ev. med tarering. Fyll dunken med en gas som är tyngre än luft, förslagsvis koldioxid eller argon. Vikten ökar nu med g för koldioxid, och med g för argon. Töm dunken genom att lägga dem på sidan. Väg igen för att dokumentera viktminskningen. Förberedelser 1. Kontrollera tillgång på gas 2. Verifiera att vågen klarar dunkens massa 3. Flytta vågen till klassrummet. Beräkningar Massan av 25 dm 3 luft Luft består av 21% syrgas och 78% kvävgas, med knappt 1% argon. Det uträknade värdet på lufts molmassa kommer att vara något (ca 0,016%) större än det verkliga värdet (28,9647 g/mol) p.g.a. luftens mer komplicerade verkliga sammansättning. Denna skillnad kommer givetvis att även påverka det slutliga värdet på massan av luften. M luft = 0, 78 M N2 + 0, 21 M O2 + 0, 01 M Ar M luft = 0, 78 28, 013 g/mol + 0, 21 31, 999 g/mol + 0, 01 39, 948 M luft = 28, 969 g/mol n = PV RT = (1, Pa)(0, 025 m 3 ) (8, 21 J mol 1 K 1 )(293 K) = 1, 040 mol m = M n = (28, 969 g/mol) (1, 040 mol) = 30, 13 g Källa: Kemilärarnas Resurscentrum (2017a) 1 M luft är 28,96 g KAPITEL 2. DEMONSTRATIONER 13

14 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 2.5 Demonstration: Buffert i naturliga vattensystem Beräknad tidsåtgång min Bakgrund Visa att karbonat buffrar vatten. Karbonat kan reagera med vatten till vätekarbonat, som i lätt sur lösning bildar koldioxid och vatten. Men vatten kan också lösa en del koldioxid (mer ju kallare vattnet är), och bilda vätekarbonat eller t.o.m. karbonat om lösningen är tillräckligt basisk. Material 1 mol/dm 3 HCl 1 mol/dm 3 NaOH NaHCO 3 ph-meter eller BTB små bägare ev. termometer Riskbedömningsunderlag 1 M natriumhydroxid är frätande R 34 och S (1/2), 26, 37/39, 45, 1 M saltsyra är frätande R 36/37/38 och S(1/2), 26, 45, bikarbonat och BTB är inte märkespliktigt. Utförande 1. Mät upp 100 ml vatten i en bägare. Mät ph (eller tillsätt BTB). Tillsätt en droppe 1 M HCl och mät ph värdet. Tillsätt några droppar HCl och mät ph igen. Tillsätt upp till 30 droppar. Om du har BTB i bägaren tillsätter du HCl tills du får en färgförändring. 2. Gör om samma procedur med 1 M NaOH istället för syran. 3. Sätt nu ca en tsk Na-vätekarbonat i en ny bägare med 100 ml vatten och rör om. Tillsätt BTB och gör om försöket med syra 4. Diskutera vad som händer i världshaven om de värms upp. Kan det påverka livsmöjligheterna för organismer i haven? 5. Rita en graf över ph förändringen med syra resp. bas, med och utan Na-vätekarbonat buffring. Riskbedömningsunderlag: Saltsyra, 1 M HCl: Frätande, Varning, H290 Natriumhydroxid, 1 M NaOH: Frätande, Fara, H290, H314 och P280, P301+P330+P331, P305+ P351+ P338, P309+ P310 Natriumvätekarbonat, NaHCO3: ej märkespliktigt BTB: ej märkespliktigt Källa: Kemilärarnas Resurscentrum (2017b) 14 KAPITEL 2. DEMONSTRATIONER

15 Kapitel 3 Laborationer 3.1 Hemlaboration: Rödkål som ph-indikator Många ämnen ändrar färg baserat på ph. I den här laborationen skall du testa rödkål. I rödkålen finns antocyaniner, som ändrar färg beroende på ph. Målet med laborationen är att avgöra vilka färger indikatorn har vid vilka ph-intervall. I detta försök skall du använda rödkål för att testa hur sura respektive basiska olika ämnen i hemmet är. Färgen kommer att vriera från röd/rosa i sura lösningar via blått kring neutralt till grönt i basiska lösningar. Kemikalier: rödkålsbit Utrustning: Gryta, kniv, skärbräda, sil, mindre dricksglas, sked. Metod 1. Hacka upp en bit rödkål i mindre bitar och lägg i en mindre gryta (ca 1 l är lagom). Täck med vatten. 2. Koka 2 3 minuter. Sila. Du har nu en indikatorlösning. 3. Välj ut ett antal (minst 5 st) ämnen eller vätskor i ditt hem vars ph du vill testa. 4. Häll upp lite av din indikatorlösning (ca 1 matsked brukar räcka) i ett glas. Tillsätt det första ämnet du vill testa. Rör om med skeden. observera färgen (fotografera om möjligt). 5. Skölj glaset och skeden noga och upprepa ned nästa ämne. 6. Diska allt som vanligt. Säkerhet Var försiktig med den heta vätskan när du skall sila. Om du testar något som är mycket surt eller basiskt (t.ex. ättika 24% eller kaustik soda) bör du vara försiktig så att inga stänk kan hamna i ögonen. Skölj bort eventuella spill omedelbart, skölj hud ordentligt och tvätta med tvål och vatten. 15

16 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD Allt avfall kan hällas ut i vasken alternativt slängas i de vanliga hushållsso- Avfall: porna. 16 KAPITEL 3. LABORATIONER

17 PÄR LEIJONHUFVUD 3.2 Rödkål som ph-indikator LABORATIONSHANDBOK Många ämnen ändrar färg baserat på ph. I den här laborationen skall du testa rödkål. I rödkålen finns antocyaniner, som ändrar färg beroende på ph. Målet med laborationen är att avgöra vilka färger indikatorn har vid vilka ph-intervall Färgen kommer att vriera från röd/rosa i sura lösningar via blått kring neutralt till grönt i basiska lösningar. Metod 1. Hacka upp en bit rödkål i mindre bitar och lägg i en bägare (600 ml). Täck med vatten. 2. Koka 2 3 minuter. Filtrera. 3. Blanda lite av din rödkålsindiktor med vatten och fördela på 6 10 provrör. 4. Till det första röret tillsätter du NaOH-lösning tills färgen blir blå. 5. Tillsätt syra till en av dem, en bas till en annan. Den tredje har du kvar som kontroll. Vad händer med färgerna? KAPITEL 3. LABORATIONER 17

18 LABORATIONSHANDBOK 3.3 Bestäm koncentrationen av en okänd syra PÄR LEIJONHUFVUD I denna labb skall du använda den analytiska metoden titrering (se 4.2 på sidan 28) för att avgöra koncentrationen på en syra. I grunden går metoden ut på att mäta upp en känd volym av den okända syran, och sedan gradvis tillsätta en känd bas tills syran är neutraliserad. Den tillsatta volymen låter dig beräkna koncentrationen av syran. Material Byrett, stativ med byrettklämma, magnetomrörare och omrörarmagnet, E-kolv med vid öppning. slaskbägare. Ev ph-meter. Kemikalier Saltsyralösning med okänd koncentration. Natriumhydroxidlösning med känd koncentration, BTB Metod 1. Mät upp en känd volym av saltsyralösningen (t.ex. 10,00 cm 3 ), placera den i E- kolven och tillsätt några droppar BTB (om du inte använder ph-meter). Om du har en liten volym kan du späda med avjoniserat vatten till lagom volym, förslagsvis 100 cm Placera slaskbägaren under byretten och fyll den med NaOH-lösningen. Tappa ut lite i slask-bägaren och fyll på till noll-strecket. 3. Placera en omrörarmagnet i E-kolven med syran, placera på ett vitt papper mellan ovanpå magnetomröraren. Starta magnetomröraren. 4. Om du använder ph-meter placera elektroden i syran. 5. Utan ph-meter (a) Tillsätt försiktigt NaOH-lösning till E-kolven. (b) När du närmar dig neutral lösning kommer omslaget att gå snabbt, arbeta därför mycket försiktigt och tilsätt basen droppvis. (c) Anteckna den tillsatta volymen natriumhydroxid. 6. Med ph-meter (a) Tillsätt natriumhydroxidlösning i små portioner, anteckna mängden tillsatt lösning och ph ofta. 18 KAPITEL 3. LABORATIONER

19 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK (b) När du närmar dig neutralt ph kommer du att få en snabb ökning av ph. Många mätpunkter ger en bättre kurva! (c) Fortsätt tills du endast får långsam ökning av ph (d) Rita en graf med mängd tillsatt bas (i mol eller mmol) på x-axeln och ph på y-axeln. 7. Upprepa om möjligt din titrering 3 gånger. Efterarbete Utan ph-meter Om du upprepade försöket beräkna medelvärdet. Om något av värdena avviker märkbart från de övriga kan du bortse från det värdet. Om du arbetat utan ph-meter beräkna antalet mol tillsatt NaOH. Använd detta, och den antecknade volymen av syran, för att beräkna koncentrationen på syran. Med ph-meter Rita en graf enligt punkt 6d ovan (se figur 4.2b på sidan 29 för ett exempel) och avgör vid vilken substansmängd tillsatt bas ekvivalenspunkten ligger. Detta motsvarar mängden syra. Avfall Den neutraliserade syran kan hällas ut i slasken. Icke använd bas placeras i angivet kärl. KAPITEL 3. LABORATIONER 19

20 LABORATIONSHANDBOK 3.4 Specifik värmekapacitet hos metaller PÄR LEIJONHUFVUD Bakgrund Alla ämnen har en specifik värmekapacitet, ett mått på deras förmåga att lagra energi. Denna kan variera ganska kraftigt (se tabell 3.1 för några exempel). I detta försök skall du test den specifika värmekapaciteten hos en eller flera metaller. Förhållandet mellan temperaturförändring och specifik värmekapacitet beskrivs med formeln q = c m T, där c är den specifika värmekapaciteten, m är massan, q är den tillförda energin och T är temperaturförändringen. Ämne Vatten 4,18 Stål 0,466 Aluminium 0,90 Koppar 0,39 Specifik värmekapacitet (J/(g K)) Tabell 3.1: Dessa värden varierar lite med olika temperaturer och faser, värdena i tabellen gäller vid 25 C. ). Termos eller kalorimeter, termometer, bitar av metall, bägare, pincett. vär- Material meplatta. Metod 1. Koka upp avjoniserat vatten i en bägare ( cm 3 ). 2. Väg bitar av metall noggrant. 3. Placera bitarna i bägaren med det kokande vattnet. 4. Placera en nogrant uppmätt volym avjoniserat vatten i termosen eller kalorimetern. Förslagsvis cm 3. Vattnet bör ha rumstemperatur! 5. Mät och anteckna temperaturen på vattnet i termosen. 6. Tag upp en av metallbitarna, torka snabbt av den och placera i termosen. Mät temperaturförändringen. Efterarbete 1. Beräkna massan av vatten med hjälp av densitetstabell för vatten (se 5.1 på sidan 33) 2. Beräkna den specifika värmekapaciteten från temperaturförändringen på vattnet i termosen. 20 KAPITEL 3. LABORATIONER

21 PÄR LEIJONHUFVUD 3.5 Bestäm gaskonstanten R LABORATIONSHANDBOK Bakgrund och teori Med hjälp av gaslagen kan du bestämma värdet på gaskonstanten, R. Försöker förutsätter att du känner till molvikten på magnesium, samt molvolymen för en gas. Gaslagen: PV = nrt P Tryck i Pascal (N/m 2 ) V Volymen i m 3 T temperaturen (K) n substansmängd (mol) R gaskonstanten Material: Konc. saltsyra, magnesiumband, 100 cm 3 mätcylinder, bägare (hög 500 cm 3 ), sytråd eller koppartråd, kork. Risker vid experimentet: Konc. saltsyra är mycket frätande, hanteras varligt. Bildad vätgas släpps ut i dragskåp, explosionsrisk. Avfall kan spolas med mycket vatten Använd skyddsglasögon och personlig skyddsutrustning. En riskbedömning ges av undervisande lärare. Utförande 1. Väg upp mg magnesiumband. Anteckna vikten. 2. Häll ca 10 cm 3 konc saltsyra i mätcylindern. Skikta försiktigt avjoniserat vatten till den övre kanten av mätcylindern (häll långsamt längs innerväggen på mätcylindern). 3. Knyt fast sytråden runt magnesiumbandet och lägg det på vattenytan i mätcylindern. Alternativt fäst det med koppartråden i korken. 4. Sätt korken i mätcylindern. Var noggran så att du inte får in någon luft, och att det är möjligt för vatten att rinna ut (alternativt använd en kork med hål). 5. Fyll bägaren med vatten. Din bägare måste vara minst hälften så hög som din mätcylinder. 6. Vänd snabbt mätcylindern upp och ned och placera korken i under vattenytan i bägaren. Se till att inget vatten rinner ut medan du för detta! 7. Iaktta vad som händer med magnesiumbandet när syran når det. 8. Läs av volymen bildad gas. Se till att vätskeytan inne i mätcylindern är på samma nivå som den i bägaren. Testa gärna att se vad som händer med volymen i cylindern när du höjer eller sänker den jämfört med vattenytan. 9. Tag reda på dagens lufttryck och temperaturen i laborationssalen. KAPITEL 3. LABORATIONER 21

22 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 10. Skriv reaktionsformeln för reaktionen mellan magnesium och saltsyra. Vilken substansmängd magnesium har du? 11. Beräkna värdet på gaskonstanten (R). Vilka enheter använder du i dina beräkningar, vilken enhet får du på R? Riskbedömningsunderlag: Konc. saltsyra: kräkning), P405 Frätande, Fara, H314, H335 och P260, P261, P264, P271, P (ej Magnesiumband: Brännbart, Fara, H250, H260 och P210, P222, P223, P , P280 Saltsyra konc R 34, 37 och S (1/2), 26, 45 Magnesium Mg(s) R 15, 17 och S (2) 7/8 43e, Källa: Kemilärarnas Resurscentrum (2017a) 22 KAPITEL 3. LABORATIONER

23 PÄR LEIJONHUFVUD 3.6 Enzymkinetik med katalas LABORATIONSHANDBOK I samband med olika kemiska reaktioner i levande organismer (t.ex. i samband med andningskedjan) bildas olika s.k. ROS (Reactive Oxygen Species), som till exempel H 2 O 2. Dessa är mycket skadliga för cellen, och i princip samtliga levande organismer har därför enzymet katalas som skyddar cellen från dessa. I eukaryota celler finns de ofta i peroxisomerna. Hos djur är t.ex. levern ett organ med hög halt av katalas. I denna laboration kommer du dock att använda potatis som källa till katalas. Ett enzym har i allmänhet reaktionsformeln Substrat + Enzym Enzym Substratkomplex Enzym + Produkt 1 + Produkt 2. För just katalas är reaktionen 2 H 2 O 2 (aq) katalas 2 H 2 O (l) + O 2 (g) Ett sätt att bestämma reaktionshastigheten för omvandlingen av väteperoxid till vatten och syrgas är att vid bestämda tidsintervaller mäta volymen syrgas som bildas med en experimentuppställning som i figur 3.1. Varje enskilt värde plottas sedan i en graf och reaktionshastigheten kan uttryckas som lutningen av tangenten (cm 3 O 2 (g)/s) Figur 3.1: Laborationsuppställning för att mäta enzymkinetik för katalas. Beroende på vilka volymer som väljs och tillgång på utrustning kan man använd antingen provrör med sidorör eller en E-kolv med sidorör (en s.k. sugflaska). Som ett alternativ katalaskälla kan en bit rå lever användas. (Efter Markus Andersson/Umeå Universitet, ) KAPITEL 3. LABORATIONER 23

24 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD Material 3 5% H 2 O 2 -lösning potatisextrakt E-kolvar med sidorör mätcylindrar med olika storlekar stoppur slangar Uppgift Planera, utför och redovisa (i en laborationsrapport) ett experiment som visar på någon av två punkter nedan: 1. Att reaktionshastigheten (2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 ) bestäms av såväl substratkoncentrationen som enzymmängden (enzymkoncentrationen). 2. Att mängden produkt som bildas är oberoende av mängden enzym (enzymkoncentration). OBS! Denna uppgift är något mer tidskrävande och kräver god laborationsvana. Potatisextrakt Katalas extraheras från potatis genom att rå potatis rivs fint och potatismassan filtreras, förslagsvis genom sugfiltrering (se 4.3 på sidan 32). Laborationsrapporten: Skriv en fullständig laborationsrapport och redovisa dina resultat för dina olika experiment i grafer som du ritar för hand eller med hjälp av dator. Dra slutsatser från dina grafer och diskutera om dina resultat stödjer din hypotes. Riskbedömning: Laborationen anses som måttligt riskfyllt. Väteperoxid är frätande. Använd skyddsglasögon!!! Väteperoxid: H314 Orsakar allvarliga frätskador på hud och ögon, H302 Skadligt vid förtäring, H318 Orsakar allvarliga ögonskador. Skyddsangivelser P264 Tvätta händerna grundligt efter användning, P270 Ät inte, drick inte och rök inte när du använder produkten, P280 Använd skyddshandskar och ögonskydd, P305+P351+P338 VID KONTAKT MED ÖGONEN: Skölj försiktigt med vatten i flera minuter. Ta ur eventuella kontaktlinser om det går lätt. Fortsätt att skölja, P310 Kontakta genast GIFTIN- FORMATIONSCENTRAL eller läkare. 24 KAPITEL 3. LABORATIONER

25 Kapitel 4 Laboratorietekniker I kemin finns det ett antal olika laboratorietekniker som kommer igen mer eller mindre ofta. Här finns en guide till några av de viktigaste. 25

26 L ABORATIONSHANDBOK 4.1 PÄR L EIJONHUFVUD Att bereda en lösning När du skall bereda en lösning med en viss koncentration måste du arbeta i två steg: beräkningar och det praktiska. På båda punkterna finns det några saker att hålla i minnet. Beräkningar för att bereda en lösning Om du skall bereda en lösning med en viss koncentration måste du först räkna ut hur mycket av ämnet du skall ha. Oftast vet du att du behöver en viss koncentration i mol/dm3, och det första steget är då att räkna ut massan av den mängd av ämnet du vill ha. Låt oss ta ett exempel: du skall bereda 500 cm2 av en NaOH lösning med koncentrationen 1,50 mol/dm3. Din beräkning följer då formeln m=cvm, och du får då m=(1,50 mol/dm3)(0,500 dm3)(39,997 g/mol)= 29,998 g=30,0 g Du skall alltså väga upp 30,0 g NaOH. Figur 4.1: Att bereda en lösning Beredningen av lösningen Börja med att väga upp den angivna mängden av ämnet. Om du väger i en bägare slipper du föra över ditt ämne till en större behållare, men förlorar i gengäld precision i vägningen. Väg därför upp den t.ex. i en vågbåt eller på en bit folie. För sedan över det till en lagom stor bägare (i detta fallet t.ex. 600 ml) och skölj noggrant behållaren du vägde i ned i bägaren. Tillsätt sedan ca 50 75% av den slutliga volymen avjoniserat vatten och lös upp ämnet. 26 KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER

27 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK Häll lösningen i en mätkolv (se figur 4.1 på motstående sida, delfigur A), häll lite avjoniserat vatten i bägaren och häll sedan ned det i mätkolven, upprepa gärna denna sköljning 2-3 gånger, och fyll slutligen med avjoniserat vatten tills volymen befinner sig en bit under volymmarkeringen (använd t.ex. en sprutflaska, se figur 4.1 på föregående sida, del B). Sätt i en glaspropp och vänd några gånger. Fyll sedan försiktigt upp tills menisken (botten av den böjda ytan vattnet får i en glasbehållare) ligger precis jämnt med markeringen (figur 4.1 på motstående sida, del C). Var noggrann med att du tittar parallellt med linjen! Blanda en sista gång. Klart! KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER 27

28 LABORATIONSHANDBOK 4.2 Titrera PÄR LEIJONHUFVUD Titrering är en grupp metoder för att bestämma en mängd av något. Den vanligaste formen i skolan är en volymetrisk titrering, när man blandar två ämnen och noggrant mäter den tillsatta volymen av titrator till ett prov (en titrand) (Lennartson, 2017, sid. 148ff). Se tabell 4.1 för förklaring till orden. Byrett Graderat glasrör med en kran längst ned Byrettklämma En särskild klämma för att fästa byretter vid en ställning. Byrettratt En liten tratt avsedd för att fylla byretter Jodometrisk titrering När man använder färgomslag mellan jodidjoner och jod i en titrering. Syra-bas titrering När man låter en bas neutralisera en syra i titreringen. Beroende på förutsättningarna kan antingen basen eller syran vara titrator. Titrand Det prov som skall analyseras Titrator Reagensen som tillsätts till titranden Tabell 4.1: Ord och begrepp. Viktigt när man utför en titrering är att man är noggrann och känner koncentrationen på sin titrator mycket väl. Men behöver också en metod mäta effekten av titratorn på titranden, ofta är det ett färgomslag, men det kan även t.ex. vara en kontinuerlig ph-mätning. Metod Bereda titratorn Var mycket noggrann när du bereder denna! Ditt resultat kan aldrig bli bättre än din noggrannhet i detta steg. Det är inte nödvändigt att ha ett visst värde, det är mycket bättre att ha en lösning som är exakt 1,987 mol/dm 3 är en som är ungefär 2,0 mol/dm 3. Med bra beredda lösningar och noggrant handhavande kan man komma inom 1% av det verkliga värdet vid en titrering. Ofta kan det vara svårt att bereda en exakt lösning av många syror och baser. Stamlösningen av saltsyra är något variabel, och t.ex. natriumhydroxid är hygroskopisk 1, och det är därför svårt att avgöra hur mycket NaOH och hur mycket vatten man väger upp. Skall man vara mycket noggrann bör man därför använda köpta standardlösningar. Dessa kommer normalt i ampuller som man späder till angiven volym. 1 Med andra ord drar den till sig vatten ur luften 28 KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER

29 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK (a) Byrett och E-kolv uppsatta för en enkel titrering. På bilden syns inte byrettställ och ev. magnetomrörare. (b) Titrerkurva för att fastställa ekvivalenspunkten. Figur 4.2: Titrering Glöm inte att skölja ampullen ordentligt när du tömmer den ned i din mätkolv, annars kommer en del av lösningen att bli kvar i ampullen, och koncentrationen blir därmed för låg. Om du har en pålitlig saltsyralösning kan du givetvis testa den verkliga koncentrationen (titern) på en NaOH-lösning med hjälp av en titrering. Om du bereder en NaOH- eller KOH-lösning i förväg måste du komma ihåg att dessa tar upp koldioxid ur atmosfären, och att de efter en tid därför kan innehålla varierande grad av karbonater 2 samtidigt som din NaOH förbrukas, vilket givetvisgivetvis kommer att påverka ditt resultat. Om du använder t.ex. svavelsyra måste du vara medveten om att den är tvåprotonig, och ta hänsyn till detta i dina beräkningar. Fylla byretten Se till att din byrett är ren och torr. Finns det vatten kvar inne i den, eller intorkade rester från tidigare laborationer, kommer detta att späda ut respektive kontaminera din titrator. Se till att kranen är stängd, ha en slaskbägare under byretten och häll försiktigt upp din titrator i byretten. Ofta kan det vara bra att använda en liten byrettratt. När du (l). 2 Det bildas Na 2 CO 3 och NaHCO 3, reaktionen är främst 2 NaOH(aq) + CO 2 (g) Na 2 CO 3 (s) + H 2 O KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER 29

30 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD fyllt den skall du försiktigt öppna kranen: dels är det viktigt att du även fyller pipen och kranen, dels får du en möjlighet att verifiera hur det är att arbeta med just denna byrett. Släpp ut titrand, eventuellt med en mindre påfyllnad, tills volymen är nära nollstrecket. Om du kan stanna exakt på nollan förenklar det dina beräkningar, men så länge du antecknar det verkliga mätvärdet när du startar går det bra att stanna lite nedanför. Fyll en känd mängd av titranden i en E-kolv Det bästa kärlet för att ha titranden (provet) är oftast en vidhalsad E-kolv, men om du t.ex. skall mäta ph med en ph-meter kan det vara fördelaktigt att istället använda en bägare. Se till att kontinuerligt blanda, antingen med hjälp av en magnetomrörare eller genom svänga E-kolven. Undvik dock att stänka vare sig titrator eller titrand på kolvens väggar (det som hamnar där är ju inte med i reaktionen). Indikator Om du t.ex. skall söka efter ett ph-omslag får du inte glömma bort att ha med en indikator i E-kolven. Bra är om man t.ex. har ett vitt papper under eller bakom så att färgerna framträder tydligare. Ett bra tips är att laminera ett ark vitt papper: då suger det upp spill lika lätt, och kan därmed användas längre. Det är därtill användbart för att exempelvis förenkla kontroll av volymen in en mätkolv. För syra-bas titrering använder man ofta BTB 3 som är blå i basiska lösningar och gul i sura: kring ph=7 har den en grön blandfärg. Eftersom t.ex. BTB i sig är en svag syra finns en risk för komplikationer om du även titrerar en svag syra som ättiksyra. I det fallet kommer indikatorn inte att slå om vid 7, utan vid ett annat ph, något som kan tänkas påverka ditt resultat. Du kan även använda andra färgomslag än ph vid en titrering. Ett exempel är att du använder jodometrisk titrering för att mäta koncentrationen av ett oxidationsmedel (t.ex. H 2 O 2 eller till och med Cu 2+ ). Man kan även använda kaliumpermanganat (KMnO 4 ) för att t.ex. analysera halten av järn i olika prover (se tabell 4.2). Indikator Typ Färgomslag BTB syra-bas blått-gult Jod oxidation vitt-svart KMnO 4 reduktion lila-vitt Tabell 4.2: Några färgomslag vid olika former av titrering. ph-mätare Använder du dig av en ph-mätare måste du normalt skapa en tabell över mängden tillsatt titrator och uppmätt ph. Du kommer normalt att först få en långsam förändring av ph, för att se hur den sedan mycket snabbt ändrar, för att sedan på nytt endast förändras långsamt. Var därför uppmärksam på detta och mät ofta, särskilt när ph börjar ändras! 3 Bromtymolblått 30 KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER

31 PÄR LEIJONHUFVUD LABORATIONSHANDBOK Titrering Ställ upp utrustningen som i bild 4.2 på sidan 29. Använd byrettställ, inte en vanlig klämma, och i förekommande fall en magnetomrörare och/eller en ph-meter 4. I grunden är proceduren enkel: tillsätt titratorn långsamt inte fortare än att du kan räkna dropparna tills du får ett omslag. För bästa resultatet upprepa din titrering flera gånger och jämför dina resultat. Du kan till exempel utföra försöket tre gånger, och eftersträva att alla tre värdena liknar varandra: du kan i så fall anta att medelvärdet ligger närmare det verkliga värdet än något av dina faktiska mätvärden. Ibland kan man göra en grov förtitrering, där man t.ex. tillsätter titratorn i portioner om ca 10 ml för att få reda på hur mycket man kommer att behöva använda. denna 4 Var noggrann när du kalibrerar ph-metern: ditt resultat blir inte bättre än hur du bra du kalibrerar KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER 31

32 LABORATIONSHANDBOK 4.3 Sugfiltrering PÄR LEIJONHUFVUD Vanligt filtrering är en enkel metod, men kan i vissa fall vara extremt långsam. I de fallen man kan använda sig av sugfiltrering (se figur 4.3) som går mycket snabbare (Lennartson, 2017, sid. 114f). Figur 4.3: Uppställning för sugfiltrering. Ett runt filterpapper i rätt storlek placeras i tratten, det är viktigt att det ligger platt och täcker alla hål i Büchnertratten. Fukta filterpappret. Häll därefter materialet som skall filtreras i tratten och starta vakuumet (oftast via en vattensug). För att undvika att vatten rinner ned i kolven när filtreringen avslutas bör man koppla loss flaskan från slangen innan vattnet stängs av, alternativt använda en säkerhetsflaska mellan vattensugen och sugkolven. 32 KAPITEL 4. LABORATORIETEKNIKER

33 Kapitel 5 Referenstabeller 5.1 Vattens densitet vid olika temperaturer Temperatur Densitet ( C) g/cm 3 kg/m , ,7 15 0, ,1 16 0, ,9 17 0, ,8 18 0, ,6 19 0, ,4 20 0, ,2 21 0, ,0 22 0, ,8 23 0, ,5 24 0, ,3 25 0, ,0 30 0, ,6 35 0, ,0 40 0, ,2 45 0, ,2 50 0, ,0 55 0, ,7 60 0, ,2 65 0, ,6 70 0, ,8 75 0, ,8 80 0, ,8 85 0, ,6 90 0, ,3 95 0, ,9 33

34 LABORATIONSHANDBOK PÄR LEIJONHUFVUD 34 KAPITEL 5. REFERENSTABELLER

35 Litteraturförteckning Arbetsmiljöverket. Kemikalier i skolan. Arbetsmiljöverket, Solna, 2 edition, ISBN Leonard A. Ford and E. Winston Grundmeier. Chemical Magic. Dover, New York, 2 edition, ISBN Kemilärarnas Resurscentrum. Bestäm gaskonstanen R, Juni 2017a. URL A4m-gaskonstanen-r Accessed Kemilärarnas Resurscentrum. Buffert i naturliga vattensystem, 2017b. URL buffert-i-naturliga-vattensystem Accessed Anders Lennartson. Laboratoriearbete. Studentlitteratur, ISBN Kouji Maeda, Wataru Matsuoka, Keisuke Fukui, Eric Sukma Chandra, Ha-Ming Ang, and Moses Tadé. Solubility of manganese sulfate monohydrate in the presence of trace quantities of magnesium sulfate heptahydrate in water. Developments in Chemical Engineering and Mineral Processing, 11(5-6): , ISSN doi: /apj URL Lee R. Summerlin and James L. Ealy, Jr. Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, volume 1. The Americal Chemical Society, 2 edition, ISBN Lee R. Summerlin, Christie L. Borgford, and Julie B. Ealy. Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, volume 2. American Chemical Society, 2 edition, ISBN ,