UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Katedra učitelství a didaktiky chemie Studijní program: Vzdělávání v chemii
Reálný experiment v přípravě učitelů chemie The real experiment in the preparation of chemistry teachers Disertační práce Mgr. Vratislav Šedivec Školitel disertační práce: Doc. Mgr. Václav Richtr, CSc.
Praha, 2014
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité informační zdroje a literaturu. Tato práce ani její podstatná část nebyla předložena k získání jiného nebo stejného akademického titulu.
V Praze, 26. 6. 2014
Mgr. Vratislav Šedivec
BIBLIOGRAFICKÝ ZÁZNAM ŠEDIVEC, Vratislav. Reálný experiment v přípravě učitelů chemie. Praha: Karlova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Katedra učitelství a didaktiky chemie, 2014, Školitel: Doc. Mgr. Václav Richtr, CSc.
ABSTRAKT: Disertační práce se zabývá využitím reálného experimentu v přípravě učitelů chemie. Mapuje historický vývoj výuky chemie na území ČR. V návaznosti na strukturu experimentu, zmiňuje význam experimentování žáků ve vzdělávacím procesu. Dále se zaměřuje zjištění experimentální úrovně studentů přicházejících z různých typů středních škol dotazníkovou metodou mezi posluchači studijního programu Přírodovědná studia na KCH FPE ZČU. V práci jsou zpracovány některé modelové experimenty zaměřené na monitoring nitrací organických sloučenin, využívané k přípravě učitelů. Zpracováním modelového experimentu na téma ozonizace nenasycených sloučenin ukazuje, že didakticky a technicky správně provedený experiment usnadňuje pochopení i složitější problematiky.
ABSTRACT: The thesis deals with the use of a real experiment in the preparation of teachers of chemistry. Maps to the historical development of teaching chemistry in the Czech Republic. In relation to the structure of the experiment, mentions the importance of experimentation of the pupils in the educational process. Further focuses the findings of experimental level students coming from different types of secondary schools questionnaire method between the listeners of the study programme Science Studies at KCH FPE. In the work are handled by some model experiments aimed at monitoring the nitration of organic compounds, used for the preparation of teachers. The processing of the model experiment on the topic of ozonation of unsaturated compounds shows that didactics and technically correct experiment makes it easier to understand and more complex issues.
Klíčová slova Reálný experiment, struktura experimentu, dotazníkový průzkum, vzdělávání učitelů.
Key Words Real experiment, the structure of the experiment, questionnaire survey, training of teachers.
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří mi byli nápomocni radou i milým slovem, zejména však panu Doc. Mgr. Václavu Richtrovi, CSc. za odborné vedení a pomoc. V neposlední řadě bych také rád poděkoval celé své rodině za morální podporu.
Obsah 1. Úvod.....................................................................................................................................8 2.
Teoretická část .............................................................................................................10 2.1 Výuka chemie na základních a středních školách ........................................................10 2.1.1 Historie výuky chemie ...........................................................................................10 2.1.2 Současný stav výuky chemie v ČR a zahraničí .....................................................12 2.2 Experiment ve výuce chemie .......................................................................................13 2.2.1 Chemický výukový experiment a jeho charakteristika..........................................13 2.2.2 Kritéria klasifikace výukových experimentů .........................................................16 2.2.3 Soudobé trendy v oblasti výukového chemického experimentu ...........................18 2.2.4 Chemický experiment ve vztahu k legislativě .......................................................20
3.
Cíl práce .......................................................................................................................22
4.
Experimentální část .....................................................................................................23 4.1 Metodika pedagogického výzkumu .............................................................................23 4.2 Výukový chemický experiment ve středoškolské výuce chemie .................................24 4.2.1 Zjišťování stavu v roce 2006 .................................................................................24 4.2.2 Zjišťování stavu v roce 2008 .................................................................................25 4.2.3 Zjišťování stavu v roce 2009 .................................................................................25 4.2.4 Zjišťování stavu v roce 2010 .................................................................................25 4.2.5 Zjišťování stavu v roce 2011 .................................................................................26 4.2.6 Porovnání zjištění z roků 2006 a 2010 ..................................................................26 4.3 Experimentální činnost v přípravě budoucích učitelů chemie .....................................30 4.3.1 Experimentální činnost v rozvrhované výuce .......................................................30 4.3.2 Další možnosti experimentální práce ....................................................................36 4.3.3 Experimentální minimum budoucího učitele chemie ............................................46 4.3.4 Metodika výzkumu v oblasti chemického výukového experimentu .....................48
5.
Výsledky ......................................................................................................................89
6.
Závěr ............................................................................................................................90
7.
Seznam použité literatury ............................................................................................91
8.
Seznam příloh ..............................................................................................................99
1. Úvod Současné vzdělávání v chemii se potýká s celou řadou problémů, se kterými se můžeme setkat s menšími obměnami i ve vzdělávání v jiných přírodovědných oborech. Kromě hledání odpovědí na otázky, jaké by měly být cíle výuky, jaké metody a prostředky použít apod. je obor chemie zatížen o další specifické problémy. Posunutím učiva chemie ve prospěch teorie se snížila časová dotace na experiment, což zvyšuje potřebu experiment ve výuce vysoce zúročit a ne vždy tomu tak je. Také převládá názor, že právě chemie je zodpovědná za ničení životního prostředí. V době, kdy se setkáváme s produkty chemického průmyslu prakticky denně, je nutné poznat základy chemie co nejlépe. A právě experiment může být velmi efektivním prostředkem ke změně tohoto nepříznivého názoru vůči chemii jako celku. Chemie byla, je a doufejme, že bude experimentální vědou. Tento fakt je často opomíjen na základních i středních školách, kde dochází k prvotnímu kontaktu žáků a studentů s chemií. V základních kurikulárních dokumentech je experimentální vzdělávání formulováno poněkud vágně. Například v RVP G se uvádí:“ Žáci mají mít co nejvíce příležitostí postupně si osvojovat vybrané empirické i teoretické metody přírodovědného výzkumu, aktivně je spolu s přírodovědnými poznatky ve výuce využívat, uvědomovat si důležitost obou pro přírodovědné poznání, předně pak pro jeho objektivitu a pravdivost i pro řešení problémů, se kterými se člověk při zkoumání přírody setkává“. Zařazování experimentů do výuky přináší některé nové problémy. Velmi významným faktorem se stala legislativní opatření1), která značně omezují experimentální možnosti učitelů. Svoji roli sehrávají i finanční prostředky na laboratorní vybavení jednotlivých vzdělávacích zařízení. Pokud již nějaký experiment učitel studentům předvede, často bývá vytržený z kontextu učiva, není plně vyžit jeho potenciál a ztrácí se jeho motivační funkce. Při špatné prezentaci dochází někdy i k ztrátě empirických údajů. Právě empirické údaje, se s dopomocí učitele přetváří ve spojení s poznatky z výuky, ve znalosti. Špatně vysvětlený experiment může navodit dojem zábavné vložky studia. Naopak správně prezentovaný a dobře vysvětlený experiment snižuje náročnost učiva a motivuje studenty k dalšímu vzdělávání. Jedním z možných řešení jak se vyrovnat s úbytkem experimentů, je správné vedení experimentální přípravy budoucích učitelů chemie. Ve své práci vycházím z vlastních zkušeností získaných při studiu chemie na katedře chemie FPE ZČU v Plzni, kde jsem se aktivně zajímal o chemický experiment v organické chemii. Proto jsem si zvolil téma svojí diplomové práce související s výzkumným programem katedry chemie „Izolace a přeměny 23-hydroxybetulinu“ a v některých experimentech jsem pokračoval i v rámci doktorského studia. Musím úvodem vyjádřit svoje poděkování za přístup vedení organizace Povodí Vltavy s. p., které mi umožnilo 8
uzavřít pracovní dohodu, jejímž plněním mi bylo na místě umožněno seznámit se se způsoby stanovení polutantů v tekoucích a povrchových vodách s využitím moderní přístrojové techniky2,3), která je využitelná pro další vzdělávání a experimentální přípravu současných i budoucích učitelů chemie formou odborně vedených ekurzí4). Proto důvodně předpokládám, že možnost využít laboratorního vybavení smluvní strany je dalším možným budoucím způsobem přípravy učitelů chemie.
9
2. Teoretická část 2.1 Výuka chemie na základních a středních školách Dnešní chemie ve školách je transformovaný soubor poznatků, dovedností, návyků atd. vycházející z vědního oboru chemie. Jak se rozvíjely poznatky v chemii, bylo třeba je nějakým způsobem upravit, aby je bylo možné vyučovat. Výuka chemie na základních a středních školách na našem území probíhá přibližně 150 let. Didaktika chemie se začala rozvíjet ve druhé polovině 19. století, kdy výuka chemie na středních školách přinášela řadu metodických problémů, které bylo nutné řešit; objevovaly se první metodické příručky5-8). 2.1.1 Historie výuky chemie Školní reforma Marie Terezie přinesla s sebou zakládání středních a základních škol. Jednalo se o tříleté školy triviální, tří až čtyřleté školy hlavní a pětiletá gymnázia. Chemie jako samostatný předmět v té době ještě neexistovala. Problematika chemie byla zahrnuta ve vyučování fyziky. Z přírodovědných předmětů se vyučovala matematika a přírodopis. Již tak omezenou výuku přírodovědných předmětů zredukoval a ještě více upevnil Schulkodex z r. 1805 a Gymnasialkodex z r. 1809. Chemie jako předmět se začala vyučovat v rámci přírodozpytu v třicátých letech na prvních reálkách (Rakovník 1833, Praha 1833, Liberec 1837), přičemž výuka probíhala popisně, bez systému a vysvětlování podstaty jevů a dějů. Po roce 1849 začaly vznikat rozšířením škol hlavních školy měšťanské a to podle Exner-Bönitzovy reformy. Na měšťanských školách se vyučoval přírodozpyt 4 hodiny týdně, jeho součástí byla chemie a fyzika. Tento stav byl na školách zachován téměř 100 let. Reformou z r. 1849 byla zakládána osmiletá gymnázia a šestileté reálky. Hodinová dotace výuky přírodovědných předmětů byla postupně navyšována. S rostoucím počtem hodin chemie vyvstala nutnost sepsání učebnic. Dochované učebnice z tohoto období byly nevhodně sestavené a často nesystematické, zaměřující se na popis a nikoliv na vysvětlování podstaty chemických dějů. Teoretickou stránkou chemie se příliš nezabývaly. Obsahovaly však řadu praktických poznámek k technickému využití, včetně návodů k experimentům. Osmiletá školní docházka byla zavedena v roce 1869 s uvedením Říšského školského zákona označovaného též jako „Hasnerův zákon“, byla rozčleněna na pět let výuky na obecné škole a tři roky na škole měšťanské. Zákonem zavedený systém také umožňoval přechod na gymnázium či sedmiletou reálku. I nadále byl vyučován přírodozpyt na měšťanských školách. Chemie jako samostatný předmět nebyla ani v plánech výuky pro gymnázia, stále byla vyučována s fyzikou a to 10
popisným způsobem bez systému. Pohledem do učebnice9) z roku 1907 je možné zjistit, že experimenty byly zařazeny jen v obecné části a byly zaměřeny na poznávání vlastností prvků a elementární rozbor sloučenin. Samostatná praktická cvičení v procesu výuky řazena nebyla Školství samostatného Československa navázalo po r. 1918 na tradici školství předchozího mocnářství, převzalo jeho systém. V r. 1919 tehdejší školství zavedlo chemii jako samostatný vyučovací předmět na gymnáziích. Obsah vykládané látky se ani po vydání nových učebnic příliš nezměnil. Stále převládal popisný charakter výuky. Didaktika chemie u nás neexistovala a nově vydané učebnice byly inspirovány německými metodiky. Demonstrační pokusy se uplatňovaly na gymnáziích a výuka měla převážně charakter deduktivní. Praktická cvičení z chemie byla povinně zavedena v roce 1930-1931. Teprve až po 2. světové válce (1945-1948), byla chemie zavedena jako povinný vyučovací předmět na všech typech všeobecně vzdělávacích škol. Vhodným příkladem dobové učebnice může být literatura10) ve které chemie logicky začíná výukou obecné chemie, pokračuje anorganickou a končí chemií organickou. Laboratorní cvičení nejsou v učebnici zmíněna. Tento způsob výuky chemie probíhal od konce 2. Světové války až do roku 1948 kdy byla zavedena povinná devítiletá školní docházka Školským zákonem z roku 1948. S tímto zákonem bylo zrušeno dělení na školách prvního cyklu. Zároveň byla zavedena 4 letá gymnázia, na kterých probíhala výuka s klasickým členěním, tedy na chemii anorganickou a organickou. Základním kamenem anorganického systému byl periodický zákon. Užívané učební texty měly deduktivní charakter. Charakteristickým rysem učiva této doby, bylo zdůrazňování výchovných aspektů učební látky. V roce 1953 nabyl účinnosti zákon o školské soustavě a vzdělávání učitelů, který ve svém důsledku zkrátil všeobecné vzdělávání zavedením osmileté střední školy se současným zavedením jedenáctiletých škol namísto gymnázií. V této době byl striktně dodržován sovětský přístup ve vzdělávání, jehož výsledkem byla redukce učiva. Dále byl nevhodným způsobem uplatňován polytechnický přístup ve výuce. Ve svém důsledku tyto zákonné úpravy vedly k snížení kvality výuky chemie anorganické i organické. Obecná chemie byla řazena nelogicky až na konec výuky. Obsah dobové učebnice11) vypovídá o tom, že laboratorní cvičení jsou řazena na konec probrané kapitoly. V učebnici bylo nabízeno 7 laboratorních cvičení vycházejících tematicky z periodického zákona, například: kovové prvky, kovy I skupiny, kovy II skupiny apod. Problematice praktických cvičení se podrobněji věnuje dobová publikace12), v níž jsou popsány aplikace ideálu polytechnického vzdělávání a rozbor jednotlivých kroků přípravy studentů i učitele na jednotlivé experimenty.
11
Zákon o soustavě výchovy a vzdělávání č.186/1960 Sb. nabyl účinnosti dne 28. 12. 1960, zavedl základní devítileté školy a střední všeobecně vzdělávací školy. Došlo k opětovnému prodloužení základního vzdělávání na 9 let. Výuka chemie probíhala v 8. a 9. ročníku základní školy a také ve všech ročnících školy střední. Rozsah výuky chemie a její kvality postupně vzrůstal. Přes veškeré snahy se nepodařilo moderní pojetí výuky chemie prosadit. Zvětšil se počet praktických cvičení a byly zakládány školní laboratoře. V letech 1968-69 byla opětovně zakládána čtyřletá gymnázia a zároveň se rozbíhaly odborné výzkumy v oblasti didaktiky chemie. Není cílem mé práce hodnotit tehdejší zákonnou úpravu, avšak konstatuji, že tato úprava byla oproti předchozí době významným pokrokem k rozšířenému používání experimentu jako nedílné součásti výuky chemie. Dalším významným krokem byl projekt Další rozvoj československé výchovně vzdělávací soustavy, který byl přijat v r. 1976. Zavedl osmileté základní školy a čtyřletá gymnázia. Zároveň umožnil vzájemnou prostupnost všech typů sekundárních škol (gymnázií, středních škol, středních odborných škol a středních odborných učilišť). Výuka chemie byla řazena do 7. a 8. ročníku základních škol a do 1. až 3. ročníku škol středních. Změny pojetí a rozsahu výuky chemie byly tímto projektem realizovány na základních školách v roce 1982 a na středních školách v r. 1984. Vzrůstající důraz a náročnost teoretické složky učiva na základních i středních školách, vedl k sníženému zájmu o studium chemie u žáků. Upouštělo se od empirických poznatků a experimentování jako takového. Chemie se stala neoblíbeným a náročným předmětem. 2.1.2 Současný stav výuky chemie v ČR a zahraničí Ministerstvo školství mládeže a tělovýchovy vydalo v roce 1995 standart základního vzdělávání, který určoval cíle postojové, kompetenční a poznávací. Vytváří rámec pro tvorbu vlastních vzdělávacích programů. V současné době se vzdělávací soustava řídí novelou školského zákona vyhlášenou pod č. 472/2011 Sb.,13) který svými ustanoveními novelizuje zákon č. 49/2009 Sb. při zachování povinné devítileté docházky, která nesmí trvat déle než jedenáct let. Základní škola je rozdělena na I. stupeň (1. až 5. ročník) a na II. stupeň (6. až 9. ročník). Existuje několik vzdělávacích programů uplatňovaných na základní škole. Ve většině případů se jedná o program Základní škola (pro I. i II. stupeň), ale existují i další např. Obecná škola, Občanská škola a Národní škola14). Výuka chemie je řazena do 8. a 9. ročníku obvykle s dotací 2 hodin týdně. Praktickým cvičením a experimentům je možné věnovat jednu hodinu týdně. V současné době je střední stupeň vzdělávání rozdělen na tři směry. Prvním jsou gymnázia, druhým a třetím jsou střední a střední odborné školy. Výuka chemie na čtyřletých gymnáziích je řazena do skupiny povinných předmětů a vyučována obvykle v 1. až 3. ročníku. Hodinová dotace 12
bývá 2 hodiny týdně, přičemž je možné jednu hodinu využít k praktickým cvičením. Pokud studenti zvolí přírodovědnou větev studia na gymnáziích, vzrůstá na některých školách dotace na 3 hodiny týdně a chemie je jedním z povinných předmětů v maturitním ročníku. Humanitní a všeobecná větev obvykle končí s chemií v třetím ročníku. Výuka chemie na středních školách je složitější a vychází z jejich zaměření. Až na několik oborů na konzervatoři a obchodní akademii, je chemie vyučována, alespoň v prvním ročníku každé střední školy. Na středních školách s chemickým zaměřením je chemie, podobně jako na gymnáziích, vyučována po celou délku studia. Výuka chemie na středních odborných učilištích bývá v závislosti na jejich typu, zařazována do 1. až 2. ročníku studia s obvyklou dotací 2 hodin týdně obvykle se zaměřením k příslušnému oboru studia. Výuka chemie v zahraničí je často začleněna do integrovaných přírodovědných předmětů. Příkladem může být předmět Naturvetenskap ve Švédsku, nebo Science v USA, kde výuka přírodovědných předmětů běží tímto způsobem do 16 let věku studenta. V tomto předmětu jsou integrovány, spíše nediferencovány, poznatky z chemie, fyziky, biologie a také ekologie. Výuka je zaměřena na manuální operace, experiment a problémovou výuku. Vědomosti studenti získávají empirickým způsobem. Dalším příkladem integrovaného pojetí vyučování, může být projekt nastartovaný v 80 letech v Bavorsku. Výuka probíhá v 5. až 7. ročníku po dvou vyučovacích hodinách a 8. až 10. ročníku po třech vyučovacích hodinách. Integrovaný předmět Fyzika-ChemieBiologie je vyučován jedním učitelem. Hlavní výhody takovéto výuky jsou spatřovány v realizaci projektové výuky vycházející z žákovského pozorování. Svět i poznání není jednotlivými obory dělen a při řešení dílčích problémů v rámci projektové výuky dochází k přesahům hranic jednotlivých oborů. Blíže o těchto otázkách pojednává zdroj15). 2.2 Experiment ve výuce chemie 2.2.1 Chemický výukový experiment a jeho charakteristika Jak už je výše uvedeno, chemie je věda o látkových přeměnách a školní chemický pokus je součástí výuky chemie. Výuku samotnou chápeme jako složitý proces vzdělávací i výchovný, v jehož průběhu dochází k vzájemné interakci učitele, žáků, obsahu učiva atd., jehož žádaným výsledkem je, aby si žáci osvojili požadované znalosti, vědomosti a dovednosti. Dokázali si vytvořit svoje názory, zhodnotit je, obhájit a také dále rozvinuli svoje schopnosti, způsoby jednání apod. Dosažení těchto cílů je nesnadné, a je nezbytné využívat všech prostředků k jejich naplnění např. některé materiální prostředky (učebnice, filmy, modely, prezentace a pracovní sešity, atd.)
13
Výuky se účastní celá řada činitelů, kteří na sebe vzájemně působí. Tento proces můžeme chápat jako funkci systému určitých prvků a jejich vzájemných vztahů. Chemický experiment považujeme za dominantní vyučovací pomůcku. Chemický experiment má určitou strukturu, která určuje jeho význam a použití ve výuce16). Zároveň také plní některé funkce, které jsou jinými prostředky obtížně dosažitelné. Jedná se především o funkci informativní, formativní, metodologickou a motivační. Informativní funkcí rozumíme soubor všech informací, které žáci v průběhu jednotlivých fází chemického pokusu získávají. V rámci přípravy pokusu a jeho provedení to jsou informace o charakteru jednotlivých reaktantů, o způsobu chemických přeměn a potřebné laboratorní technice. Formativní funkci spatřujeme v činnostní stránce provádění pokusu. Informativní funkce je statická (přináší informaci), formativní funkce je dynamická a realizuje se zprostředkovaně, přes funkci informativní. Právě v činnostech se formuje a rozvíjí osobnost žáka. Metodologickou funkci chemického experimentu nalézáme v možnostech zprostředkovat cestu poznání, kterou prochází ve svém vývoji chemie jako věda. Chemickým pokusem zprostředkujeme také metody poznávání chemie jako vědy. Významnou funkcí chemického pokusu je motivační funkce. Při využívání experimentu jako motivačního činitele, klademe důraz na provedení a efektnost pokusu s cílem zaujmout studenty a podnítit je k zájmu o chemii.
14
Struktura chemického experimentu Čtrnáctová a Halbych16) ke struktuře a funkci chemického experimentu uvádějí: “Chemický experiment zařazený do výuky, má několik fází, které tvoří základ struktury experimentu. První fází je příprava experimentu, kterou dělíme na materiální a nemateriální. Materiální přípravou rozumíme přípravu chemického nádobí a dalších laboratorních pomůcek (stojany, kahany, váhy atd.) a přípravu potřebných chemikálií a roztoků. Nemateriální přípravou experimentu chápeme připravenost žáků experiment provést a s pomocí učitele jej vyhodnotit. Potřebné vědomosti a dovednosti žáků, které budou potřebovat, označujeme jako výchozí vědomosti a dovednosti žáků. Druhou fázi experimentu je vlastní provedení a záměrné pozorování probíhajících změn (vznik sraženiny, změna barvy, změna teploty apod.) Za třetí fázi považujeme vyhodnocení pozorovaných jevů během experimentu a jejich chemické vyjádření, tedy získání empirických údajů (identifikace vznikajícího plynu, vzniklé sraženiny, změna barvy reakční směsi atd.). V poslední čtvrté fázi chemického experimentu žáci zpracovávají získané empirické údaje a přetvářejí je na empirické poznatky (sestaví chemickou reakce, zjistí výtěžek reakce…). Uvedené fáze experimentu vytvářejí strukturu školního chemického pokusu, která je jako celek určována stanoveným cílem vzdělávání. 1. Příprava chemického pokusu
(1. fáze)
2. Provedení a pozorování průběhu pokusu
(2. fáze)
3. Vyhodnocení chemického pokusu
empirické údaje
(3. fáze)
4. Zpracování empirických údajů
empirické poznatky
(4. fáze)
Využití experimentu ve výuce je podmíněno mnoha faktory, kterými mohou být např. cíle výuky, materiální a prostorové možnosti školy, dovednosti žáků atd.“ Zaměříme-li se na motivaci studentů, s využitím demonstračního experimentu, budeme klást důraz na první a druhou fázi experimentu. Vyžadujeme pozorování a popis probíhajícího chemického děje (exploze, hoření, zvukový či světelný efekt, vznik sraženiny, změna barvy…). Snažíme se studenty vhodně zaujmout. Zcela můžeme zanedbat třetí a čtvrtou fázi experimentu. Opačný případ nastane, rozhodneme-li se experimentu využít pro získání nových vědomostí. Pokud to podmínky dovolí, je vhodné nechat studenty experiment provést samostatně v laboratoři. Studenti si sami dle jednoduchého návodu připraví pomůcky, chemikálie a samostatně experiment provedou. Při vyhodnocování získají empirické údaje. Za asistence učitele tyto údaje zpracují a přetvoří v empirické poznatky. Síla chemického experimentu spočívá právě v získání empirických údajů a poznatků. Při správném využití experimentu, lze odstranit přílišnou 15
teoretickou náročnost výuky chemie a účinněji motivovat studenty k dalšímu studiu chemie. Jednou z možností využití, kterou zmiňuje Čipera17), je zařazení experiment do problémové metody výuky. Čipera uvádí: „Využití experimentu v problémové metodě výuky předpokládá uplatnění tvořivých činností studentů při osvojování učiva. Studenti znají konečný cíl činnosti, ale sami si stanový potřebné dílčí úseky činnosti. To znamená, že si sami formulují učební úlohu a stanoví si postup řešení. V tomto případě přechází na studenty řízení celé činnosti i dílčích úseků této činnosti. Podstatou tohoto postu a řízení je rozhodovací proces. Studenti si sami musí zvolit celkový postup řešení a v každém úseku řešení zvolit na základě svých znalostí, vědomostí a dovedností a podmínek řešení úlohy varianty řešení, ověřit a vybrat variantu optimální. Význam problémové metody ve výuce chemie je z hlediska rozvoje osobnosti studentů nepochybný. Avšak na druhé straně je právě tato metoda časově nejnáročnější. Proto při provádění chemického experimentu ve škole se může problémová metoda uplatnit v jedné nejvýše ve dvou fázích chemického experimentu“. Podrobnější informace k problematice, lze nalézt také v literatuře18). 2.2.2 Kritéria klasifikace výukových experimentů Živelným používáním experimentů, nebo jejich špatným plánováním lze stanovených cílů ve výuce dosáhnout obtížně. K správnému posouzení experimentů vzhledem k stanovenému cíli výuky může posloužit klasifikace experimentů. Jedním z možných navrhovaných kritérií klasifikace je dělení experimentů dle Pachmanna19), který dle využití ve výuce a požadovaných cílů vyčleňuje: 1) Chemický pokus a základy poznání a) pokusy z chemie obecné b) pokusy z chemie anorganické, organické, biochemie 2) Chemický pokus a techniku experimentální práce a) pokusy kvalitativní / kvantitativní - kvalitativními pokusy je myšleno získávání informací o neznámém vzorku a jeho složení (např. série analytických zkoušek), kvantitativní pokusy jsou zaměřeny na získávání přesných výsledků měření změny a stavu látek. Výsledkem takových pokusů je číselně vyjádřená hodnota. b) pokusy dle velikosti dávky (makrotechnika, semimikrotechnika, mikrotechnika) c) pokusy zjišťující - pokusy při nichž se žáci obohacují o nové poznatky d) pokusy dokládající - pomáhají dokreslit, konkretizovat učivo a mají usnadňovat pochopení nových poznatků Pachmann dále experimenty klasifikuje i podle dalších kritérií takto:
16
1) Podle fáze vyučovací hodiny a) pokus motivační - k motivaci ve výuce b) pokus uvádějící – pokus ve fázi osvojování učiva c) pokus shrnující – slouží k hodnocení znalostí a dovedností studenta 2) Podle vztahu k poznatkům a) pokus zjišťovací – studenti získávají (poznávají) nové poznatky b) pokus dokládající – pokus podává důkaz (potvrzení) poznatků, které již studenti mají Jako didakticky významnější a hodnotnější vnímáme pokusy zjišťovací. Studenti v jejich průběhu získávají nové poznatky a s pomocí učitele se sami přesvědčují o správnosti svých předpokladů. Pokusy zjišťovací je možné dělit dále na: i) vysvětlující – pokus vysvětluje studentům novou problematiku ii) ověřující – studenti si ověřují, do jaké míry porozuměli učivu, ověřují si správnost předpokladů iii) potvrzující – pokusy potvrzují správnost předpokladů studentů iv) odporující – výsledky pokusů se neshodují s předpoklady studentů v) problémové – studenti řeší problémy, které během řešení úlohy teprve vyvstávají a dospívají tak k novým poznatkům Dokládající pokusy jsou využívány k dokreslení, ilustraci a zpřesnění složitějších témat při výuce. Dělí se na: i) ilustrující – dokreslují přednášenou problematiku ii) aplikující – studenti již osvojené učivo využívají v nových souvislostech iii) reprodukující – studenti získané poznatky pouze reprodukují 3) Podle toho, kdo pokus provádí a) demonstrační pokusy b) studentské pokusy Při demonstračních pokusech jsou studenti v rolích diváků. Učitel by měl provádět experiment tak, aby byl dobře pozorovatelný ze všech stran. Jedná-li se o pokus s barevnou změnou reakční směsi, je vhodné použít kontrastní pozadí k zvýraznění změny. Demonstrační pokusy nepřinášejí takové množství empirických poznatků jako studentské pokusy, při nichž se studenti zapojí do provádění nejen po intelektuální stránce, ale-i po stránce manuální. Tento druh experimentů by měl dostávat přednost před experimenty demonstračními. Studentské pokusy Pachmann dále klasifikuje na: i) frontální – studenti provádějí jeden stejný pokus současně a učitel řídí celou činnost a tempo provádění experimentu (od přípravy, provedení až po společné vyhodnocení) 17
ii) simultánní – všichni studenti provádějí experiment současně, ale každý student jej provádí samostatně vlastním tempem 2.2.3 Soudobé trendy v oblasti výukového chemického experimentu Nové trendy v pokusnictví se zaměřují různými cestami. Jednou z možných je využití audio-vizuální techniky, a počítačů v experimentování. Již v devadesátých letech na základních školách, byly některé experimenty prezentovány na videokazetách VHS (z anglického Video Home System). Využívání audio-vizuální techniky v experimentální výuce není chemii cizí. Soudobá výpočetní technika nabízí daleko širší možnosti využití. Jedním z příkladů může být vznik databází krátkých filmů s experimenty20). Je-li takovýto film správně natočen po stránce technické a proveden didakticky správným způsobem, může v některých situacích téměř nahradit prováděný experiment. Pokud škola není dostatečně materiálně, nebo prostorově vybavena, je možné přistoupit k takovému řešení experimentální výuky. Jedním z možných řešení je využití již existujících databází s experimenty. Učitel vyhledá experiment z příslušné tématiky a může jej přehrát studentům. Příkladem mohou být acidobazické titrace, které lze nalézt na21,22). Ze zahraničních internetových zdrojů věnujících se této problematice, lze uvést německý portál věnující se experimentům z organické chemie23). Další zajímavé a efektní experimenty, které lze bez obav využít k výuce lze nalézt na24). Výchozím bodem pro učitele hledající řešení problematické situace s nevyhovujícím vybavením laboratoří, by mohl být portál, na kterém lze výše zmíněné odkazy nalézt25). Zajímavý pohled na experimentování nabízí publikace Šulcové26) V publikaci je možné nalézt řadu zajímavých experimentů rozdělených podle náročnosti na provedení, pomůcky nebo vybavení. Zajímavá skupina experimentů, které lze provádět i doma je například štěpení škrobu slinnou amylasou, štěpení škrobu rostlinnými amylasami, kyselá hydrolýza sacharosy apod. Všechny popisované pokusy jsou proveditelné i v pohodlí domova, protože potřebné chemikálie a pomůcky lze opatřit běžnou cestou. Pokusům s enzymy (katalasa, invertasa, rostlinné proteasy) je věnována celá kapitola. Velmi zajímavé experimenty s přesahem do znalostí fyziky jsou pokusy s využitím mikrovln. Jsou zde uvedeny například: 1) Ohřívání dvoufázového systému - experiment se snaží objasnit rozdílný princip ohřevu dvoufázového kapalného systému (nasycený roztok CuSO4 a voda) v mikrovlnné troubě a na elektrické plotýnce. 2) Vliv obsahu vody na ohřívání potravin - pokus objasňuje skutečnost, že vyšší obsah vody v potravině zkracuje čas potřebný na její ohřev.
18
3) Tavení a výroba skla, výroba slitin - oba tyto experimenty vyžadují větší zručnost experimentátora, protože probíhají za vysokých teplot, vlastnímu tavení předchází výroba formy na provádění těchto experimentů, studenti si objasňují principy výroby skla a slitin. 4) Kovové předměty v troubě - kovové předměty, nebo pokovené nádobí, při působení mikrovln silně jiskří, vytvářejí se elektrické výboje a může dojít až k poškození trouby. Zajímavou skupinou netradičních experimentů jsou i fotochemické reakce. Příkladem je izomerizace azobenzenu vlivem UV záření. Obecně, trans izomery mají nižší hodnotu energie a jsou stabilnější, proto pro změnu izomerie je nutné dodat značné množství energie. V uvedeném případě (viz příloha č. 1a) se jedná o působení UV záření na vzorek azobenzenu nanesený přímo na tenkou vrstvu silikagelu. Po krátkodobém ozáření (60 sekund) UV zářením proběhne izomerizační reakce, při které se původní trans - derivát přemění na cis – derivát. Porovnáním Rf ozářeného a neozářeného vzorku získaným vyvoláním chromatogramů v toluenu a detekcí parami amoniaku a oxidy dusíku se izomerizace plně prokazuje.
19
2.2.4 Chemický experiment ve vztahu k legislativě V roce 2012 bylo ve sbírce zákonů vyhlášeno několik zákonných norem, které ve svém důsledku přímo či nepřímo ovlivňují práci chemika. V obecné rovině se dotýkají nakládání s chemikáliemi, jedy a tedy přímo ovlivňují provoz školních laboratoří, například:
143/2012 Sb. Nařízení vlády o postupu pro určování znečištění odpadních vod, provádění odečtů množství znečištění a měření objemu vypouštěných odpadních vod do povrchových vod…
73/2012 Sb. Zákon o látkách, které poškozují ozonovou vrstvu, a o fluorovaných skleníkových plynech
4/2012 Sb. Nařízení vlády, kterým se mění nařízení vlády č. 467/2009 Sb., kterým se pro účely trestního zákoníku stanoví, co se považuje za jedy a jaké je množství větší než malé u omamných látek, psychotropních látek, přípravků je obsahujících a jedů
3/2012 Sb. Nařízení vlády, kterým se mění nařízení vlády č. 455/2009 Sb., kterým se pro účely trestního zákoníku stanoví, které rostliny nebo houby se považují za rostliny nebo houby obsahující omamnou nebo psychotropní látku a jaké je jejich množství větší než malé ve smyslu trestního zákoníku
2/2012 Sb. Nařízení vlády, kterým se mění nařízení vlády č. 454/2009 Sb., kterým se pro účely trestního zákoníku stanoví, co se považuje za látky s anabolickým a jiným hormonálním účinkem a jaké je jejich větší množství, a co se pro účely trestního zákoníku považuje za metodu spočívající ve zvyšování přenosu kyslíku v lidském organismu a za jiné metody s dopingovým účinkem
469/2011 Sb. Zákon, kterým se mění zákon č. 130/2002 Sb., o podpoře výzkumu, experimentálního vývoje a inovací z veřejných prostředků a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o podpoře výzkumu, experimentálního vývoje a inovací), ve znění pozdějších předpisů
402/2011Sb. Vyhláška o hodnocení nebezpečných vlastností chemických látek a chemických směsí a balení a označování nebezpečných chemických směsí
350/2011 Sb. Zákon o chemických látkách a chemických směsích a o změně některých zákonů (chemický zákon)
208/2011 Sb. Nařízení vlády o technických požadavcích na přepravitelná tlaková zařízení
20
Za jeden z nejdůležitějších zákonů, lze považovat výše zmíněný zákon 350/2011 Sb., který upravuje označování chemických látek a směsí, nakládání s nimi a také upravuje činnost státní správy na úseku uvádění nových chemických látek a sloučenin na trh. Stručný a prakticky využitelný přehled zákonů ovlivňují práci chemika ve všech oborech chemie lze nalézt v Chemických listech1). Rizika přímá či nepřímá spojená s činností chemika a příslušné povinnosti s tím spojené stanovuje zákon č. 258/2000 Sb. o ochraně veřejného zdraví. Metodický pokyn 29 159/2001 – 26 k zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví dětí a žáků ve školách a školských zařízeních, přímo ovlivňuje práci nejen ve školách, ale i v laboratořích. Na základě tohoto pokynu je nutné žáky před každou laboratorní činností náležitě upozornit na bezpečnost práce a dodržování správných pracovních postupů. Činnost učitele tedy není spatřována jen v roli zprostředkovatele poznání, ale i jedince zodpovědného za průběh a bezpečnost práce studentů při práci v laboratoři. Vyhláška č. 349/2009 Sb. o hygienických požadavcích na prostor a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých, taxativně vymezuje požadavky na prostor, mikroklima (teplota, větrání, vlhkost), počty hygienických zařízení atd. Mimo jiné jsou zde zmíněny i požadavky na vybavení specializovaných učeben přírodovědných předmětů. Tato vyhláška dále upravila znění předchozí vyhlášky č. 410/2005 Sb.
21
3. Cíl práce Význam reálného experimentu pro výuku chemie je nesporný. Je tomu tak na všech stupních škol. Kvalitně vedený experiment v rukou zkušeného pedagoga může na základní a následně i střední škole výrazně ovlivnit další životní rozhodování žáků i studentů. Cílem této práce je: 1. Zjištění stavu experimentální výuky chemie na středních školách. 2. Zjištění stavu experimentální přípravy chemie FPE ZČU v Plzni jako jedné z institucí připravujících budoucí učitele chemie v ČR. 3. Zjištění možností dalšího rozvoje experimentálních dovedností budoucích učitelů chemie za účelem řešení aktuálně vzniklých potřeb základních a středních škol. 4. Vytipování modelových situací pro cílenou modifikaci principiálně známých experimentů. 5. Realizace a vyhodnocení vytypovaných experimentů.
22
4. Experimentální část V této části disertační práce si kladu za cíl zpracovat získané dotazníky z průzkumu a vyhodnotit získané informace. Dále se zde objeví zpracované experimenty, které je možné využít v přípravě budoucích učitelů chemie. 4.1 Metodika pedagogického výzkumu Metodika pedagogického výzkumu je široká kapitola pedagogického vědění. Právě pomocí výzkumu můžeme ověřovat pedagogické hypotézy, získávat informace o procesu výuky a řadu dalších informací. Nástroje výzkumu jsou nedílnou součástí činnosti každého učitele, bez nich by jen obtížně získával zpětnou vazbu o úspěšnosti procesu výuky. Výstupy z výzkumů je možné využít k řešení problémů vznikajících při složité interakci učitele a žáků. Jedním z možných pohledů na metodiku a metodologii pedagogického výzkumu nabízí Skalková27), která metody pedagogického výzkumu dělí na tři skupiny: 1) Empirické metody výzkumu - tyto metody jsou bezprostředně spjaty s realitou, jejich cílem je získávání, shromažďování a klasifikace informací nutných pro vytváření pedagogických teorií. a) metoda pozorování - je subjektivní metoda cíleného, plánovaného a soustavného vnímání jevů a procesů stanoveného cíle pozorování, jež probíhají ve skutečnosti, b) metoda experimentální - je metoda, která cíleně vnáší změny do průběhu běžných procesů v souhlase s výzkumnými cíli, experimenty lze provádět jak laboratorně tak v přirozeném prostředí, c) metoda dotazníková - metoda sloužící k shromažďování informací hromadným způsobem, d) metoda rozhovoru - přímé získávání informací založené na komunikaci a dotazování pracovníka a respondenta, e) obsahová analýza pedagogických dokumentů - analýza informací ze zápisů pedagogických rad, materiálů o studentovi atd., f) vybrané techniky výzkumu - ústní, písemné a praktické zkoušky, testy atd., 2) Teoretické metody - analýza pedagogických jevů, nelze metody teoretické jednoznačně oddělit od metod empirických, které poskytují dostatek informací pro analýzu 3) Historicko - srovnávací metody - jsou založené na základě zkoumání a analýze vývoje jevů (genetická metoda), nebo jejich vysvětlováním z hlediska jejich vzniku, vývoje a zániku, tedy historického vývoje Někteří další autoři nabízejí jiný pohled na problematiku pedagogického výzkumu, dělí jej na kvalitativní přístup a kvantitativní. Kvantitativní přístup je zaměřen na statistické zpracování dat
23
získaných dotazníky, testy, anamnézou, interview dále pozorováním, sociometrií a také experimentem28). Některé druhy testů jsou blíže klasifikovány29). Kvalitativní přístup se zaměřuje na bližší poznání zkoumané osoby a pozorovaných situací. Hodnocení je vyjadřováno slovní formou. Mezi metody kvalitativní patří například kazuistiky28). 4.2 Výukový chemický experiment ve středoškolské výuce chemie Pro zhodnocení situace experimentální výuky na středních školách bylo rozhodnuto využít studenty nastupující do prvního semestru programu Přírodovědná studia. Studentům byl předložen dotazník, při jehož tvorbě jsme se řídili zásadami, které popsal Lubomír Mojžíšek30). Dotazníková metoda výzkumu se řídí několika zásadami, které je třeba mít po celou dobu výzkumu na zřeteli. Především je třeba si zdůvodnit, je-li v daném okamžiku dotazníková metoda nejvhodnějším způsobem sběru informací. V řešeném případě byli cílovou skupinou studenti z prvého ročníku programu Přírodovědná studia. Nejvhodnějším řešením k získání velkého množství dat bylo použití dotazníku s přihlédnutím k riziku, že formulace jednotlivých otázek dotazníku se řídí požadavky na hledané informace. Proto bylo nezbytné otázky formulovat jednoznačně, tak aby nedocházelo k jinému výkladu každého respondenta. Nepřesné, neujasněné otázky mohou u respondenta vyvolávat asociace a ten tak není vázán k jednoznačné odpovědi. Takto získané informace jsou jen povrchní a obtížně využitelné pro další zpracování a formulaci závěrů. Podmínkou je, aby formulace otázky nenavodila nejednoznačnou odpověď. Z každé otázky by měla plynout vždy jen jedna informace. Zejména obtížné se jeví formulování otázek tak, aby nepůsobily navádějícím způsobem, sugestivně. Získané výsledky byly publikovány31). 4.2.1 Zjišťování stavu v roce 2006 V roce 2006 byly získány a následně zpracovány dotazníky v počtu 244.(grafické zpracování je uvedeno v příloze č. 2a). V tomto roce nastoupila většina respondentů z gymnázií (42%), ze středních průmyslových škol přišlo 29% respondentů a ze středních odborných škol taktéž shodně 29%. Vzhledem k tomuto faktu není překvapující, že se většina respondentů věnovala studiu chemie 4 roky. Zarážející je fakt, že 16% respondentů nestudovalo chemii ani jeden rok, což se projevilo v odpovědích na otázky č. 5 a 6. Prokázala se rovněž nízká oblíbenost přírodovědných předmětů. Chemii mezi oblíbené předměty řadilo jen 8% respondentů. Souhrnným pohledem na dotazníky z roku 2006 můžeme dospět k některým závěrům: většina respondentů přišla z gymnázií a chemii studovali většinou 3, nebo 4 roky. Přes tento fakt, byla chemie málo oblíbeným předmětem a blok přírodovědných předmětů nemělo v oblibě 62% respondentů. Alarmujícím je, že pouze 6 dotazovaných z celkového počtu 244 si dokázalo vzpomenout na
24
demonstrační, nebo samostatně prováděný experiment. Vyvodit závěry z této skutečnosti by mohlo být zavádějící. Musíme vzít v úvahu neochotu respondentů odpovědět na otázku, ale i možnost, že na prováděné experimenty zapomněli. Grafické vyhodnocení dotazníků je v příloze 2a. 4.2.2 Zjišťování stavu v roce 2008 Pokles respondentů v roce 2008 na 86 může být vysvětlován nižším zájmem studentů o studium na FPE v studijním programu přírodovědná studia. Většina respondentů pocházela ze středních průmyslových škol (49%) a jen 12% ze středních odborných škol. Z gymnázií nastoupilo ke studiu z dotázaných 39%. V roce 2008 byla nejpočetnější skupina respondentů, kteří studovali chemii 4 roky (32%) a 8% déle než 4 roky. Pozitivní byl v tomto roce nárůst odpovědí na otázky č. 5 a 6. Celkem 19 respondentů si dokázalo vzpomenout a pojmenovat demonstrační, nebo samostatně prováděný experiment, ale s jeho chemickým popisem už měli potíže. Není tedy překvapující, že chemie byla oblíbená 10% respondentů. Nízký zájem studovat přírodovědné předměty a malá zkušenost s experimenty jen potvrzují domněnku, že experimentování je na středních školách prováděno neefektivním způsobem. Dalším možným vysvětlením může být nižší hodinová dotace na středních odborných a průmyslových školách, nevhodné prostory, špatné laboratorní vybavení atd. Grafické vyhodnocení dotazníků je v příloze č. 2b. 4.2.3 Zjišťování stavu v roce 2009 Počet respondentů v roce 2009 vzrostl na 142. Z celkového počtu respondentů přišlo 43% z gymnázií. Dále 32% ze středních průmyslových škol, 22% ze středních odborných škol. Počet studentů z gymnázií v tomto roce poklesl. I v tomto roce byla chemie stejně jako ostatní přírodovědné předměty značně neoblíbená. Je tedy potěšující skutečností, že počet respondentů, kteří si vzpomněli na experiment, narostl na 27. Jednalo se o různorodé odpovědi například: vyvíjení vodíku, reakce sodíku s vodou apod. Nárůst počtu odpovědí na otázky č. 5 a 6, může být vysvětlován zvětšením skupiny studentů z gymnázií, kde je hodinová dotace chemie 2 hodiny týdně a délka studia chemie obvykle 3 roky. Na většině gymnázií jsou pravidelně zařazována laboratorní cvičení a výhodou je i častá vybavenost laboratořemi nebo odbornými učebnami. Souhrn těchto skutečností může vysvětlit nárůst počtu odpovědí na otázky 5 a 6. Grafické zpracování dotazníků je v příloze č. 2c. 4.2.4 Zjišťování stavu v roce 2010 V roce 2010 bylo hodnoceno 144 dotazníků. Podíl příchozích studentů ze středních průmyslových a odborných škol vzrostl na 68%, což znamenalo pokles členů skupiny studentů 25
pocházejících z gymnázií na 28%. Ve srovnání s rokem 2009 je zde patrný pokles studentů z gymnázií. Je zajímavé, že 27% respondentů studovalo chemii 4roky. Alarmující skutečností zůstává, že 24% respondentů nestudovalo chemii ani jeden rok. Nízká hodinová dotace chemie na některých typech odborných a průmyslových středních škol je zarážející. Vzniká tak skupina studentů, kteří zůstávají bez hlubšího porozumění základním chemickým dějům se sníženým zájmem o studium přírodovědných předmětů. Není tedy překvapující, že 83% respondentů volilo neoblíbený předmět z přírodovědného bloku předmětů a pouze 5 respondentů si dokázalo vzpomenout na prováděný či demonstrační experiment. Ani jeden z dotázaných, kteří odpověděli na tuto otázku, nedokázal popsat chemický děj prováděného experimentu. Skutečnosti zjištěné v tomto roce jen podporují domněnku z let předcházejících o neefektivním využívání experimentů ve výuce. Příčiny tohoto stavu je třeba hledat v nevhodném laboratorním vybavení, nedostatku financí na provoz a někdy bohužel i v osobnosti učitele. Panuje obecné přesvědčení, že tak jak je pedagog experimentálně vzdělán, tak později působí i na svém budoucím pracovišti. Grafické zpracování viz příloha 2d. 4.2.5 Zjišťování stavu v roce 2011 V roce 2011 bylo vyhodnoceno 166 dotazníků. Z gymnázií pocházelo 42% a celkem 49% ze středních průmyslových a odborných škol. Průměrná délka studia chemie byla v tomto roce 3 – 4 roky (52%). Je zajímavé, že i přes početnou skupinu studentů z gymnázií, a tím i delší studium chemie, byla chemie uváděna jako druhý nejméně oblíbený předmět. Na nelichotivém prvním místě v neoblíbenosti figurovala matematika již od roku 2006. Pouze 7 respondentů si dokázalo vzpomenout na chemický experiment, přičemž ani v jednom případě nebyl popsán chemický děj. Nelichotivý stav odpovědí na otázky 5 a 6 vede k zamyšlení nad vhodnou experimentální přípravou budoucích pedagogů na vysokých školách. Při kritickém pohledu na experimentální vzdělávání v programu přírodovědná studia, lze konstatovat, že příležitostí k experimentálnímu vzdělávání je dostatek. Překážkou není ani materiální, nebo prostorové vybavení KCH FPE ZČU v Plzni. Otázkou zůstává, do jaké míry jsou studenti přírodovědných oborů schopni efektivně využít čas strávený v laboratořích a co si z něj do své budoucí praxe odnesou. Samostatnou kapitolou zůstává vybavení středních škol a dostatek finančních prostředků na provoz a nákup laboratorního vybavení. Grafické zpracování viz příloha 2e. 4.2.6 Porovnání zjištění z roků 2006 a 2010 Bylo rozhodnuto provést porovnání získaných informací z let 2006 a 2010. Interval 4 let byl zvolen záměrně a to na základě změny legislativy a také z toho důvodu, že 4 roky jsou dostatečně 26
dlouhá doba na změnu jedné generace studentů na středních školách. Porovnáním získaných informací z dotazníků, bylo možné vyvodit některé závěry. Do grafického zpracování byly zahrnuty předměty: chemie, matematika, fyzika a český jazyk. Vzhledem k pestrosti odpovědí, byla vytvořena skupina předmětů s názvem „další“, která zahrnuje cizí jazyky, zeměpis, dějepis, hudební výchovu, tělesnou výchovu. Počet dotazníků použitých k zpracování byl 244 v roce 2006 a 144 v roce 2010. Pokles počtu dotazníků v roce 2010 byl vysvětlován tím, že se někteří studenti rozhodli dotazník neodevzdat. Počet studentů z gymnázií klesl z 41% v roce 2006 na 28% v roce 2010. (graf 1) Téměř 30% respondentů studovalo chemii 4 roky v roce 2006 a 27% v roce 2010. (graf 2). Jediný rok, studovalo chemii v porovnávaných rocích shodně 25% respondentů. Z grafu č 3 lze zjistit, že obliba chemie vzrostla z 8% v roce 2006 na necelých 10% v r. 2010. Pro matematiku, je tento nárůst ještě výraznější z 12% na 23%. Shodně v obou rocích volilo 33% respondentů nejméně oblíbeným předmětem matematiku, následuje fyzika (15% v r. 2006 a 17% v r. 2010) a chemie (14% v r. 2006 a 5% v r. 2010, graf 4). Z celkového počtu respondentů v roce 2006 chtělo pokračovat v magisterském studiu 69 % a 31 % chtělo po ukončení studia nastoupit do praxe. V roce 2010 chtělo pokračovat ve studiu 79% respondentů a 21% nastoupit do praxe. 45,00% 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 2006 20,00%
2010
15,00% 10,00% 5,00% 0,00% Gymnázia
SZŠ
SOŠ
SPŠ
Graf 1 Absolvovaná střední škola
27
35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 2006 15,00%
2010
10,00% 5,00% 0,00% 0 roků
1 rok
2 roky
3 roky
4 roky
4 a více let
Graf 2 Délka studia chemie 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 2006
40,00%
2010 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% CH
M
F
Čj
Další
Graf 3 Nejoblíbenější předmět
28
50,00% 45,00% 40,00% 35,00% 30,00% 2006
25,00%
2010
20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% CH
M
F
Čj
Další
Graf 4 Nejméně oblíbený předmět 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 2006 40,00%
2010
30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Praxe
Mgr. Studium
Graf 5 Po ukončení bakalářského studia
29
4.3 Experimentální činnost v přípravě budoucích učitelů chemie Od 2. semestru studia studenti bakalářského studijního programu Přírodovědná studia, obor chemie se zaměřením na vzdělávání prochází systematickou experimentální přípravou v rozvrhovaném studiu a tato činnost pokračuje i ve studiu navazujícím. Vedle rozvrhované experimentální činnosti je řada dalších možností, ve kterých studenti mohou získávat experimentální zkušenosti. Na dalších stránkách budu situaci uvádět jednak z pohledu absolventa tohoto studia z let 2002 - 2006, jednak z pohledu doktoranda, který katedru chemie využíval jako detašované pracoviště při realizaci svých experimentálních aktivit a plnění svých pedagogických povinností. Z tohoto důvodu se poněkud obšírněji budu zabývat kapitolou 4.3.1.3., neboť jsem se účastnil vedení laboratorních cvičení z organické chemie. Na organickou chemii jsem se orientoval již jako student KCH FPE ZČU v Plzni. Proto jsem i diplomovou práci vypracoval v oblasti přírodních látek. 4.3.1 Experimentální činnost v rozvrhované výuce V rámci studia jsou vedle teoretických předmětů do výuky postupně zařazována jednotlivá laboratorní cvičení (viz kap. 4.3.1.1. až 4.3.1.8.), která na sebe navazují a využívají zkušenosti z předešlých cvičení. Proto je jako první zařazeno cvičení 4.3.1.1., které je jakýmsi vstupem na další, již specializovanou experimentální dráhu všech budoucích absolventů bakalářského a následně i magisterského studia. Získané zkušenosti potom studenti mohou uplatnit a rozvíjet i v dalších činnostech (viz kapitola 4.3.2.) 4.3.1.1 Chemické laboratorní metody Jedná se o cvičení, kde se musí předpokládat, že někteří studenti budou získávat první zkušenosti s prací v chemické laboratoři, které budou dále rozvíjené v dalších specializovaných cvičeních. Studenti se zde seznamují se základním vybavením laboratoře, s bezpečností práce v chemické laboratoři, se zpracováním základních materiálů. Zvláštní pozornost je věnována práci se sklem, korkem a pryží. Studenti se seznamují s váhami a vážením, způsoby odměřování kapalin a zjišťování základních fyzikálních konstant látek. V souvislosti s tím je zařazena i práce s hustoměrem, pyknometrem a stanovení teploty tání pevných látek. Součástí cvičení je příprava roztoků žádaného složení a práce s nimi. Zvláštní cvičení je věnováno čistícím operacím (krystalizace, destilace, sublimace). Samostatné cvičení je věnováno práci s plyny. Studenti jsou teoreticky na jednotlivá cvičení velmi dobře připravováni, jsou předem seznamováni s pracovními návody a odkazováni na příslušnou literaturu. Jako základní jsou uváděna skripta Přírodovědecké fakulty UK v Praze32), doporučeny jsou i další materiály33-35). 30
4.3.1.2. Laboratorní cvičení z anorganické chemie Toto cvičení navazuje na Chemické laboratorní metody a plně využívá již nabyté zkušenosti. S využitím doporučené literatury36-38) studenti připravují preparáty anorganických sloučenin základními postupy anorganické preparativní chemie - neutralizací, rozpouštěním kovů a oxidů v kyselinách, srážecími reakcemi, preparacemi za užití plynů, redox reakcemi, izolacemi preparátů z tavenin. Každá práce je uzavřena zpracováním protokolu, který zahrnuje princip, postup práce, výpočty a závěr se zhodnocením.
4.3.1.3. Laboratorní cvičení z organické chemie Do tohoto cvičení přicházejí studenti, kteří absolvovali cvičení 4.3.1.1. a 4.3.1.2. Jedná se o vysoce náročné cvičení, které ve vymezeném čase 4 hodin týdně studenty seznámí s maximem experimentálních specifik organické chemie. Časové i materiální hledisko je optimalizováno vyváženou
kombinací
metod
užívaných
historicky
v makrotechnice 39,40)
semimikrotechniky. Z důvodu úspory materiálu jsou i návody makrotechniky
s metodami využívány
převážně ve snížených navážkách vstupních chemikálií. V průběhu let se podařilo vytvořit současný program laboratorních cvičení, který plně využívá již v předchozích cvičeních nabyté zkušenosti a optimalizuje využití časových možností ve vztahu k pestrosti experimentálních činností v organicko - chemické laboratoři se zaměřením na potřeby budoucích učitelů chemie. Z důvodu úspory používaného nádobí i využití pracovní doby je cvičení organizováno do šesti osmihodinových bloků, které jsou zařazeny jedenkrát týdně, a v polovině semestru se celý cyklus opakuje. První cvičení tohoto cyklu je věnováno bezpečnosti práce v chemické laboratoři, úvodu do semimikrotechniky, kde jsou zhotovovány jednoduché pomůcky41). Zde jsou studenti seznamováni s metodami zjišťování čistoty látek (chromatografické metody, stanovení teploty tání). V tomto cvičení je rovněž demonstrována funkce ozonizátoru. Druhé až šesté cvičení je zaměřeno na přípravu sloučenin v pořadí ethyl-acetát, kyselina adipová a kyselina benzoová, nitrobenzen, o- a p-nitrofenol. Tyto práce provádí každý student a byly do programu zařazeny cíleně takto: Zařazení přípravy ethylacetátu jako první práce je výhodné z mnoha důvodů. 1) Výchozí sloučeniny, kyselina octová i ethanol jsou snadno dostupné, relativně levné chemikálie, známé všem studentům již z počátků studia chemie.
31
2) Esterifikační reakce je studentům vykládána již na střední škole a v organické chemii na vysoké škole byl esterifikační proces probrán i s mechanismem. Volba reakčních podmínek s ohledem na skutečnost, že jde o reakci rovnovážnou, je studentům rovněž známa. 3) Porušení reakčních podmínek např. přehřátím reakční směsi na dehydratační teplotu ethanolu studenti teoreticky chápou a snadno pochopí možnost snížení výtěžku reakce právě z tohoto důvodu. 4) Vlastní provedení práce umožňuje aplikaci řady operací, při kterých se studenti mohou seznámit s používáním technického vybavení laboratoře: a) Mírnou modifikací destilační aparatury, se kterou se seznámili již dříve (kap. 4.3.1.1.) zhotoví potřebnou reakční aparaturu. b) Přesto, že ve vybavení stolů je k dispozici nádobí zábrusové, zde je záměrně použito nádobí nezábrusové, což vyžaduje nutnost práce s korkovými nebo gumovými zátkami včetně manipulace s korkovrtem. c) Odměřování malého množství koncentrované kyseliny sírové a její převedení do frakční baňky nutí studenty k pečlivosti a dodržování bezpečnosti práce. d) Výběr dělicí nálevky vyžaduje mimořádnou péči. Student si musí před použitím vyzkoušet její těsnost pomocí ethanolu (voda je nežádoucí vzhledem k chemismu reakce). e) Protože při vlastní reakci je zahřívání v olejové lázni nahrazeno vzdušnou lázní, která je realizována vložením posuvné síťky mezi reakční baňku a plamen plynového kahanu, musí student věnovat větší pozornost udržování teploty na optimální hodnotě (hrozí zde větší riziko přehřátí na dehydratační teplotu ethanolu - teploměr sahá ke dnu baňky, v baňce je varný kamínek z důvodu zabránění utajeného varu). Funkce varného kamínku musí být řádně vysvětlena. f) Po ukončené reakci se student seznámí s dalšími operacemi spojenými s izolací reakčního produktu podle použitého návodu40). Následuje neutralizace nezreagované kyseliny octové v destilátu, prováděná zpočátku v odzátkované dělicí nálevce postupným přidáváním připraveného roztoku uhličitanu sodného vždy po ukončení bouřlivé reakce, oddělení organického podílu a jeho další zpracování podle použitého návodu. Zcela nově se zde studenti seznamují se sušením organické s vodou nemísitelné kyseliny (ethylacetátu) pevným sušidlem (chloridem vápenatým). Jedná se o operaci, která bude využívána i v dalších cvičeních, proto musí být prováděna velmi pečlivě s patřičným vysvětlením. Tato etapa práce je tak závažná, že je vhodné, aby byla studentům vyučujícím demonstrována. Konečná destilace produktu je prováděna s použitím zábrusové aparatury vyhřívané laboratorním topným hnízdem. Následuje správný postup oddělení obou kapalin po vytvoření ostrého rozhraní. Význam 32
nutnosti pečlivého oddělení obou vrstev je vhodné demonstrovat kápnutím roztoku chloridu vápenatého do odpuštěné kapaliny. Další dvě práce, přípravu kyseliny benzoové a přípravu kyseliny adipové již neprovádí všichni studenti současně, ale polovina z nich začíná podle návodů39,40), ale v polovičním množství s kyselinou adipovou v digestoři (makrotechnikou) a druhá část s kyselinou benzoovou (semimikrotechnikou) na laboratorním stole. Tyto dvě práce umožňují srovnání některých operací prováděných v makroměřítku a semimikroměřítku. Pro obě práce je společné to, že kapalná látka je oxidována na pevný produkt. Obě práce začínají v makroměřítku. Příprava kyseliny adipové probíhá v makroměřítku až do konce, příprava kyseliny benzoové v závěrečné fázi přechází na semimikrotechniku. Nitrace benzenu a nitrace fenolu jsou zařazeny jako dvě principiálně podobné preparace (SE – substituce), probíhající za výrazně odlišných podmínek s odlišnou náročností na izolaci reakčních produktů. Zatímco izolace nitrobenzenu končí klasickou, studentům již známou destilací, zpracování produktu nitrace fenolu vyžaduje zařazení destilace s vodní párou k oddělení onitrofenolu a následné zpracování destilačního zbytku na p-derivát. Konečná izolace p-nitrofenolu zahrnuje kromě jiného filtraci za horka s použitím aktivního uhlí. Již při seznamování studenta s programem celého šestitýdenního cyklu jsou zadávány práce z oblasti přírodních sloučenin39,40). Ze čtyř přírodních látek je každému studentovi přidělena jedna izolace tak, aby byla každá z uvedené nabídky zadána alespoň jedenkrát. Tyto práce si už od třetího cvičení studenti začleňují do svého programu individuálně s tím, že s důležitými etapami seznamují ostatní členy skupiny. Výběr izolací není náhodný. Ve všech případech (izolace betulinu, kapsaicinu, kofeinu i piperinu) je práce zahájena extrakcí, která má různé podoby. V případě izolace kofeinu se v podstatě jedná o přípravu silného čaje. Rozpouštědlem je zde voda. U kapsaicinu je extrakce prováděna opakovaným vytřepáváním rozdrceného materiálu (papriky) etherem za studena. U zbývajících sloučenin (betulinu a piperinu) je extrakce prováděna kontinuálně za horka ethanolem v Soxhletově extraktoru. V dalším se izolační postupy vzájemně liší. Jejich přínos spočívá v některých operacích, které jinde použity nejsou. Pro přípravu betulinu z extraktu březové kůry je charakteristické využití tenkovrstvé chromatografie bezbarvých látek s následnou detekcí (zviditelněním), které je demonstrováno ve srovnání s tenkovrstvou chromatografií barevných látek v podobě extraktu papriky při přípravě kapsaicinu. Pro přípravu piperinu z pepře je charakteristické zařazení vakuové destilace a filtrace na Willstäterově jehle. Při zpracování silného čaje na kofein je vedle vytřepávání do chloroformu významné zařazení zpětné filtrace a využití balonkové techniky.
33
Pro celý cyklus preparací a izolací je významné to, že tak jako je tomu i v ostatních laboratorních cvičeních (4.3.1.1. až 4.3.1.8.) je studentem zpracováván shrnující protokol, jehož součástí je charakterizace všech připravených pevných sloučenin hodnot teploty tání, získané na bodotávku s teploměrem.
4.3.1.4. Laboratorní cvičení z biochemie Jedná se o cvičení, ve kterém studenti uplatní své experimentální znalosti nabyté v průběhu předcházejících laboratorních cvičení s respektem některých specifických vlastností bílkovinného materiálu. S využitím doporučené literatury42-44) a přímo dodaných pracovních návodů studenti absolvují některé důkazové reakce z oblasti sacharidů a bílkovin a těžiště práce spočívá v izolacích a reakcích enzymů. Při těchto pracích studenti aplikují dřívější znalosti ze základů analytické chemie (titrační metody) a nově se seznamují s některými speciálními metodami přístrojové analýzy.
4.3.1.5. Laboratorní cvičení z fyzikální chemie S využitím literatury45) a pro účely cvičení vypracovaných návodů studenti absolvují cvičení z oblasti fázových rovnováh, fyzikální chemie povrchů, termodynamických vlastností homogenních směsí, reakční kinetiky a elektrochemie. Z těchto oblastí jsou zpracovány konkrétní úlohy, které absolvuje každý student. Úlohy na závěr zpracuje ve formě protokolu s předepsanou úpravou. Jedná se o tyto úlohy:
Stanovení rozdělovacího koeficientu
Fázový diagram třísložkového systému
Adsorpce na aktivním uhlí
Stanovení dodatkového objemu
Určení reakčního řádu
Měření elektrické vodivosti
4.3.1.6. Laboratorní cvičení z analytické chemie V tomto cvičení studenti prokáží své teoretické znalosti z analytické chemie, praktické dovednosti z předchozích laboratorních cvičení a seznámí se se systematickou prací analytického chemika. Celé praktikum je organizováno do šesti cvičení takto: 1) cvičení je věnováno kvalitativní analýze vybraných kationtů; 34
2) cvičení
je věnováno
kvalitativní
analýze vybraných
aniontů a analýze
kombinovaných vzorků; 3) cvičení je věnováno vážkové analýze (stanovení železa a niklu); 4) a 5) cvičení je věnováno odměrné analýze (acidometrie, alkalimetrie, argentometrie, manganometrie, jodometrie, komplexometrie); 6) cvičení
je
věnováno
elektrochemickým
metodám
(potenciometrická
a konduktometrická titrace) a optickým metodám (refraktometrie a fotometrie). Při teoretické přípravě studenti využívají doporučenou literaturu46-49). Všechna cvičení končí předepsaným způsobem zpracovaným protokolem.
4.3.1.7. Technika a didaktika školních pokusů Jedná se o dvousemestrální cvičení, které transformuje v bakalářském studiu nabyté experimentální zkušenosti (4.3.1.1. až 4.3.1.6) do didakticky vedených experimentů pro potřeby ZŠ a SŠ. Studenti zde prokazují teoretické znalosti potřebné k vysvětlení průběhu jednotlivých experimentálních dějů, zvládnutí základních laboratorních technik a získávají dovednosti spojené s demonstrací experimentů při výuce chemie na obou typech škol (ZŠ a SŠ). Vedle experimentů uváděných v klasické literatuře50-53) jsou zařazovány i další experimenty z oblasti zajímavé chemie54,55). Absolventi tohoto cvičení by měli mít schopnost kvalifikovaně modifikovat experimentální doplnění teoretické výuky chemie pro aktuální situace vznikající při výuce na ZŠ nebo SŠ.
4.3.1.8. Laboratorní cvičení z instrumentální analýzy Cílem tohoto předmětu je praktické seznámení studentů s vybranými separačními, optickými a elektrochemickými metodami v návaznosti na předmět instrumentální analýza. Výběr experimentů je dán přístrojovou základnou a souvisí s výzkumnou orientací pracoviště. Na jednotlivá cvičení jsou vypracované konkrétní návody s doporučením další literatury56-58). Práce jsou aktuálně modifikovatelné. V současné době jsou nabízena tato cvičení:
Polarografie (stanovení vybraných těžkých kovů).
Kapalinová chromatografie (HPLC).
Potenciometrie (stanovení fluoridů).
Absorpční spektrofotometrie ve viditelné oblasti (kvalitativní a kvantitativní analýza směsi kovů).
35
UV spektrofotometrie (stanovení dusičnanů ve vodě).
IR spektrometrie (identifikace organických sloučenin). Polarimetrie (stanovení sacharosy).
Plynová chromatografie (kvalitativní a kvantitativní analýza směsi aromatických uhlovodíků).
Z uvedených cvičení si studenti vybírají šest, která absolvují a zpracují formou protokolu, který splňuje předem předepsané požadavky. 4.3.2 Další možnosti experimentální práce Možnosti studentů k další experimentální činnosti na jednotlivých vysokých školách jsou různé a souvisí s vybaveností jednotlivých pracovišť, se zaměřením vysokoškolských pracovníků a výzkumnými programy pracovišť. Katedra chemie FPE ZČU v Plzni umožňuje individuální rozvoj experimentální práce studentů v mnoha směrech. Souvisí to s dobrým přístrojovým vybavením i snahou učitelů studenty k individuální práci motivovat. V oblasti atraktivního experimentu mají možnost zapojení prakticky všichni studenti chemie v rámci přípravy a vlastní realizace akcí popularizujících chemii. Jedná se velmi často o experimenty, které vycházejí principiálně z teoreticky probírané látky ověřené v některém z výše uvedených laboratorních cvičení (4.3.1), které mohou rozšířit a modifikovat experimenty laboratorního cvičení 4.3.1.7. 4.3.2.1 Atraktivní experiment Většina experimentů umožňuje více modifikací. Příklady budou uvedeny dále (viz kap. 4.3.2.2). Z uvedených příkladů je zřejmé, že významným prvkem prováděného experimentu je jeho atraktivita. Někdy se jedná o změnu barvy, jindy o světelný či zvukový efekt. Pokus může být atraktivní i z jiných důvodů, například vznik nových velkých krystalů, reakční průběh připomínající erupci sopky, růst hada apod. Společným rysem těchto experimentů je jejich mimořádnost, kterou můžeme obecně označit slovem atraktivita. Experimenty budou prováděny většinou demonstračním způsobem. Není vyloučeno žákovské (studentské) provedení, které musí vycházet z učitelova poznání schopností žáků a materiálního vybavení školy. Jestliže se rozhodneme využít atraktivní experiment pro motivaci studentů, budeme z hlediska struktury experimentu, (viz kapitola 2.2.1) zanedbávat první dvě fáze a soustředit se na třetí a čtvrtou. Další možnost atraktivního experimentu spočívá ve využití všech fází struktury experimentu s cílem získání nových empirických poznatků, které se transformují ve znalosti.
36
Jedním z příkladů může být pokus s přípravou vodíku reakcí zinku a kyseliny chlorovodíkové. V neatraktivní variantě se jedná o pokus rozpouštění kovů v kyselinách za vzniku vodíku, který může být zapálen u hrdla kapiláry. V atraktivní variantě je vodík najímán do plechovky od piva jež má ve svém dně malou díru. Plechovka je umístěna na položenou skleněnou tyčinku tak, aby byla stále dnem vzhůru, k malé dírce přiblížíme zapálenou špejli. Směs vodíku a kyslíku prudce shoří, což je doprovázeno zvukovým efektem a plechovka vyletí vzhůru. Další neméně zajímavým experimentem je reakce sodíku s vodou, která probíhá podle chemické rovnice 2 Na + 2 H2O
2 NaOH + H2.
V první variantě experimentu je malý kousek sodíku umístěn do krystalizační misky s vodou, která obsahuje několik kapek fenolftaleinu. Sodík se pohybuje po povrchu vodní hladiny se syčivým zvukem a vznikající hydroxid sodný se projevuje změnou barvy roztoku v misce na růžovou. Tento jistě zajímavý experiment, může nabídnout studentům pohled na chemické vlastnosti alkalického kovu. Je jen na vyučujícím aby zdůraznil bezpečnost práce při přípravě a krájení sodíku. Atraktivní varianta experimentu vychází ze stejného principu s tím rozdílem, že reakce je prováděna v odměrném válci. Do válce je nalita voda s několika kapkami fenolftaleinu a je přilito stejné množství toluenu a vhodíme malý kousek sodíky vytvarovaného do kulatého tvaru. Sodík klesá toluenem, až se dotkne hladiny vody, s níž začne reagovat, obalí se uvolňovaným vodíkem a začne stoupat k hladině. Zde se vodík uvolní a sodík začne opět klesat. Výsledkem je pohyb sodíku mezi hladinou vody a hladinou toluenu. Vznikající hydroxid sodný je prokazován změnou barvy vodného roztoku na růžovou. Zajímavý experiment zaměřující se na oxidační vlastnosti látek může být například reakce chlorečnanu draselného s gumovým medvídkem. Chlorečnan draselný je silné oxidační činidlo a bouřlivě reaguje s organickými látkami. Nasypeme jej do zkumavky asi tak 1 cm. Zkumavku upevníme do stojanu a chlorečnan opatrně roztavíme. Opatrně vhodíme do zkumavky část gumového medvídka. Reakce je silně exotermická doprovázená bručivým zvukem, jasným světlem a vyvíjením dýmu. Reakci je nutné provádět v digestoři, nebo dobře větrané místnosti. Někdy je reakce tak bouřlivá, že se zkumavka může roztavit a odpadnout, nebo prasknout, proto pod zkumavku umisťujeme misku s pískem. Experiment je vhodné provádět demonstračně. Rozdíl mezi běžným experimentem a atraktivním experimentem lze dobře demonstrovat na pokusu s přípravou kyslíku a využitím v dalších pokusech. Jedním z pokusů na přípravu kyslíku je rozklad peroxidu vodíku oxidem manganičitým. Vznikající kyslík je v Erlenmeyerově baňce prokázán vzplanutím doutnající špejle. Atraktivní varianta využívá na přípravu kyslíku reakci manganistanu draselného a peroxidu vodíku v kyselém prostředí. Vznikající kyslík je pneumaticky 37
jímán do válce. Ve válci s kyslíkem se poté provádějí samotné experimenty například spalování železa. Malý kousek rozžhavené žiletky se vloží na spalovací lžičce do válce s kyslíkem. Probíhající prudká oxidace železa je doprovázena jasným plamenem. Experiment probíhá velmi rychle a nabízí studentům pohled na oxidaci kovů. 4.3.2.2 Zájmová činnost studentů Tato skupina experimentálních možností je velmi pestrá. Vychází ze základního zájmu studentů o práci v laboratoři a jejich rozhodnutí a ochoty této práci věnovat čas. Rozhodující je také to, zda se tento zájem setká i se vzájemnou shodou s vyučujícím na konkrétním tématu. V ideálním případě je tento soulad korunován zapojením do výzkumných programů katedry a vrcholí řešením bakalářské či diplomové práce. Vzhledem k dlouhodobému zapojení katedry chemie do výzkumu triterpenů, není překvapením, že někteří studenti si volí bakalářské a diplomové práce z této oblasti přírodních látek. Jedná se o téma řešené na katedře historicky59-70). Jedním z příkladů může být mnou uskutečněná diplomová práce na téma: “Izolace a přeměny 23-hydroxybetulinu“, jejíž didaktická aplikace byla publikována71). Další velmi významná témata řešených prací souvisí se spoluprací katedry s průmyslovými podniky72-80). Svůj význam má i stále řešené téma konstrukce a využití ozonizátorů. Toto téma má svoji historii81,82) a na katedře chemie mu bylo věnováno mnoho pozornosti63,83,84) a řešení je aktuální i v současné době85). Zapojení studentů do experimentální činnosti se promítá i do dalších témat diplomových a bakalářských prací. Velmi významná je oblast výukových experimentů, které velmi často souvisí s již uvedenými problémy. V některých případech jsou specifické pro aktuálně řešené otázky86-88). V poslední době je věnována pozornost i experimentům s podporou počítače89,90). Protože katedra chemie již historicky klade důraz na experiment, je málo oblastí chemie, kterých se zadávání a řešení kvalifikačních prací nedotklo.
4.3.2.2.1 Izolace a přeměny 23-hydroxybetulinu Jedná se o komplexně řešený úkol, který již při svém zadání zahrnoval jasně formulované dílčí úkoly: 1) Nastudovat a procvičit základní postupy semimikrotechniky. 2) Seznámit se s pracemi, které se zabývají studiem složení kůry jeřábu obecného. 3) Navrhnout a ověřit průběh reakčních přeměn 23-hydroxybetulinu a jeho derivátů. Na základě tohoto zadání, jsem si musel rozšířit a ověřit další experimentální techniky nad rámec základního laboratorního cvičení z organické chemie. Jednalo se především o metody semimikrotechniky včetně chromatografických metod užívaných pro izolace (sloupcová 38
a preparativní tenkovrstvá chromatografie) i identifikace izolovaných sloučenin (tenkovrstvá chromatografie). V souvislosti se studiem izolovaných sloučenin jsem se seznámil i s teorií i experimentální technikou IČ spektroskopie. Na základě pozorování chování betulinu (I) a 23hydroxybetulinu (II) při jeho izolaci jsem si prakticky ověřil vliv další hydroxylové skupiny. U 23hydroxybetulinu vzrůstá rozpustnost v polárních rozpouštědlech. Vliv této hydroxyskupiny se projevuje i při měření IČ spekter, kde se vedle pásu volné hydroxylové skupiny v oblasti 3600cm-1 objevuje i pás asociovaného hydroxylu 3490cm-1. Získané experimentální zkušenosti jsem později ocenil i při experimentální činnosti v rámci své disertační práce i při vedení laboratorních cvičení z organické chemie.
I
II 4.3.2.2.2 Tenkovrstvá chromatografie Chromatografie91-93) pro svou jednoduchost a materiálovou dostupnost nachází široké použití v různých chemických disciplínách a je využívána k identifikaci látek, analýze reakční
39
směsi, kontrole čistoty apod. Své uplatnění nachází chromatografie také v lékařství, farmacii, toxikologii a dalších oborech. Chromatografie je založena na procesu rozdělení složek směsi mezi dvě navzájem nemísitelné fáze. Stacionární fázi může tvořit tuhý sorbent (adsorpční chromatografie) nebo kapalina zakotvená na tuhém nosiči (rozdělovací chromatografie). Mobilní fází může být kapalina nebo plyn. V četných publikacích, které jsou chromatografii věnovány, je možné se setkat s různými typy chromatografie. Jednou z nich je chromatografie na tenké vrstvě (Thin Layer Chromatography) dále jen TLC. Tenkovrstvá chromatografie (TLC) svojí jednoduchostí a rychlostí provedení představuje jednu z téměř ideálních experimentálních metod vhodných pro výukové účely. Jedná se o metodu v otevřeném systému v plošném uspořádání. TLC představuje jednoduchou, přesto velmi účinnou metodu. Její podstatou je rozdělení složek směsi na základě jejich odlišné interakce se sorbentem, který je nanesen v tenké vrstvě na podložce. Mobilní fází je v tomto případě rozpouštědlo o vhodně zvolené polaritě. Volba vhodného rozpouštědla a stacionární fáze je otázkou značné zkušenosti a metody pokus-omyl. TLC92,94-96) slouží jak ke sledování průběhů reakcí, tak i k potvrzování přítomnosti a čistoty produktů. Průběh TLC také poskytuje důležité informace pro volbu mobilní fáze pro vyvíjení sloupcové chromatografie. Stacionární fáze u tenkovrstvé chromatografie bývá nanesena na destičku z hliníku, nebo skla. Pro přípravu vlastních destiček je nejlepším materiálem sklo (mikroskopická podložní sklíčka). Jako stacionární fáze se většinou používá silikagel s příměsí pojiva. Nejčastěji je to kolem 5% sádry nebo škrobu. Výhodou sádry je možnost detekce vypálením na vařiči. Připravují se nanesením suspenze adsorbentu ve vodě na sklíčka Po použití je možné sklíčka omýt a použít znovu. V současnosti jsou dostupné komerční fixované vrstvy na hliníkových nosičích. Je možné je stříháním upravit na požadovanou velikost. Vlastní chromatografie se provádí vzestupným způsoben, kdy fixovaná vrstva stojí v mobilní fázi. Sorbenty i ostatní materiály pro přípravu tenkých vrstev musí splňovat řadu požadavků, pokud jde o čistotu, zrnitost a další vlastnosti92). Sorbenty jsou tuhé látky schopné vázat na svém povrchu jiné sloučeniny v kapalné nebo plynné fázi působením fyzikálních nebo chemických sil (interakce van der Waalsovy, dipól-dipól, vodíková vazba, elektrostatické interakce). Důležitou vlastností sorbentů je jejich aktivita. Vysoce aktivní sorbent poutá látky tak silně, že zůstanou fixovány na startu. Naopak málo aktivní sorbent látky téměř nepoutá a ty postupují s čelem elučního činidla. Pro látky polárnější je vhodné použít sorbent méně aktivní, naopak pro látky málo polární je nezbytné zvolit sorbent s velkou aktivitou.
40
Nejčastějším sorbentem používaným v chromatografii na tenké vrstvě je silikagel. Pro adsorpční chromatografii se používá v aktivované formě a po částečné deaktivaci jej lze použít i pro chromatografii polárních látek, které by na jiných sorbentech (např. oxid hlinitý) mohly být poutány příliš pevně. Struktura silikagelu je tvořena sítí vazeb Si-O, obr. 1, na jejímž povrchu jsou umístěny volné hydroxylové skupiny.
Obrázek 1 Tyto skupiny mohou prostřednictvím vodíkových můstků vázat molekuly vody nebo vytvářet vodíkové vazby. Chromatografie se provádí nanesením vzorku pomocí kapiláry na start destičky. Nanáší se i standard testované látky, pokud je k dispozici. Start na tenké vrstvě je obvykle umístěn minimálně 5mm nad spodním okrajem. Mezi jednotlivými vzorky by měla být mezera také 5mm. Vzorky se před nanášením musí zředit (1 – 2 %). Častou chybou bývá vysoká koncentrace nanášeného vzorku. Výsledkem jsou pak příliš velké skvrny, které se špatně hodnotí a interpretují. Po nanesení všech vzorků se nechá rozpouštědlo krátce zaschnout a destička se umístí do vyvolávací nádobky s mobilní fází. Množství rozpouštědla musí být takové, aby start destičky nebyl ponořen pod hladinu mobilní fáze. Po celou dobu chromatografie musí být vyvolávací nádobka uzavřena, aby nedocházelo ke vzlínání par a tím k nežádoucím okrajovým efektům, které nepříznivě ovlivňují dělení (deformace tvaru stop a dráhy, po kterých se pohybují). Chromatografie se ukončuje, jestliže čelo mobilní fáze dosáhne několik mm pod okraj destičky. Poté se destička vyjme a zhodnotí se chromatogram. Při chromatografii barevných látek můžeme ihned odečíst chromatogram. Bezbarvé látky je třeba nějak zviditelnit. Jednou z možností je obsah fluorescenčního indikátoru v adsorbentu. Při ozáření UV lampou se pak stopy jeví jako tmavé skvrny na světlém pozadí. Další možnost je vypálení na elektrickém vařiči. Organické látky se projeví jako tmavé skvrny. Pokud se destička před vypálením postříká z rozprašovače 10% kyselinou sírovou, detekce se ještě zlepší. Tento postup se však nedá použít pro destičky, kde je jako pojivo stacionární fáze použit škrob. Po detekci kyselinou by ztmavla celá plocha destičky a její odečtení by bylo nemožné. Někdy se
41
k detekci používá postřik činidlem, které s detekovanou látkou reaguje za vzniku barevné sloučeniny. Příkladem je postřik aminokyselin ninhydrinem. Vzdálenost, kterou skvrna urazí při analýze na TLC závisí na dvou faktorech: na polaritě látky a na polaritě rozpouštědla. Při použití daného rozpouštědla o dané polaritě jsou polárnější látky zachytávány polárními skupinami silikagelu nebo jiného sorbentu. Naproti tomu látka o dané polaritě urazí větší vzdálenost při použití rozpouštědla s vyšší polaritou, zároveň však dochází k většímu rozmývání látky. Vzdálenost, kterou látka urazí na dané destičce v daném rozpouštědle je tedy nepřímo úměrná její polaritě a její hodnota se udává pomocí veličiny Rf (retardační faktor), která je dána rovnicí R f
a , kde význam písmen a, b je zřejmý z obr. 2. b
Obrázek 2 Detekovaná TLC pro výpočet Rf Rozpouštědla vhodná pro danou chromatografii jsou většinou zjišťována metodou pokusomyl. Při volbě rozpouštědel se vychází z elutropické řady. Zde jsou rozpouštědla řazena dle stoupající hodnoty relativní permitivity, což je míra schopnosti rozpouštědla působit jako izolátor elektrického náboje. Pro dělení látek na TLC se zpravidla volí taková směs rozpouštědel, kdy jsou všechny složky vzorku ještě rozpustné. Dalším faktorem je síla vazby na adsorbent. Pokud jsou složky směsi vázány příliš pevně, zůstávají na startu. Když jsou vázány slabě, jsou unášeny s čelem rozpouštědla. Oba případy pak znemožňují hodnocení chromatogramu. Nejlepší je zvolit takovou směs, kdy jsou složky směsi vázány středně silně a můžou se u nich uplatnit rozdíly v jejich Rf. V některých případech se směs dělí jen při použití málo polárních rozpouštědel. V těchto případech je rozdíl Rf malý. Je proto vhodné použít několikanásobné vyvinutí TLC. Po normálním vyvinutí se destička vyjme, nechá se vyschnout a opět se vloží do vyvolávací nádoby. Hodnocení stop na TLC se provádí subjektivním porovnáním. Na TLC se nanáší testovaný vzorek a standard. Po vyvinutí a detekci se stopy vzájemně porovnají. Celý postup je zřejmý z příkladu tenkovrstvé chromatografie extraktu březové kůry, která je součástí izolace betulinu prováděné v laboratorních cvičeních organické chemie na katedře chemie FPE ZČU v Plzni obr. 3
42
Obrázek 3 TLC extraktu březové kůry se standardem (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, nhexan-ethylacetát 10:3, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1, 3, 5 betulin 2
odparek matečného roztoku
4
krystalický podíl extraktu
Z uvedeného obrázku je patrné využití TLC k identifikaci látek porovnáním se standardem. Na pozicích 1, 3, 5 byl betulin, na pozici 2 byl nanesen vzorek matečného roztoku po krystalizaci a na pozici 4 byl nanesen krystalický podíl extraktu. Je patrné jak velký čistící účinek má krystalizace. Na pozici 4 převládá betulin se stopou lupeolu, na 2. pozici se hromadí doprovodné příměsi. V literatuře věnované didaktice chemie, je popsána řada příkladů použití tenkovrstvé chromatografie ve výuce chemie, zvláště organické chemie97-100). 4.3.2.2.3 Preparativní tenkovrstvá chromatografie V rámci řešení ozonizací nenasycených sloučenin, bylo využíváno různých izolačních technik. Jednou z nich byla i výše jmenovaná preparativní tenkovrstvá chromatografie. Výhody preparativní tenké vrstvy jsou spatřovány v možnosti rozdělit experiment do několika dílčích kroků. V každém kroku je možné experiment přerušit a navázat na něj při další příležitosti. Příprava tenké preparativní vrstvy je první fází experimentu. Druhá fáze je nanesení vzorku na start tenké vrstvy a vyvíjení. Třetí fází je detekce např. odporovým drátem a seškrábnutí do sloupečků, promývání do konstantní hmotnosti. Poslední fází je porovnávání produktů na TLC. Preparativní
TLC
se
od
analytické
liší
především
ve
velikosti
používaných
chromatografických desek. Obvykle to jsou rozměry 20 na 20cm přičemž tloušťka vrstvy bývá 3mm. Vrstva může být sypaná, nebo litá s pojivem nebo bez pojiva. Sypané i lité vrstvy nanášíme 43
pomocí vhodných nanášeček. Používá se často skleněná tyčinka omotaná na okrajích lepenkou, která vymezuje tloušťku vrstvy. Dobrých úspěchů při přípravě lité vrstvy dosáhneme tak, že potřebné množství adsorbentu (obvykle 20g silikagelu) ve směsi s vodou vlijeme na preparativní vrstvu. Po hrubém rozprostření dosáhneme vytvoření souvislé vrstvy poklepem prstů na spodní stranu, při jejím současném naklánění ve všech směrech. Nanesenou vrstvu je nutné nechat dobře vyschnout. Další rozdíl od analytické TLC spočívá v nanášeném množství dělené směsi látek. Na preparativní vrstvu nanášíme koncentrovaný roztok tak, aby vznikl 3 až 4mm silný, souvislý proužek přibližně 2cm od okraje desky. K nanášení se používá skleněný balónek. K vyvíjení chromatogramu přistoupíme až po důkladném zaschnutí startu. Jako vhodná vyvíjecí nádoba poslouží skleněné akvárium vhodné velikosti. I zde se musí nádoba během vyvíjení důkladně utěsnit, aby nedocházelo k úniku par a nežádoucím okrajovým efektům. Soustavu vhodných rozpouštědel si před vyvíjením ověříme na malé TLC připravené ze stejného adsorbentu. Je-li dělená směs pestřejší, je vhodné zvolit pro chromatografii méně polární směs rozpouštědel a vyvíjení několikrát opakovat. Izolovaná látka vytvoří na preparativní tenké vrstvě souvislou chromatografickou zónu (pás) blízko startu, obklopenou pásy dalších složek dělené směsi. Po opakovaném vyvinutí vrstvy získáme lepší rozložení pásů dělené směsi. V případě, že dělená látka je barevná, můžeme přistoupit k jejímu sejmutí z tenké preparativní vrstvy a extrakci vhodným rozpouštědlem za účelem získání izolované látky. Většina látek je však bezbarvých a je proto nutné se rozhodnout pro správnou metodu detekce: a)
Preparativní tenkou vrstvu si ve směru od startu k čelu rozměříme na řadu stejných dílů a špachtlí odebereme postupně vzorky adsorbentu na kapkovací desku. Potom ke každému vzorku na kapkovací desce přikápneme 1 až 2 kapky vhodného rozpouštědla a přiložíme skleněnou kapiláru, kterou užíváme k nanášení vzorků na TLC. Jestliže adsorbent obsahuje některou složku dělené směsi, přechází tato do roztoku, který je kapilárou nasát. Přítomnost jednotlivých složek v kapilárách pak identifikujeme běžnou TLC. Postupujeme-li pečlivě, můžeme při optimální volbě „sond“ na preparativní tenké vrstvě získat dobrý přehled o složení jednotlivých pásů této vrstvy a přistoupit k extrakci např.: v chromatografické trubici. Je-li adsorbent po sejmutí v kouscích, musíme ho rozmělnit na papíře a poté nanést na sloupec. Po nasypání adsorbentu do trubice je třeba sloupcem poklepat na podložce, abychom jej zbavily vzduchových mezer a sloupec tak byl homogenní.
44
b)
Preparativní tenkou vrstvu položíme na vhodnou podložku a ve dvou místech ve směru start – čelo se dotkneme elektricky žhaveným odporovým drátem. V místech, kde jsou obsaženy složky dělené směsi, dochází k zhnědnutí v důsledku uhelnatění organické látky. Tato místa si označíme a z neporušené části naneseme (metodou popsanou v postupu a)) vzorek na analytickou TLC, abychom identifikovali obsaženou organickou látku. Před sejmutím příslušných částí adsorbentu z desky do trubice k eluci musíme zuhelnatělou dráhu po drátu seškrábnout špachtlí, aby nedošlo k znehodnocení izolované látky rozkladnými produkty. Označené pruhy adsorbentu obr. 4 z desky sejmeme a po rozmělnění adsorbent vsypeme do připravené a označené chromatografické trubice.
c)
V některých případech využíváme k detekci postřik vhodným činidlem, které s izolovanou složkou reaguje za vzniku barevné sloučeniny. V takovém případě před postřikem desku zakryjeme vhodnou šablonou tak, aby k reakci došlo jen v úzkých pruzích v celé délce desky a neznehodnotila se celá plocha. Další zpracování je stejné jako po detekci žhaveným odporovým drátem (viz postup b)).
Obrázek 4 Preparativní tenká vrstva po detekci žhavým odporovým drátem 1. start 2. místa kde došlo ke karbonizaci 3. čelo 4. pruhy adsorbentu, které po odstranění seškrábneme k eluci
45
4.3.3 Experimentální minimum budoucího učitele chemie Ze souhrnu laboratorních cvičení (viz. kap. 4.3.1) je zřejmé, že by nebylo zcela korektní uvádět soupis konkrétních experimentálních návodů, které by měl budoucí učitel ovládat. Důvodem je to, že jednotlivé experimenty mohou být modifikovány podle zamýšleného cíle učitele, který je ale omezen možnostmi pracoviště. Pojem možnosti pracoviště nezahrnuje pouze jeho vybavenost, ale zahrnuje celou řadu dalších proměnných o větším či menším významu. 4.3.3.1 Modifikace výukového experimentu Chemický experiment vychází ze základního principu a je obvykle orientován tak, aby nejlépe splňoval záměr experimentátora. Tento záměr sleduje určité cíle, které je možné naplnit různým způsobem. V případě, že je to z časových i dalších důvodů možné, je vhodné volit variantu atraktivního experimentu. Někdy to možné není. Potom se rozhodneme pro variantu, která demonstruje sledovaný problém nejjednodušším způsobem. 4.3.3.2 Příklady pokusů v různých variantách provedení V této části práce je pro ukázku uveden nahodilý výběr několika experimentů v různých variantách provedení. Z uvedených ukázek je zřejmé, že teoreticky i experimentálně dobře vybavený učitel může svojí experimentální činnost modifikovat tvůrčím způsobem, který bude motivovat žáky a studenty k lepšímu přístupu k chemii jako předmětu. 4.3.3.2.1 Vodík Jedná se, o historicky dobře zpracované téma viz příloha 3, ze kterého je zřejmé, jak může učitel hned v počátečních hodinách výkladu podle svých i individuálních možností cíleně experimentovat. Z experimentů uvedených v příloze vyplývá nejen bezpečnostní hledisko (hořlavý plyn tvořící se vzduchem výbušné směsi), ale také základní fyzikální vlastnost – jedná se o plyn lehčí než vzduch. Pro učitele je tento výběr pokusů i poučný, protože ukazuje řadu různě náročných variant. S ohledem na to, že příloha představuje kopii historického materiálu101), nesmíme se pozastavit nad tím, že je zde uváděno i historické názvosloví. Samozřejmě, že při transformaci materiálů do soudobých textů bude zjednána náprava. Pohledem do přílohy č. 3 lze zjistit, že experimenty s vodíkem jsou rozděleny do dvou skupin. První skupina je zaměřena na přípravu vodíku různými způsoby, druhá část se zaměřuje na chemické vlastnosti vodíku. Příprava vodíku je prováděna reakcí zinku s kyselinou sírovou, dále reakcí sodíku s vodou a také reakcí vodní páry s železem nebo zinkem. Provedení těchto experimentů je snadné, práci zlehčují nákresy použitých aparatur. V druhé části se autoři věnují vlastnostem vodíku. Tuto část experimentů lze označit za experimenty atraktivní. Například důkaz, že vodík je lehčí než vzduch se provádí zaváděním 46
vodíku do roztoku mýdlové vody. Vznikající bubliny stoupají vzhůru a je možné je zapálit. Tím se dokazuje další vlastnost, že vodík tvoří se vzduchem zápalnou směs. Redukční vlastnost vodíku se dokazuje experimentem s oxidem mědnatým, kdy dochází k redukci na měď a vzniká voda. Redukce je provázena změnou barvy z černé (oxid mědnatý) na červenou (měď). 4.3.3.2.2 Kyslík Obdobným způsobem lze přistupovat i k pokusům s kyslíkem. Skupinu experimentů lze rozdělit na dvě části. Experimenty v prvé části textu jsou zaměřeny na přípravu kyslíku různými způsoby viz příloha 4. Ve druhé části jsou experimenty věnující se vlastnostem kyslíku. Historicky ověřené způsoby přípravy kyslíku lze demonstrovat na rozkladu KCLO3 s využitím katalyzátoru MnO2. Vodorovná zkumavka je zahřívána a vznikající plyn je pneumaticky jímán do válce. Výhodou experimentu je možnost vysvětlení pojmů rozklad a katalýza. Přítomnost kyslíku ve válci lze prokázat vzplanutím doutnající špejle. Další způsob přípravy kyslíku je rozklad H2O2 katalyticky MnO2. Práci usnadňuje nákres aparatury viz příloha 4, plyn je pneumaticky jímán a lze jej využít k dalším experimentům101). Reakce probíhá rychle a je třeba dbát zvýšené pozornosti při přikapávání roztoku peroxidu vodíku. Stejná aparatura se používá při přípravě kyslíku z H2O2 a KMnO4 podle rovnice: 5 H2O2 + 2KMnO4 + 3 H2SO4
5 O2 + 8 H2O + K2SO4 + 2 MnSO4
Příprava kyslíku tímto způsobem poskytuje největší výtěžek a je vhodná pro využití kyslíku k dalším experimentům, které se zaměřují na vlastnosti kyslíku. Významnou vlastností kyslíku je jeho velká reaktivnost. Slučuje se s mnoho kovovými i nekovovými prvky za vzniku oxidů, reakci provází uvolňování světla a tepla. Tuto vlastnost lze využít ve výuce díky jisté mimořádnosti experimentů se spalováním prvků v atmosféře kyslíku. Zajímavým experimentem je spalování uhlíku, kdy je malý kus doutnajícího dřevěného uhlí vložen na spalovací lžičce do válce s kyslíkem. Dřevěné uhlí začne prudce žhnout a jiskřit. Po skončení spalování je možné prokázat vznik kyseliny uhličité pomocí vhodného indikátorového papírku. Další experiment se spalováním používá síru. Při práci se sírou je třeba dbát zvýšené opatrnosti a pracovat v digestoři. Zapálená síra hoří v atmosféře kyslíku jasně modrým plamenem. Vzniklý plyn je možné vytřepat s vodou s přídavkem modrého lakmusu. Vzniklé červené zabarvení ukazuje na přítomnost kyseliny siřičité. Spalování hořčíku provází velmi jasné světlo. Nutnou podmínkou úspěšného spalování hořčíku je suché nádobí. Tento experiment nevyžaduje práci v digestoři. Naproti tomu spalování železa ano. Malý kousek žiletky se nahřeje nad plamenem do oranžovočervené barvy a vloží na spalovací lžičce do válce s kyslíkem. Dojde k prudkému hoření modrým plamenem. Reakce je silně exotermní a může hrozit až prasknutím válce, proto je nutná práce v digestoři.
47
Pro všechny spalovací experimenty je typickou vlastností jejich určitá mimořádnost a atraktivita, kterou lze využít ve výuce chemie. Určitá nevýhoda může být spatřována v nutnosti využití digestoře pro některé experimenty, kterou lze vyřešit zvolením vhodné varianty experimentu v souladu s vybavením dané laboratoře. 4.3.3.2.3 Krystalizace Ukázkou experimentů v různých variantách provedení mohu být krystalizační pokusy. Jedním z možných hledisek dělení krystalizace je na krystalizaci volnou a rušenou. Rozpustnost většiny látek se s rostoucí teplotou roztoku zvyšuje. Teplotní závislost rozpustnosti se využívá při krystalizaci za horka nasycených roztoků. Necháme-li nasycený roztok pomalu chladnout, mluvíme o krystalizaci volné. Když jej rychle ochladíme, hovoříme o krystalizaci rušené. Náhlým snížením teploty se přebytečné množství dříve rozpuštěné látky vyloučí ve formě krystalů. Krystalizace volná i rušená se využívají k čištění látek. Vznikající krystaly mají vyšší čistotu, než původně rozpuštěná látka. Při krystalizaci volné, vznikají krystaly větších rozměrů. Ty mohou obsahovat dutinky, ve kterých je uzavřený matečný louh s obsahem nečistot. Při krystalizaci rušené, vznikají krystalky drobnější, ale s větším povrchem, na němž může matečný louh ulpívat. Je tedy důležití zvážit, který z postupů je pro čištění dané látky vhodnější. Zajímavou variantou je využití krystalizace při izolaci přírodních látek, která se provádí v rámci cvičení z organické chemie (viz kapitola 4.3.1.3). Například při izolaci piperinu z pepře je využívána volná krystalizace k získání čistého produktu. 39) Krystalizace srážením se provádí přidáním dalšího rozpouštědla do nasyceného roztoku soli (např. modré skalice). Přidávané rozpouštědlo (např. ethanol) je dobře mísitelné s původním rozpouštědlem, ale rozpuštěná látka je v něm nerozpustná, nebo jen obtížně rozpustitelná. Účinkem přidávaného ethanolu dojde ke snížení rozpustnosti modré skalice, což se projeví vznikem drobných krystalků. Atraktivní variantou krystalizace může být příprava obřího krystalu102). Ochlazováním nasyceného roztoku příslušné soli dochází k vylučování přebytečné soli ve formě krystalů. Zavěšením jednoho krystalu do připraveného roztoku docílíme toho, že tento krystal narůstá až do několikacentimetrových rozměrů tzv. očkováním. 4.3.4 Metodika výzkumu v oblasti chemického výukového experimentu Výzkum zaměřující se na využití experimentu ve výuce by měl být zaměřen nejenom na začlenění experimentů do metod výuky, ale i na strukturu a funkci experimentu. Dokážeme-li správně pochopit funkce experimentu, budeme schopni jej účelně využít. Obecnými aspekty výzkumu, rozumíme objektivní posouzení experimentu. Za tímto krátkým slovním spojením se skrývá celá množina dílčích kroků. Je třeba posoudit, co všechno experiment může ve výuce
48
nabídnout. Začínáme s posuzováním materiálové náročnosti experimentu. Jedná se o vybavenost jak laboratorními pomůckami, tak chemikáliemi. Je třeba zvážit, zda zamýšlený experiment je proveditelný ve využívaném prostoru (bezpečnostní a hygienická hlediska). Nedílnou součástí dobré rozvahy je odhadnutí časové náročnosti experimentu. V této fázi přichází ke slovu učitelova zkušenost a znalost svých žáků. Některé experimenty žáci zvládnou stejně dobře a rychle, ale při složitějších je třeba brát v úvahu, že žákům mohou trvat déle, než bylo plánováno. Na základě těchto faktorů učitel posoudí, jakou formou experiment provede. Výše zmíněné proměnné zvažuje každý učitel během svojí praxe nesčetněkrát. Pokud se má situace v experimentální výuce zlepšit, je vhodné se zaměřit na takové experimenty, které budou efektivní a přinesou dobré výsledky ve vzdělávání a motivaci studentů. Požadavky na takové experimenty by mohly být následující:
nenáročnost na materiálové vybavení
nízká cena použitých chemikálií, nebo použití malých kvant
snadné provedení
menší časová náročnost
4.3.4.1 Obecné aspekty výzkumu Podíváme-li se na experiment jako nástroj, který je možné využívat ve výuce, je třeba k němu i takovým způsobem přistupovat. Jednotlivé kroky vedoucí k zařazení experimentu do výuky lze rozdělit do tří kategorií, které jsou záměrně řazeny tak, jak by měla probíhat učitelova úvaha. První kategorii nazývám, co musím vědět. V této kategorii se nachází činnosti základního zjišťování stavu vybavenosti laboratoře chemikáliemi, pomůckami. Vhodnost prostoru na provedení daného experimentu a zvážení hygienických a především bezpečnostních hledisek. Například, je-li nutná práce s koncentrovanými kyselinami, práce v digestoři, manipulace s látkami se silným oxidačním účinkem apod. Druhou kategorii lze pojmenovat, co požaduji od experimentu. V druhé kategorii přicházejí k zvážení jednotlivé varianty provedení experimentu, který je možné modifikovat podle potřeby. Je vhodné si rozmyslet, je-li cílem experimentu motivace studentů, vysvětlení, zjištění nových experimentálních poznatků, ověření atd. Nedílnou součástí této kategorie je zvolení takového provedení experimentu, který naplní plánovaný cíl výuky. Třetí kategorií nazývám vyhodnocení. V této kategorii přichází ke slovu učitelova experimentální dovednost nasbíraná během let studia a také z vlastní praxe ve výuce. Zamýšlený experiment je vhodné rozdělit na několik dílčích kroků, které na sebe navazují. Tento krok 49
rozdělování experimentu není samoúčelný, prvním důvodem je snadnější uchopení jednotlivých částí experimentu pro studenty. Druhým důvodem je snížení složitosti náročnějších experimentů. Některé experimenty jsou časově náročnější a trvají i několik hodin. Je tedy vhodné postupovat v dílčích krocích v rámci jednoho experimentu. U některých náročných experimentů není možné v určité chvíli pokus přerušit, je jen na zkušenosti pedagoga, aby na tuto skutečnost studenty upozornil. Dalším krokem je vyzkoušení experimentu nanečisto s pečlivým zaznamenáváním jednotlivých úskalí pokusu. Téměř u každého experimentu je možné přistoupit k jeho modifikaci a zvolit takovou variantu, která dostatečně naplní cíl výuky a bude odpovídat požadavkům zmíněných v této kapitole. Na základě uvedených kategorií bylo rozhodnuto zpracovat modelově experiment zařaditelný do výuky s přihlédnutím k jeho provedení a jednotlivým variantám. 4.3.4.2 Příklady zpracování tématických celků pro potřeby výukového experimentu 4.3.4.2.1 Nitrace fenolu Při hledání vhodného experimentu, na kterém je možné ukázat rozvahu nad jednotlivými podmínkami vhodnosti experimentu, byla zvolena nitrace aromatických sloučenin. Modelovým zástupcem této skupiny sloučenin byl vybrán fenol z důvodu známého průběhu reakce elektrofilní aromatické substituce. Vhodně zvolenou změnou reakčních podmínek, lze snadno měnit průběh reakce, což bylo dalším kritériem při výběru modelové sloučeniny. Rovněž byla kladně hodnocena rychlost průběhu reakce a nižší náročnost na materiální vybavení laboratoře. Průběh nitrace do jednotlivých reakčních stupňů, lze snadno kontrolovat odebíráním vzorků v určených časových intervalech a jejich nanášením na tenkou vrstvu, jež jsou následně chromatografovány společně se standardy. Výsledkem je chromatogram, který dává možnost nahlédnout do průběhu reakce. Je možné odhadnout přítomnost jednotlivých reaktantů v daném časovém intervalu a zároveň posoudit vliv reakčních podmínek na průběh reakce (koncentrace reaktantů, teplota, rozpouštědlo)103) Kolář uvádí103):”Zdánlivě nesouvisející problematika nevazebných interakcí, která nabývá stále většího významu v biologii a chemii, může být osvětlena zajímavým pokusem na chromatografické chování nitrofenolů. Tento typ experimentů postihuje vliv struktury sloučeniny a elučního činidla na chromatografické chování. Z obr. 5 je patrná anomálie při chromatografii 2nitrofenolu (III). Rozdělení hodnot Rf ostatních sloučenin je ve shodě s dosavadními zkušenostmi. Pro anomální chování 2-nitrofenolu byly vysloveny tři hypotézy: 1) 2-nitrofenol má menší aciditu než 3- a 4-nitrofenol 2) substituenty v polze2 vykazují nepříznivé sterické působení 3) příčinou je intramolekulární vodíkový můstek v molekule 2-nitrofenolu (IIIa)
50
Rovnovážná disociační konstanta pro 2-nitrofenol a 4-nitrofenol je shodná a je tedy možné první hypotézu zavrhnout. Potvrzení neplatnosti druhé hypotézy bylo dosaženo pomocí acetylace volné hydroxylové skupiny acetylchloridem. Acetylované nitrofenoly vykazují přibližně stejné hodnoty Rf (retardační faktor viz kapitola 4.3.2.2.2) Třetí hypotéza byla potvrzena methylací hydroxylové skupiny 2-nitrofenolu methyljodidem v přítomnosti K2CO3. Na TLC (Thin Layer Chromatography-tenkovrstvá chromatografie) vykazoval 2-nitroanisol podstatně nižší hodnotu Rf než 2-nitrofenol, protože v daném systému se intramolekulární vodíková vazba tvořit nemůže“.104)
2-nitrofenol
nitrobenzen fenol 4-nitrofenol
Obrázek 5 Chromatografie nitrofenolů (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, dichlormethan – pentan 1:1, detekováno postřikem amoniaku a parami oxidy dusíku) 1. nitrobenzen 2. fenol 3. 2-nitrofenol 4. 4-nitrofenol
III
IIIa
51
Průběh nitrace fenolu Zachycuje schéma 1. Hydroxylová skupina působí +M efektem a usnadňuje elektrofilní aromatickou substituci105-107) do polohy ortho a para. V závislosti na reakčních podmínkách uvedených v tabulce 1 je možné odhadnout výsledky experimentu a vybrat takovou variantu, která bude vhodná z hlediska využitelnosti pro výuku.
Schéma 1 Teoretický průběh nitrace fenolu
52
Tabulka 1 Množství použité HNO3, H2O, teplota reakční směsi, hmotnost fenolu 0,5g Č. pokusu
V HNO3 [ml]
V H2O [ml]
T [C]
1
3
27
45
2
6
24
45
3
9
21
45
4
12
18
45
5
15
15
45
6
3
27
85
Z didaktického hlediska je vhodná hned první varianta experimentu (3 ml HNO3, 45°C). Splňuje několik podmínek důležitých pro efektivní využití experimentu ve výuce. Nitrace fenolu probíhá za uvedených podmínek pomalu a po celou dobu experimentu (20minut) je možné sledovat na chromatogramu mizející stopu fenolu a přirůstající stopy nitroderivátů obr. 6. Číslo pokusu: 1
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 6 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Experiment tedy probíhá vhodnou rychlostí. Dále je na chromatogramu možné určit okamžik reakce, kdy jsou v reakční směsi přítomny jen mononitroderiváty. V 5. minutě reakce lze nalézt ve směsi jen 2-nitrofenol a 4-nitrofenol. Studenti mají na základě znalosti elektrofilní aromatické substituce možnost odhadnout další průběh experimentu. Po ukončení pokusu porovnají
53
svoje předpoklady s výsledky. Experiment je na materiální vybavení nenáročný. Provedení je snadné a délka trvaní experimentu je 20 minut. Podíváme-li se, na varianty další, je možné tvrdit, že rychlost nitrací do druhého stupně vzrůstá s přibývajícím množstvím použité HNO3. V poslední variantě experimentu byla teplota reakce zvýšena na 85°C a byly použity 3ml HNO 3. Mononitroderiváty byly prokázány již v první minutě experimentu. Negativem této varianty je použití vyšší teploty což má za následek rychlejší průběh nitrace a odečtení chromatogramu může být obtížnější vzhledem k přítomnosti dinitroderivátů od 2. minuty reakce. (provedení experimentu viz příloha 1b) Na každý experiment bylo vloženo 0,5g fenolu do 20ml vody do kádinky s magnetickou míchačkou s ohřevem. Po vytemperování na teplotu 45°C bylo přilito množství HNO3 odpovídající příslušné variantě experimentu. V časových intervalech 1., 2., 5., 10. a 20. minuty reakce byly odebírány vzorky a nanášeny na tenkou vrstvu. Chromatografie byla prováděna vyvinutím tenké vrstvy v toluenu, detekována parami amoniaku a oxidy dusíku. Číslo pokusu: 2
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 7 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, ,2,6-dinitrofenol Komentář: Při užití 6ml HNO3 docházelo ke vzniku 2-nitrofenolu již v 1. minutě reakce. Ve 2. minutě reakce nebyl přítomen fenol. V dalších minutách reakce bylo patrné, že mononitroderivátů ubývá a naopak dinitroderivátů přibývá.
54
Číslo pokusu: 3
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 8 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, ,2,6-dinitrofenol Komentář:
Dinitroderiváty
vznikly
již
v první
minutě
reakce,
stejně
tak
i mononitroderiváty. S přibývajícím časem ubývaly mononitrofenoly a koncentrace dinitrofenolů rostla. Zvláště pak 2,6-dinitrofenol. Množství použité HNO3 bylo 9 ml.
55
Číslo pokusu: 4
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 9 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, ,2,6-dinitrofenol Komentář: Množství HNO3 použité na experiment bylo 12 ml. Zvýšené množství HNO3 vyvolalo rychlejší vznik dinitrofenolů již v 1. minutě reakce ve srovnání s předchozí variantou experimentu. Další vývoj reakce je shodný jako v pokusu č. 3.(viz obrázek č. 8)
56
Číslo pokusu: 5
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 10 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, ,2,6-dinitrofenol Komentář: Množství 15ml HNO3 vyvolalo nitraci do druhého stupně takřka okamžitě v 1. minutě reakce.(viz obrázek č. 10) Další trvání reakce mělo za následek úbytek mononitrfenolů a narostla koncentrace dinitrofenolů. Ve 20. minutě reakce byl 4-nitrofenol v reakční směsi jen ve stopách.
57
Číslo pokusu: 6
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 11 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: V této variantě experimentu nitrace fenolu byly použity 3ml HNO3, ale teplota reakce byla udržována na 85C. Zvýšená teplota se projevila vznikem mononitrofenolů již v 1. minutě reakce. Fenol byl ještě v reakční směsi ve stopách. Od 2. minuty reakce byly přítomny ve větší koncentraci i dinitrofenoly. Ve 20. minutě byly v reakční směsi dinitrofenoly dominantní. S rostoucím množstvím použité HNO3 rostla rychlost nitrace do vyšších stupňů. Při množství 15ml HNO3 ve 20. minutě reakce, byly zachyceny stopy 4-nitrofenolu. Ten ubýval v reakční směsi rychleji než samotný 2-nitrofenol. Stejnou účinnost jako objem 15ml HNO3 měla i zvýšená teplota. Při teplotě udržované na 85C byla nitrace do vyšších stupňů snadná a probíhala rychle, jako když bylo použito 12ml HNO3. Ani za podmínek zvýšené teploty reakční směsi, nebo přítomnosti 12 ml HNO3 nebylo dosaženo totální nitrace fenolu. Deaktivace benzenového jádra dvěma nitroskupinami byla tak velká, že další nitrace nebyla za těchto podmínek možná.
58
4.3.4.2.2 Nitrace fenolu v plynné fázi Do atmosféry jsou denně emitovány různé organické sloučeniny. Reakce organických sloučenin s oxidy dusíku jsou, vzhledem ke vzniku vysoce toxických produktů, sledovanou oblastí ekologie. Některé nitroderiváty jsou známé svými karcinogenními a mutagenními vlastnostmi. Nitrační reakce probíhají v plynném prostředí naší atmosféry, ale i v prostředí kapalném a jsou nedílnou součástí činnosti člověka. Tento experiment může dostatečně simulovat složité procesy probíhající v naší atmosféře, kde dochází k interakci oxidy dusíku s organickými látkami. Při nitraci fenolu pomocí kyseliny dusičné probíhala reakce ve smyslu elektrofilní aromatické substituce do poloh ortho a para. Obr. 12.
2-nitrofenol
Fenol 4-nitrofenol
4-
nitrofenol Obrázek 12 TLC nitrace fenolu v plynném skupenství (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol VZ vzorky z extrakce S1 2-nitrofenol S2 4-nitrofenol S3 2,4-dinitrofenol S4 2,6-dinitrofenol (Detailní popis provedení a průběh pokusu v příloze 1c.) Do makrozkumavky bylo umístěno 0,5g fenolu a byl zahříván až parami nasytil celý objem zkumavky. Do druhé makrozkumavky byl vložen NaNO2 a přilito cca 1ml konc. HCl. Vyvíjené oxidy dusíku byly zaváděny do zkumavky s parami fenolu po dobu 20 sekund. Zkumavka byla uzavřena a reakce probíhala 5 minut. Zbylé páry reakční směsi byly odvětrány a zkumavka vypláchnuta malým množstvím toluenu. Vzorek byl nanesen na TLC a chromatografován se
59
standardy v toluenu jako vyvíjecím rozpouštědlem. Vrstva byla detekována parami amoniaku a oxidy dusíku. 4.3.4.2.3 Nitrace p-kresolu Nitrace p-kresolu (IV) v závislosti na množství HNO3 a teplotě reakční směsi. Byl sledován průběh reakce v závislosti na změně reakčních podmínek. Nitrace p-kresolu je elektrofilní aromatickou substitucí, která vede k řadě produktů. Aromatický kruh je substituován hydroxylovou skupinou a alkylem, díky svému +M efektu usnadňuje průběh elektrofilní aromatické substituce a orientuje další substituenty do poloh ortho a para z pohledu hydroxylové skupiny schéma 2. V závislosti na použitém množství HNO3 a teplotě, viz tabulka 2, byly dosahovány různé stupně nitrace p-kresolu. Produkty reakce byly porovnávány se standardy na tenké vrstvě obr. 13. Do 5. minuty reakce je možné ještě rozpoznat stopu p-kresolu. Od 10. minuty byly prokazovány v reakční směsi pouze nitroderiváty. Po 20 minutách byla stopa 2,6-dinitro-p-kresolu (IVb) výraznější ve srovnání se stopou 2-nitro-p-kresolu (IVa).
IV
IVa
IVb
Schéma 2 Teoretický průběh nitrace p-kresolu Tabulka 2 Množství použité HNO3, H2O, teplota reakční směsi, hmotnost p-kresolu 0,25g Č. pokusu
V HNO3 [ml]
V H2O [ml]
T [C]
1
1,5
28,5
45
2
3
27
45
3
4,5
25,5
45
4
6
24
45
5
1,5
28,5
85
60
Číslo pokusu: 1
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 13 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol (Detailní popis provedení a průběh pokusu v příloze 1d.) Bylo použito 0,25g p-kresolu vloženého do 20ml vody na každou variantu pokusu. Po vytemperování na teplotu 45°C byla přilita HNO3, v množství odpovídající jednotlivé variantě experimentu viz tabulka 2. Produkty reakce byly porovnávány se standardy na TLC.
61
Číslo pokusu: 2
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 14 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Z obrázku je patrné, že větší množství HNO3 vede k rychlejší tvorbě 2-nitro-pkresolu. Ten vzniká již v 5. minutě reakce a p-kresol již není v reakční směsi přítomen.
62
Číslo pokusu: 3
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 15 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: S větším množstvím HNO3 v reakční směsi, roste i množství vznikajícího 2,6dinitro-p-kresolu. Ten se objevuje v 5. minutě reakce, zároveň všechen p-kresol zreagoval.
63
Číslo pokusu: 4
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 16 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Při množství 6 ml HNO3 v reakční směsi je patrné, že 2-nitro-p-kresol a 2,6dinitro-p-kresol vznikají již v 2. minutě reakce. Všechen p-kresol je spotřebován již v 2. minutě reakce. V 10. minutě reakce všechen 2-nitro-p-kresol zreagoval na 2,6-dinitro-p-kresol.
64
Číslo pokusu: 5
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 17 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Teplota reakce byla udržována na 85C, množství HNO3 bylo 1,5 ml. Za těchto podmínek se výsledky nitrace blíží výsledkům pokusu č. 4. Zvýšená teplota vyvolala rychlejší nitraci p-kresolu. Ve 2. minutě reakce je p-kresol kompletně zreagován a jsou přítomny oba nitroderiváty. V 10. minutě reakce mizí ze směsi 2-nitro-p-kresol a je přítomen už jen 2,6-dinitro-pkresol. Z didaktického pohledu je zajímavá čtvrtá varianta experimentu, kdy dochází k vzniku obou nitroderivátů, ale již v 10. minutě reakce není prokazována přítomnost 2-nitro-p-kresolu. V této fázi reakce došlo k úplné nitraci p-kresolu a vzniku 2,6-dinitro-p-kresolu. Studenti tak mají možnost ověřit si pochopení mechanismu průběhu elektrofilní aromatické substituce. Nabízí se jim také pochopení funkce tenkovrstvé chromatografie, která v tomto uspořádání plní úlohu zjišťování kvality chemické látky na základě srovnání Rf.
65
4.3.4.2.4 Nitrace p-kresolu plynnými NOx Nitrace p-kresolu (IV) plynnými NOx. Z přehledů modelových reakcí, které lze nalézt v literatuře103) je zřejmé že se jedná o velmi složité radikálové reakce, které jsou zřejmě iniciovány radikálem OH. Reakce byla prováděna na tenké vrstvě obr. 18 a výsledné produkty byly porovnávány se standardy obr. 19. Podmínky reakce jsou uvedeny v příloze 1e.
Obrázek 18, 19, 20 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C p-kresol S1 2-nitro-p-kresol, S2 2,6-dinitro-p-kresol Experiment byl prováděn přímo na tenké vrstvě. Bylo rozhodnuto, že bude proveden ve dvou variantách lišících se dobou působení oxidů dusíku na p-kresol. Na tenkou vrstvu byl nanesen p-kresol rozpuštěný v toluenu a byl ihned vystaven působení oxidů dusíku, které byly vyvinuty z přikápnutím koncentrované HCl do kádinky s NaNO2. Tmavé páry oxidů dusíku jsme nechali volně „vytékat“ na start tenké vrstvy po dobu 10 sekund. Tenká vrstva byla po zaschnutí rozpouštědla vložena do vyvíjecí komory s toluenem a byla detekována parami amoniaku a oxidy dusíku. Ve druhé variantě experimentu byla doba působení oxidů dusíku na tenkou vrstvu 60 sekund. Jak je vidět z obrázku 16 při působení NOx 10 sekund dochází ke vzniku 2-nitro-p-kresolu a 2,6-dinitro-p-kresolu okamžitě. Pokud necháme působit páry NOx 1 minutu obr. 20, jsou produkty stejné, ale 2,6-dinitro-p-kresol má výraznější stopu. Metoda používaná na nitraci organických sloučenin oxidy dusíku je velmi efektivní a účinná. Pracuje se s malými kvanty chemikálií a celý průběh pokusu je rychlý.
66
4.3.4.2.5 Bromace fenolu Zajímavou skupinou experimentů jsou halogenační reakce aromatických sloučenin. Modelovu sloučeninou byl zvolen fenol, který byl nanesen na tenkou vrstvu rozpuštěný v toluenu. Poté byla tenká vrstva vystavena působení par bromu. Experiment byl prováděn ve třech variantách, lišících se délkou působení par bromu. V první variantě to bylo 10 sekund obr. 21, ve druhé 1 minutu obr. 22 a ve třetí 5 minut obr. 23. Následně byly vrstvy vyvinuty a detekovány. Pro porovnání byla samostatně vyvinuta tenká vrstva obr. 24 se standardem 2,4,6-tribromfenolem (V). Provedení a průběh reakce jsou v příloze 1f. Teoretický průběh bromace fenolu viz schéma 3.
V Schéma 3 Teoretický průběh bromace fenolu
67
2,4,6-tribromfenol
bromderivát
fenol
Obrázek 24
Obrázek 21
2,4,6-tribromfenol
bromderivát
fenol
Obrázek 22
Obrázek 23
TLC bromace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) Experiment ukazuje, s jakou rychlostí a snadností probíhá elektrofilní substituce aromatických sloučenin. Provedení je nenáročné a čas potřebný na experiment je malý. Vzhledem k použití bromu, je třeba dbát zvýšenou pozornost na bezpečnost práce a vždy provádět experiment v digestoři.
68
4.3.4.2.6 Nitrace 1-naftolu Při hledání vhodné modelové sloučeniny padlo rozhodnutí provést nitrační experimenty s naftalen-1-olem (VI). Bylo rozhodnuto provést reakce přímo na tenké vrstvě s oxidy dusíku v plynném skupenství, ve snaze simulovat nitrační reakce v atmosféře. Reakce byly prováděny ve skleněném akváriu, které bylo zaplněno NOx získanými reakcí NaNO2 s koncentrovanou HCl. Na tenkou vrstvu byl nanesen rozpuštěný 1-naftol a vrstva byla vložena do skleněného akvária s oxidy dusíku. Experiment byl prováděn ve dvou variantách lišících se délkou působení oxidů dusíku. V prvním případě byla doba působení 10 sekund obr. 25, ve druhém 60 sekund obr. 26. Tenké vrstvy byly vyjmuty, vyvinuty v toluenu a detekovány parami amoniaku a oxidy dusíku. Na třetí tenkou vrstvu byly naneseny 1-naftol a standardy 2-nitro-1-naftolu a 2,4-dinitro-1-naftolu. Vzniklý chromatogram posloužil pro srovnání s chromatogramy obr. 25 a obr. 26.
VI
2-nitro-1-naftol
2,4-dinitro-1-naftol
Obrázek 25 a 26 TLC nitrace 1-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku)
69
Experiment poskytuje dobrou představu o tom, jak rychle a snadno vznikají nitroderiváty organických sloučenin v atmosféře a je časově méně náročný. Vzhledem k mutagenním a karcinogenním účinkům nitračních produktů, může jít o zajímavou skupinu experimentů z oblasti ekochemie. Je však třeba dbát na bezpečnost práce. 4.3.4.2.7 Nitrace 2-naftolu Na každou variantu experimentu bylo použito 0,5g 2-naftolu (VII) smíchaného s 20ml destilované vody. Reakce byly prováděny v kádince na elektromagnetické míchačce s ohřevem. Po dosažení reakční teploty uvedené v tabulce byl přilit předem připravený roztok (HNO3 + H2O). Z reakčního roztoku byly odebírány vzorky v časových intervalech v 1., 2., 5., 10. a 20. minutě reakce. Každý odebraný vzorek byl nanesen kapilárou na předem připravenou tenkou vrstvu společně se standardem 2-naftolu. Vyvíjecím rozpouštědlem byl toluen a detekce byla provedena parami amoniaku a následně oxidy dusíku, které byly vytvořeny přilitím malého množství koncentrované kyseliny chlorovodíkové k NaNO2. Tenká vrstva byla držena v ruce tak, že tmavě hnědé oxidy dusíku volně z kádinky „vytékaly“ přes detekovanou vrstvu. Po detekci se na tenké vrstvě objevily hledané stopy sloučenin. Použitá množství kyseliny dusičné a vody jsou zaznamenána v tabulce 3. Výsledky jednotlivých pokusů jsou zaznamenány na obrázcích 27 až 33. Z těchto obrázků je patrné, že výchozí 2-naftol označovaný na jednotlivých obrázcích písmenem „B“ o Rf = 0,082 poskytuje další produkty o Rf = 0,5; 0,258 a 0,047 označené na obrázcích písmeny (a), (b) a (c).
VII
VIIa
VIIb
VIIc
70
Tabulka 3 Množství použité HNO3, H2O, teplota reakční směsi, hmotnost 2-naftolu 0,5g Č. pokusu
V HNO3 [ml]
V H2O [ml]
T [C]
1
3
27
45
2
6
24
45
3
9
21
45
4
12
18
45
5
15
15
45
6
3
27
85
Číslo pokusu: 1
a
2-naftol
Obrázek 27 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: Mononitroderivát (a) se začal objevovat až v 5. minutě reakce. Po celou dobu reakce byla prokazována přítomnost nezreagovaného 2-naftolu. Množství 3 ml HNO3 nebylo dostatečné pro vytvoření nitrace do vyšších stupňů a pro zreagování celého množství 2-naftolu.
71
Číslo pokusu: 2
a
2-naftol
Obrázek 28 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: Ve 2. minutě reakce byla objevena stopa produktu (a). Intenzita zbarvení stopy derivátu postupně narůstala a stopa 2-naftolu slábla. Ani za těchto podmínek reakce (6ml HNO3) nebyl 2-naftol kompletně zreagovaný.
72
Číslo pokusu: 3
a b c
Obrázek 29 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: V 5. minutě reakce změnila reakční směs barvu na tmavě hnědou. Již v 1. minutě reakce nebyl zachycen 2-naftol, který okamžitě zreagoval na produkt (a). Od 2. minuty reakce byly přítomny produkty (a) a (b). V 5. minutě reakce byl zachycen jen produkt (b) a ve 20. minutě reakce i produkt (c).
73
Číslo pokusu: 4
a b c
Obrázek 30 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: Již v 1. minutě reakce byl 2-naftol zcela zreagován a byl přítomen jen produkt (a). Od 2. minuty reakce byly přítomny oba produkty (a) i (b). Ve 20. minutě reakce byla intenzita stopy produktu (c) vyšší než tomu bylo v předcházející variantě experimentu.
74
Číslo pokusu: 5
a b c
Obrázek 31 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: V 1. minutě reakce byl 2-naftol kompletně zreagován. Ve 2. minutě se objevily oba produkty (a) i (b) a v 5. minutě i (c). Zároveň v 5. minutě vymizela stopa produktu (a). Intenzita stopy (c) narůstala směrem k dalším minutám průběhu reakce.
75
Číslo pokusu: 6
a b c
Obrázek 32 TLC nitrace 2-naftolu č. 6 (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů Komentář: Již v 1. minutě reakce byly přítomny všechny tři produkty (a), (b) i (c). Podmínky reakce byly natolik agresivní, že po přilití nitračního roztoku došlo k rychlému zhnědnutí roztoku a na jeho povrchu se vytvořila černá krusta. V 5. minutě reakce nebyl zachycen produkt (a) a od 10. minuty reakce byl v roztoku přítomen (c). Vzniklá krusta, byla odebrána a podrobena samostatnému rozboru.
76
Číslo pokusu: 7
a
2-naftol
Obrázek 33 TLC nitrace 2-naftolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) B 2-naftol 1, 2 označení startovních pozic odebrané krusty z pokusu č. 6, rozpuštěné v chloroformu a nanesené vedle sebe Komentář: V krustě se nachází malé množství nezreagovaného 2-naftolu. To může být vysvětlováno tak, že rychlé vytvoření krusty uzavře část 2-naftolu uvnitř, a zabrání přístupu nitračního roztoku. Tuto domněnku potvrzovala i stopa produktu (a), který byl jako jediný z nitroderivátů prokázán. Vzniklá krusta brání přístupu nitračního roztoku a reakce nemůže probíhat směrem ke vzniku dalších nitračních produktů. Z experimentů je zřejmé, (viz komentáře k jednotlivým pokusům), že s měnícími se podmínkami se mění i složení reakční směsi. Protože v literatuře108) je popsána situace, kdy je nitrován 2-methylnaftalen, který při nízkých teplotách jako hlavní produkt poskytuje 1-nitro-2methylnaftalen a jako další produkty 2-methyl-6-nitronaftalen, 2-methyl-4-nitronaftalen a 2methyl-8-nitronaftalen a dále je popsána nitrace naftalenu do vyšších stupňů za dramatičtějších podmínek109). Zde nitroskupina jako substituent 2. třídy v poloze 1 brání vstupu nitroskupiny do téhož kruhu a ta má možnost vstoupit do polohy 5 nebo 8. Z těchto informací je možno vycházet při úvahách o průběhu reakcí za podmínek popsaných v tabulce 3. Je možné předpokládat, že jako první produkt bude vznikat mononitroderivát VIIa, na obrázcích 27 až 33 vykazující stopu (a), kde vstup nitroskupiny do polohy 1 je preferován jednak jako poloha α naftalenového kruhu i jako orthopoloha vůči hydroxyskupině v poloze 2. Z analogie s nitrací 2-methylnaftalenu v kombinaci s nitrací nesubstituovaného nitronaftalenu se nabízí vznik dvou dinitroderivátů VIIb a VIIc. 77
K rozhodnutí o skutečné struktuře produktů VIIb a VIIc, vykazující stopy (b); (c) obrázky 27 až 33 by byla třeba jejich izolace např. tenkovrstvou preparativní chromatografií a identifikace např. 1HNMR spektroskopií. Tyto operace však prováděny nebyly.
78
4.3.4.3 Ozonizace triterpenů jako téma zpracování výukového experimentu Vzhledem k dlouhodobému zapojení KCH FPE ZČU do výzkumných projektů zaměřujících se na terpeny110) jako takové, nebyla volba triterpenů pro ozonizaci náhodná. Zájem o tyto sloučeniny stoupá vzhledem k jejich zajímavým vlastnostem111-114). Záměr vychází z možnosti použít dostupné sloučeniny, ale propojuje se i se záměry výzkumnými. Při hledání vhodných modelových sloučenin, bylo rozhodnuto zabývat se ozonizací betulindiacetátu a -apoallobetulinu. V této kapitole bude pojednáno o metodice provedení ozonizace a rozpracování experimentu pro využití ve výuce. Není tomu tak dávno kdy ozonolýza měla významné postavení v analytické chemii při určování struktury nenasycených sloučenin. Tento způsob určování polohy a počtu dvojných vazeb byl později zatlačen do pozadí přístrojovými metodami, zvláště spektrálními. Využití ozonu zůstává významné nejen pro preparativní organickou chemii, ale i pro výukové účely a tudíž i pro experimentální přípravu budoucích učitelů. Ozon je nedílnou součástí našeho života. Jeho reaktivnost a vysoká oxidační schopnost se využívá např. při dezinfekci vzduchu, pitné vody, vody v bazénech a jinde. Odborná literatura115) charakterizuje ozon jako nestálý modrý diamagnetický plyn s ostrým zápachem. Ozon kondenzuje na tmavě modrou kapalinu(t.v. - 119C), která přechází na černofialovou pevnou látku (t.t. – 192C). Jak kapalný tak i pevný ozon jsou výbušné v důsledku rozkladu na plynný O2. Z praktického hlediska je důležité, že ozon je velmi reaktivní forma kyslíku. Do popředí vystupují jeho oxidační vlastnosti a schopnost tvorby nestabilních ozonidů s dojnými vazbami v organických sloučeninách. Adice ozonu na dvojnou vazbu vede ke vzniku nestabilních, často explozivních ozonidů, které hydrolýzou poskytují karbonylové sloučeniny a peroxid vodíku. V případě, že některá karbonylová sloučenina je aldehyd, který může přecházet na karboxylovou kyselinu, je výhodnější hydrolytický rozklad ozonidu nahradit jeho redukcí. K redukci je velmi často využíván zinkový prach v kyselině octové. Někdy je také využíváno katalytické hydrogenace ozonidu. Vznik ozonidu s následnou přeměnou na karbonylové sloučeniny je v literatuře uváděn jako ozonolýza nenasycených sloučenin105,107,116). Mechanismus reakce ozonu s dvojnou vazbou Ozon je používán jako elektrofilní činidlo a reaguje s dvojnou vazbou podle schématu. Alkeny reagují s ozonem za vzniku buď ozonidů a oxoozonidů, nebo vysokomolekulárních polyozonidů. Ve všech případech dochází k štěpení molekuly v místě dvojné vazby.
79
VIII
IX
X
Vznikající primární ozonid VIII se štěpí na nestabilní meziprodukty IX, X. V určitých případech je možné primárně vznikající ozonid VIII přeci jen izolovat. Meziprodukty spolu reagují za vzniku sekundárního ozonidu XI, který může být redukčně rozkládán na karbonylové sloučeniny107,116).
IX
X
XI
Vedlejší reakcí meziproduktu X je polymerace (tvorba polymerních ozonidů). Tato reakce se stává významnou především tehdy, když je vznikající karbonylová skupina málo reaktivní např. keton. Polymerní ozonidy jednak snižují výtěžky (nehydrolyzují se a těžko se hydrogenují), jednak jsou výbušné. Jednoduché alkeny reagují s ozonem prudce a kvantitativně většinou již za nízkých teplot (-78˚C), naproti tomu jsou aromatické vazby atakovány teprve za laboratorní teploty při vysokých koncentracích ozónu. Proto je možné selektivně ozonizovat aromatické sloučeniny s nasyceným postranním řetězcem. Při ozonizaci trojné vazby mezi uhlíky vznikají nejednotné produkty, mimo jiné také di-ketony. Konstrukční prvky ozonizační aparatury ovlivňují průběh a účinnost ozonizace, proto budou jednotlivé části aparatury v následujícím textu blíže popsány. Ozonizátory Ozonizátory jsou přístroje sestrojené na přípravu ozonu. V ozonizátoru dochází účinkem tichého elektrického výboje k částečné přeměně kyslíku na ozon. Míru přeměny na ozón sledujeme v závislosti na rychlosti průtoku ozonizovaného plynu. Branan, Butcher a Olsen ve své práci 117) uvádí řadu historicky ověřených řešení na stavbu ozonizátoru118-120) a využití ozonu v laboratořích nejen pro výukové účely. Některé z těchto ozonizérů jsou použitelné pro provedení ozonizačních reakcí121,122) k výukovým účelům, ale nepřináší řešení výroby levného a kvalitního ozonizátoru. Ze zahraničních autorů nalézáme řešení ozonizátoru v práci Sponholtzové, Walterse, Tunga
80
a BelBruna123). Stavbou a využitím se z našich autorů zabývali např. Klásek, Hrbek a Hruban124) a také Keil125). Pro experimentální část této práce byla využita modifikovaná ozonizační trubice vycházející z řešení autorů Kláska, Hrbka a Hrubana124). Díky velikosti (méně než 20cm), ale i díky množství produkovaného ozónu vyhovuje výukovým účelům. Ozonizační trubici tvoří skleněná trubka o světlosti 6,5mm a vnějším průměru 8mm, která je na obou koncích zúžena do silnostěnné kapiláry světlosti 2,2mm a délky 10 – 20mm. Délka nezúžené části trubice je 160mm. Přibližně 5mm od místa zúžení jsou na obou koncích trubice přitaveny olivky pro přívod kyslíku a pro odvod směsi ozón – kyslík. Kapilárními konci trubice je provlečen poniklovaný drát. Drát je v kapiláře těsně upevněn epoxidovou pryskyřicí. Vně je trubice ovinuta hliníkovou fólií (alobalem) v délce 130mm. Drát a hliníková fólie tvoří dvě elektrody připojené kontakty na zdroj vysokého napětí. Tři takto zkonstruované trubice v sérii zapojené tvoří ozonizační přístroj, který byl použit v této práci k experimentům. Zdroj vysokého napětí Jako zdroj byl použit Ruhmkorffův induktor napájený z akumulátoru (6V). Jelikož má induktor malý napájecí proud (max. 2A), bylo možné použít místo často používaného olověného akumulátoru jiný stejnosměrný zdroj. V této práci byl využit Ni – Fe akumulátor, který umožňuje připojení jednotlivých článků. Během této práce byl použit induktor s jiskřištěm 18,5 cm (U 50 kV). Induktor byl využit při napájecím napětí 6V. Z jiskřiště pro jistotu nebyly vyjmuty proti sobě stojící elektrody, čímž se zabránilo případnému proražení vysokého napětí do vinutí induktoru. Do izolovaných vývodů byly připojeny vysokonapěťové kabely, které byly připojeny na obě elektrody ozonizačních trubic. Absorpční nádobka Směs ozonizovaného plynu z ozonizačních trubic byla přiváděna do roztoku v absorpční nádobce tak, aby plyn setrval v roztoku co nejdelší dobu. Plyn byl zaváděn do spodní části nádobky a procházel roztokem směrem vzhůru. Jeho dráha kapalinou a tím reakční doba byla prodloužena vloženou skleněnou spirálou. Při zavádění ozonizovaného plynu do absorpční nádobky bylo třeba myslet na rychlost průtoku ozonizovaného plynu, aby nedošlo k vytlačení části reakční směsi z absorpční nádobky plynem. Rychlost průtoku ozonizovaného plynu byla kontrolována padáčkovým průtokoměrem, který byl otestován a kalibrován na základě pneumatického jímání plynu do odměrného válce ponořeného ve vodě.
81
Zdroje kyslíku Nejčastěji se jako zdroj kyslíku používá kyslíková tlaková láhev s redukčním ventilem, která umožňuje dlouhodobé dodávky kyslíku při konstantním průtoku. Toto uspořádání dává dobrý předpoklad pro využití ozonizovaného kyslíku pro kvantitativní experimenty. Pro školní pokusy je možné použít rezervoár plynu např. balónek, duši z automobilu nebo traktoru. Nevýhodou tohoto řešení je, že tlak plynu velmi rychle klesá a jeho průtok se úměrně snižuje. Pro školní demonstraci to není závadou, protože pokus netrvá příliš dlouho. Metodika ozonizace nenasycených sloučenin Ozonizace byla již dříve hojně používána v analytické chemii. V preparativní chemii má uplatnění při přípravě speciálních karbonylových sloučenin, kdy např. cyklické nenasycené sloučeniny přecházejí na dialdehydy. Vzhledem k vlastnostem ozonu je nutné zvolit oxidačním účinkům odolné rozpouštědlo. Jeho volba je ovlivňována také vlastnostmi ozonizované sloučeniny, to znamená, že ozonizovanou sloučeninu musí rozpouštět. Kombinací těchto požadavků se výběr vhodných rozpouštědel často velmi zužuje. Nenasycenou látkou, která byla rozpuštěna v oxidativně stabilním rozpouštědle, necháme probublávat ozonizovaný kyslík. Je nutné, aby během ozonizace protékal konstantní proud ozonizovaného kyslíku (stálá hodnota na padáčkovém průtokoměru). Testování ozonizátoru Testování probíhalo tak, že byl ozonizovaný kyslík zaváděn do absorpční nádobky naplněné roztokem jodidu draselného po známou dobu. Vzniklý ozon reagoval s jodidovými ionty, které oxidoval na jod podle rovnice:
Vyloučený jod byl titrován thiosíranem sodným. Jako indikátor byl použit škrobový maz. Reakce probíhala podle chemické rovnice:
Jodometrické stanovení ozonu bylo provedeno vždy 3 krát při stejném průtoku plynu. Průtok plynu byl měřen padáčkovým průtokoměrem.
82
Testované ozonizátory mohou dosahovat různé účinnosti. Podle toho je možné zvolit pro práci v laboratoři, ke které nás mohou inspirovat již dříve publikované práce126-129). Pro výukové (demonstrační) účely dostačují i méně náročná zařízení130,131). Při zařazení ozonizátoru do vysokoškolské výuky v rámci přípravy budoucích učitelů chemie je třeba na základě vlastních experimentálních i teoretických zkušeností zvážit možnosti a schopnosti do výuky zařazovaného studenta. V případě, že práce zahájena bude, lze doporučit tento obecný postup, který umožňuje řadu materiálních i časových variací:
volba vhodné modelové sloučeniny snadno dostupné pro dané podmínky laboratoře
správná
volba
rozpouštědla
odolávajícího
oxidačnímu
působení
ozonizovaného kyslíku
nastartování ozonizace
intervalová kontrola ozonizované směsi pomocí TLC (na základě porovnávání se stopou výchozí látky je možné ukončit ozonizaci)
redukční rozklad ozonidů
porovnání produktu reakce s původní látkou pomocí TLC
rozdělení jednotlivých složek směsi pomocí sloupcové, nebo preparativní tenkovrstvé chromatografie
porovnání jednotlivých frakcí se standardy podle podobných Rf
vyhodnocení experimentu
Můžeme-li experiment ozonizace nenasycených sloučenin rozdělit do několika fází, pak první fází je sestavení aparatury, druhou je otestování její účinnosti a třetí je provedení vlastní ozonizace s následnou redukcí vzniklého ozonidu.
83
4.3.4.3.1 Ozonizace betulindiacetátu Volba betulindiacetátu byla záměrná pro dostupnost na KCH FPE a také pro z literatury126129,132)
zřejmý průběh ozonizace. Vzorek 100mg betulindiacetátu (XII) byl rozpuštěn v 1,8ml
chloroformu a 4,2ml ethyl-acetátu a převeden do absorpční nádobky. Nádobka byla ponořena do polystyrenové nádoby s ponorným kapalinovým chladičem. Jako chladící medium byl vybrán etanol. Absorpční nádobka byla připojena k ozonizátoru. Samotné spuštění ozonizace se provede otevřením regulačního ventilu tlakové lahve s kyslíkem. Při tomto kroku je nutné dbát na správně nastavený průtok kyslíku na padáčkovém průtokoměru. Pokud bychom příliš zvýšily průtok, mohlo by dojít k vytlačení reakční směsi z absorpční nádobky. Následuje zapnutí induktoru. Jakmile se ozonizační reakce spustí, není vhodné ji přerušovat. Trvání ozonizace v našem případě zabralo 3h. Tato doba není univerzálním časem ozonizace, ale vychází z průběžné kontroly. Průběh ozonizace byl sledován odebíráním reakční směsi v pravidelných intervalech na tenké vrstvě silikagelu. Kontrolní vzorky odebírané z reakční směsi v 30 minutových intervalech, byly nanášeny na TLC (viz kap. 4.3.2.2.2) společně se standardem betulindiacetátu. Tenké vrstvy byly vyvíjeny ve směsi rozpouštědel n-hexan : ehtyl-acetát v poměru 10:1 a detekována postřikem 10% H2SO4 a vypálením na elektrickém vařiči. Jednotlivé tenké vrstvy z reakční směsi odebírané v časových intervalech viz obr. 34 - 36. Odebrání vzorku se provádí tak, že se napřed vypne induktor a poté se zastaví průtok kyslíku u tlakové lahve. Po odebrání vzorku kapilárou a jeho nanesení na TLC se ozonizace opětovně spustí. V okamžiku, kdy se v reakční směsi neprokazuje přítomnost betulindiacetátu na TLC, zastavujeme ozonizaci stejným postupem jako při odebírání kontrolních vzorků. Po dokončení ozonizace byl ozonid rozkládán redukčně. Po odpojení přívodu ozonizovaného kyslíku od absorpční nádobky, jsme převedli kvantitativně obsah ledovou kyselinou octovou do suché baňky, přidali 300mg práškového zinku a ponechali v třepačce 4 hodiny.
XII Po ukončení redukce byl zinek odfiltrován a promyt chloroformem. Filtrát byl také promyt chloroformem a frakce byly spojeny. Propojené frakce byly promyty vodou a byl k nim přidán roztok hydrogenuhličitanu sodného. Roztok byl vysušen síranem sodným, destilován a byl vysušen do sucha. 84
Produkt byl rozpuštěn v chloroformu nanesen na TLC a vyvíjen se standardem betulindiacetátu ve směsi (n-hexan : ethyl-acetát 10 : 1). Po následné detekci postřikem 10% H2SO4 a vypálení byl zhodnocen výsledek. Produkt ozonizace obsahoval stopy látky jevící na TLC jinou kvalitu než použitý standard (mající jiný Rf). Z tohoto důvodu byla směs nanesena na preparativní tenkou vrstvu (viz kap. 4.3.2.2.3) a vyvíjena ve směsi (n-hexan : ethyl-acetát 10 : 1) třikrát po sobě. V případě ozonizace betulindiacetátu jsme využily metodu detekce odporovým drátem. Preparativní tenkou vrstvu jsme položili a ve dvou místech ve směru start – čelo jsme se dotkli elektricky žhaveným odporovým drátem. V místech, kde byly obsaženy složky dělené směsi, došlo k zhnědnutí v důsledku uhelnatění organické látky. Tato místa jsme si označili. Před sejmutím příslušných částí adsorbentu z desky do trubice k eluci musíme zuhelnatělou dráhu po drátu seškrábnout špachtlí, aby nedošlo k znehodnocení izolované látky rozkladnými produkty. Preparativní deska byla rozdělena dle výsledných zón na 3 sektory. Označené pruhy adsorbentu z desky jsme sejmuli a po rozmělnění adsorbent vsypali do připravené a označené chromatografické trubice a promývali rozpouštědlem do konstantní hmotnosti. Bohužel výsledkem byly 3 frakce směsných produktů, jevících se samostatně na TLC jako směs látek v každé frakci. Vzhledem k nízké hmotnosti jednotlivých frakcí, nebylo možné přistoupit k dalšímu zpracování a preparaci jednotlivých složek frakcí.
Obrázek 34 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ethy-lacetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard betulindiacetátu 2 reakční směs ve 30. minutě ozonizace
85
Obrázek 35 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ethyl-acetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard betulindiacetátu 2 reakční směs v 1 hodině ozonizace
Obrázek 36 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ehtyl-acetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard betulindiacetátu 2 reakční směs po 1,5 hodinové ozonizaci 4.3.4.3.2 Ozonizace -apoallobetulinu Vzorek 100mg -apoallobetulinu byl rozpuštěn v chloroformu a ethyl-acetátu. Obě rozpouštědla byla použita v nadbytku. Reakční směs byla po celou dobu ozonizace chlazena ponorným kapalinovým chladičem. Jako chladící medium byl vybrán etanol. Průběh ozonizace byl sledován odebíráním reakční směsi v pravidelných intervalech na tenké vrstvě silikagelu. Kontrolní vzorky odebírané z reakční směsi v 30 minutových intervalech, byly nanášeny na TLC společně se standardem -apoallobetulinu. Tenké vrstvy byly vyvíjeny ve směsi rozpouštědel n-hexan : ethylacetát v poměru 10:1 a detekována postřikem 10% H2SO4 a vypálením na elektrickém vařiči. Jednotlivé tenké vrstvy z reakční směsi odebírané v 30 minutových intervalech viz obr. 37 - 39. Po dokončení ozonizace byl ozonid rozkládán redukčně. Reakční směs byla převedena kvantitativně do suché baňky, k roztoku byl přidán práškový zinek a ledová kyselina octová, baňka byla umístěna do třepačky. Během třepání byl přidán další podíl kyseliny octové. Po ukončení redukce byl zinek odfiltrován a promyt chloroformem. Filtrát byl také promyt chlorformem a frakce byly spojeny. Propojené frakce byly promyty vodou a byl k nim přidán roztok hydrogenuhličitanu sodného. Roztok byl vysušen síranem sodným, destilován a byl vysušen do sucha. 86
Produkt byl rozpuštěn v chloroformu nanesen na TLC a vyvíjen se standardem -apoallobetulinu ve směsi (n-hexan : ethyl-acetát 20 : 1) třikrát po sobě. Po následné detekci postřikem 10% H2SO4 a vypálení byl zhodnocen výsledek. Směs obsahovala ještě nějaké stopy nezreagovaného -apoallobetulinu a další látky jevící na TLC jinou kvalitu než použitý standard (mající jiný Rf). Z tohoto důvodu byla směs nanesena na preparativní TLC a vyvíjena ve směsi (n-hexan : ethyl-acetát 20 : 1) třikrát po sobě. Preparativní deska byla detekována odporovým drátem a dle výsledných zón rozdělena na 4 sektory, které byly seškrábnuty, vsypány do sloupců a promyty stejnou směsí rozpouštědel do konstantní hmotnosti jímacích baněk. Bohužel výsledkem byly 4 frakce směsných produktů, jevících se samostatně na TLC jako směs 2 látek v každé frakci. Vzhledem k nízké hmotnosti jednotlivých frakcí, nebylo možné přistoupit k dalšímu zpracování a preparaci jednotlivých složek frakcí. Pro preparaci jednotlivých složek z frakcí by bylo vhodné experiment modifikovat a pracovat s větším množstvím -apoallobetulinu s využitím vhodných separačních technik. Následné určení struktury by bylo vhodné předat do rukou odborníka. Tento experiment nabízí velký prostor pro realizaci v rámci ozonizačních experimentů, separačních postupů a určování struktury.
Obrázek 37 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ethyl-acetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard -apoallobetulinu 2 reakční směs ve 30. minutě ozonizace
Obrázek 38 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ethyl-acetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard -apoallobetulinu 2 reakční směs v 1 hodině ozonizace
87
Obrázek 39 TLC reakční směsi a standardu (DC-Alufolien Kiesselgel 60 F254, n-hexan – ethyl-acetát 10:1, detekováno postřikem 10% H2SO4 a vypálením) 1 standard -apoallobetulinu 2 reakční směs po 1,5 hodinové ozonizaci
88
5. Výsledky V průběhu práce byl prověřován stav experimentální výuky na středních školách. Rozborem náhodně stanoveného vzorku (viz kap. 4.2) bylo zjištěno, že experimentální výuka na našich školách je velmi rozdílná, přičemž lze říci, že celkově vyžaduje všestrannou pozornost k jejímu zlepšení. Velké pozornosti musí být věnováno celkové připravenosti učitelů pro experimentální výuku a tudíž i přípravě budoucích učitelů chemie. Pro zhodnocení současného stavu byl proveden rozbor rozvrhované experimentální výuky chemie na katedře chemie FPE ZČU v Plzni. Bylo zjištěno, že tato oblast je dokonale zpracována (viz kap. 4.3.1), přesto však existují možnosti dalšího vzdělávání (viz kap. 4.3.2). Významnou úlohu při přípravě budoucích učitelů chemie může sehrát individuální experimentální činnost studentů, směřující ke kvalifikační práci. V tomto směru se ukazuje řada možností, včetně modifikace stávajících experimentů (viz kap. 4.3.3.1). Jako příklady byly vytypovány následují experimenty:
Nitrace fenolu.
Nitrace fenolu v plynné fázi.
Nitrace p-kresolu.
Nitrace p-kresolu v plynné fázi.
Bromace fenolu.
Nitrace 1-naftolu.
Nitrace 2-naftolu.
Tyto experimenty byly detailně zpracovány po stránce teorie i praktické realizace.
89
6. Závěr Již v úvodu práce byl konstatován experimentální charakter chemie jako přírodovědného předmětu vyučovaného na našich školách. V průběhu práce byla hodnocena celková situace experimentální výuky. Byly zjištěny důležité závěry uvedené v kapitole 5. To, že na našich školách je experimentální výuka velmi často opomíjena má mnoho příčin, které jsou výsledkem historického vývoje. Tato práce se kromě jiného zabývá příklady modifikací experimentů, které se dají zobecnit i do jiných oblastí experimentální výuky tak, aby v konkrétních situacích mohla být teoretická výuka doplněna experimentem.
90
7. Seznam použité literatury 1. DRAŠAR, L.: Zákony, které ovlivní život chemiků. Chemické listy, 106, č. 7, 701-703, Praha, 2012, ISSN 0009-2770 2. ŠEDIVEC, V., RICHTR, V.: Další možnosti experimentálního vzdělávání v přípravě budoucích učitelů chemie. Biologie-chemie-zeměpis, SPN, Praha, 2011 3. ŠEDIVEC, V., RICHTR, V.: Využití regionálních příležitostí ve výuce chemie. Biologie-chemie-zeměpis, SPN, Praha, 2014, ISSN 1210-3349 4. ŠEDIVEC, V.: Vodohospodářské analytické metody v přípravě budoucích učitelů chemie. Sborník mezinárodní konference o aktuálních trendech ve výuce přírodních věd, Smolenice, 2012 5. MUŽÍK, J. Andragogická didaktika. 1. vyd. Codex Bohemia, Praha, 1998, ISBN 8085963-52-3 6. ČTRNÁCTOVÁ, H., BANÝR, J.: Historie a současnost výuky chemie u nás. Chemické listy, 91, č. 1, s. 59-65, 1997, ISBN 80-7368- 244-3 7. HELLBERG, J.: Vývoj chemie jako vyučovacího předmětu vysoké a všeobecně vzdělávací školy. PedF, Hradec Králové, 1978 8. BANÝR, J., NOVOTNÝ, V.: Stručné dějiny chemie, chemické výroby a výuky chemie. UK, Praha, 1986 9. NĚMEČEK, H, KASTNER, J.: Chemie organická pro vyšší školy reálné, Praha, 1907 10. ČERVÍN, A.: Svět moderní chemie. Nakladatelství Práce, Praha, 1946 11. PETRŮ, F, HÁJEK, B.: Chemie pro jedenáctý postupový ročník. SPN, Praha, 1954 12. ONDRÁČEK J.: Laboratorní práce z chemie v 8. Ročníku. SPN, Praha, 1958 13. MŠMT. Školský zákon. [online]. Publikováno 2012 [cit. 2012-01-03]. Dostupné z: http://www.msmt.cz/dokumenty/zakon-c-472-2011-sb-kterym-se-meni-skolsky-zakon. 14. MŠMT. Metodický portál RVP základní vzdělávání. [online]. Publikováno 2007 [cit. 2009-06-05]. Dostupné z: http://www.rvp.cz/soubor/RVPZV_2007-07.pdf 15. Integrovaná výuka přírodovědných předmětů. [cit. 2013-02-27]. dostupné z: http://esfmoduly.upol.cz/elearning/integr/index.html 16. ČTRNÁCTOVÁ, H., HALBYCH, J.: Didaktika a technika chemických pokusů. Karolinum, Praha, 1997 17. ČIPERA, J.: Rozpravy o didaktice chemie 1. Karolinum, Praha, 2000 18. ČIPERA, J.: Rozpravy o didaktice chemie 2. Karolinum, Praha, 2000
91
19. PACHMANN, E., BANÝR, J., BROVIČKA, J., HALBYCH, J.: Technika a didaktika školních pokusů I. Univerzita Karlova, SPN, Praha, 1982 20. Chemie. [cit. 2013-03-04]. dostupné z: http://chemie.gfxs.cz/index.php 21. Univerzita Hradec Králové. [cit. 2013-20-02]. dostupné z: http://edu.uhk.cz/titrace/ 22. Zahraniční web. [cit. 2013-02-20]. dostupné z: http://www.virtlab.com/main.aspx 23. Zahraniční
web.
[cit.
dostupné
2013-02-20].
z:
http://www.uni-
regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/DVideo-e.htm 24. SVOBODA, L, DADÁKOVÁ,E., ŠÍMA, J.: Internetová video-databáze chemických pokusů. [cit. 2013-02-20]. dostupné z : http://kch.zf.jcu.cz/didaktika/didaktika.htm 25. Portál
ICT
metodik.
[cit.
2013-02-20].
dostupné
z:
http://www.metodik.cz/view.php?cisloclanku=2008060010 26. ŠULCOVÁ, R., BÖHMOVÁ, H.: Netradiční experimenty z organické a praktické chemie. Univerzita Karlova, Praha, 2007, ISBN 978-80-86561-81-3 27. SKALKOVÁ, J. a kol.: Úvod do metodologie a metod pedagogického výzkumu. SPN, Praha, 1985 28. JANIŠ, K., KRAUS, B., VACEK, P.: Kapitoly ze základů pedagogiky. Hradec Králové, Gaudeamus, 2004, ISBN 80-7041-102-3 29. PRŮCHA, J.: Pedagogická encyklopedie. Praha, Portál, 2009, ISBN 978-80-7367-5462 30. MOJŽÍŠEK, L.: Základy pedagogické diagnostiky. SPN, Praha, 1986 31. ŠEDIVEC, V., SIROTEK, V.: Současný stav experimentální výuky chemie na středních školách. Sborník mezinárodní konference o výuce chemie, Hradec Králové, 2009 32. DRÁTOVSKÝ, M.: Laboratorní technika: Návody ke cvičení. UK, Praha, 1982. 33. EYSSELTOVÁ, J., MIČKA, Z., LUKEŠ, I.: Základy laboratorní techniky. UK, Praha 2004. 34. BARTOVSKÝ, T., BARTOVSKÁ, L.: Laboratorní technika I. SNTL, Praha, 1986. 35. BARTOVSKÝ, T., BARTOVSKÁ, L.: Laboratorní technika II. SNTL, Praha, 1886. 36. PODLAHOVÁ, J.: Cvičení z preparativní anorganické chemie. SPN, Praha, 1974. 37. KLIKORKA, J.: Úvod do preparativní anorganické chemie. SNTL, Praha, 1974. 38. SÝKOROVÁ, D., MASTNÝ, L.: Návody pro laboratoře z anorganické chemie. VŠCHT, Praha, 2001.
92
39. TRNKA, T.: Praktikum z organické chemie: Určeno pro posl. fak. přírodověd., 1. vyd.. SPN, Praha, 1986. 40. KLINOTOVÁ, E. a kol.: Základní cvičení z organické chemie. UK, Praha, 1980. 41. RICHTR, V.: Semimikrotechnika v organické chemii. 1.vyd. Pedagogická fakulta ZČU, Plzeň, 1993. 42. BARTHOVÁ, J.: Základní praktikum z biochemie. UK, Praha, 1980. 43. ŠÍPAL, Z. a kol.: Pokročilé cvičení z biochemie. UK, Praha, 1981. 44. PEČ, P.: Laboratorní cvičení z biochemie, 1.vyd. Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého, Olomouc, 2000. 45. ŠOBR, J.: Návody pro laboratorní cvičení z fyzikální chemie. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1998. 46. HOLZBECHER, Z. a kol.: Návody pro laboratorní cvičení z chemické analýzy. SNTL, Praha, 1982. 47. BERKA, A., FELTL, L., NĚMEC, I.: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie, 1.vyd. SNTL, Praha, 1985. 48. KRAITR, M.: Příručka pro laboratorní cvičení z analytické chemie. PF Plzeň, 1965. 49. VLÁČIL, F. a kol.: Příklady z chemické a instrumentální analýzy. Informatorium, Praha, 1991. 50. SPURNÁ, M., ŠVEHLÍK, Z.: Praktická cvičení z didaktiky chemie. Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého, Olomouc, 1981. 51. PACHMANN, E.: Technika a didaktika školních chemických pokusů I.: Praktická cvičení z didaktiky chemie pro pětileté studium učitelství chemie. SPN, Praha 1982. 52. ČTRNÁCTOVÁ, H., HALBYCH, J.: Didaktika a technika chemických pokusů: Určeno pro posl. přírodovědecké fak. UK Praha. Karolinum, Praha, 1992. 53. HALBYCH, J., NOVOTNÝ, V., ČTRNÁCTOVÁ, H.: Didaktika školního chemického pokusu: Určeno pro učitele chemie, metodiky kraj. pedagog. ústavů a okr. pedagog. středisek a pro posl. fak. vzdělávajících učitele. SPN, Praha 1985. 54. BENEŠ, P., MACHÁČKOVÁ, J.: 200 chemických pokusů. MF, Praha, 1976. 55. ROESKY,
H.
W.,
MÖCKEL,
K.:
Chemische
Kabinettstücke.
VCH
Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1994. 56. VOLKA, K. a kol.: Návody pro laboratorní cvičení z instrumentální analýzy. VŠCHT, Praha, 1989. 57. ČAKRT, M., KRUPČÍK, J., MOCÁK, J., POLONSKÝ, J., SÍLEŠ, B.: Praktikum z analytickej chémie. Alfa, Bratislava, 1989. 93
58. BERKA, A., FELTL, L., NĚMEC, I.: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie. 1.vyd. SNTL, Praha, 1985. 59. SIEGR, J.: Studium méně běžných reakcí triterpenoidních sloučenin. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1990. 60. SÝKOROVÁ, I,: Izolace a identifikace triterpenoidních sloučenin kořene smetánky lékařské. Diplomová práce. PF ZČU, Plzeň, 2000. 61. JIROTKOVÁ, I.: Izolace přírodních sloučenin ve školních podmínkách. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1991. 62. VALEČKA, M.: Příprava etoxyderivátů allobetulonu. Diplomová práce, PF Plzeň, 1974. 63. HONZ, Z.: Ozonizace některých triterpenových sloučenin. Diplomová práce, PF Plzeň, 1975. 64. HUBENÁ, S.: Studium dusíkatých látek triterpenoidního typu. Diplomová práce, PF Plzeň, 1988. 65. NEUNEROVÁ, I.: Sledování účinnosti oxidačních činidel v řadě triterpenoidních sloučenin. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1992. 66. KOUDELKA, P.: Kořen smetánky lékařské jako zdroj triterpenoidních sloučenin. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1995. 67. BUDÍNSKÁ, G.: Platanová kůra jako zdroj triterpenoidních sloučenin. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1996. 68. MILLIONOVÁ, H.: Produkty jednoduchých přeměn 23-hydroxybetulinu. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1997. 69. KOUKOLÍKOVÁ, S.: Optimalizace podmínek přípravy 19,28-epoxy-24-nor-18oleana-1,4-dien-3-onu. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 2000. 70. BARDOŇOVÁ, Š.: Sirné deriváty triterpenoidních sloučenin a jejich reakce. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 2001. 71. ŠEDIVEC, V.: Didaktické aplikace studia složení kůry jeřábu obecného. Sborník mezinárodního semináře doktorandů, Ostrava, 2007 72. FRAŇKOVÁ, E.: Stanovení čeřidla v červených vínech. Diplomová práce, PF Plzeň, 1979. 73. LÁNOVÁ, J.: Zhodnocení obsahu prolinu ve sladu, v mladině a v hotovém pivu jako možné kritérium jakosti sladu. Diplomová práce, PF Plzeň, 1980. 74. PROCHÁZKOVÁ, K.: Vliv teploty tavení na stanovení sacharinu ve víně. Diplomová práce, PF Plzeň, 1980. 94
75. BANĚČKOVÁ, H.: Stanovení sacharidů ve víně. Diplomová práce, PF Plzeň, 1984. 76. ZDRÁHALOVÁ, M.: Stanovení taninu v pivovarské praxi. Diplomová práce, PF Plzeň, 1984. 77. BACÍKOVÁ, J.: Problematika stanovení lipidů v pivovarské praxi. Diplomová práce, PF Plzeň, 1985. 78. HODKOVÁ, H.: Možnosti stanovení složek taninu v pivě. Diplomová práce. PF Plzeň, 1986. 79. KREJČÍKOVÁ, H.: Aplikace stanovení dusíkatých látek do vinařské praxe. Diplomová práce, PF Plzeň 1987. 80. TVRDÁ, Z.: Posouzení autolýzy kvasnic při výrobě šumivého vína. Diplomová práce, PF Plzeň, 1988. 81. HENNE, A.L., PERILSTEIN, W.L.: J. Am. Chem. Soc. 65, 2183, 1943. 82. LAITINEN, H.A.: Chemical Analysis. Mc Graw-Hill, New York, 1960. 83. SKÁLOVÁ, I.: Ozonizace malých množství organických sloučenin. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1997. 84. SKUHROVCOVÁ, J.: Ozonizace ve výuce chemie na katedře chemie PF ZČU. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 2002. 85. VOJTAJOVÁ, M.: Ozon jako významný fenomén současné společnosti. Diplomová práce, FPE ZČU, Plzeň, 2013 86. KOUTENKOVÁ, L.: Využití semimikrotechniky ve cvičení z organické chemie. Diplomová práce, Katedra chemie PF ZČU, Plzeň, 1993. 87. VALENTOVÁ, M.: Semimikrotechnika v laboratorních cvičeních katedry chemie. Diplomová práce, Katedra chemie PF ZČU, Plzeň, 2001. 88. KAŠPAR, V.: Organokovové sloučeniny v semimikrotechnice. Diplomová práce, PF ZČU, Plzeň, 1998. 89. HAGAROVÁ, M.: Využití senzoru na měření pH k inovaci laboratorních úloh z fyzikální chemie. Bakalářská práce, FPE ZČU, Plzeň, 2013 90. POLÍVKOVÁ, K.: Využití senzoru na měření oxidačně-redukčních potenciálů k inovaci laboratorních úloh z fyzikální chemie. Bakalářská práce, FPE ZČU, Plzeň, 2013 91. HEROUT, V., KEIL, B., PROTIVA, M., HUDLICKÝ, M., ERNEST, I., GUT, J.: Laboratorní technika organické chemie. Praha, 1954 92. MAYO, W. D., PIKE M. R., TRUMPER K. P.: Microscale techniques for the organic laboratory. John Wiley & sons inc., New York, 2001 95
93. ŠIMEK, J.: Chromatografické metody. SNTL, Praha, 1972 94. DICKSON, H., KITTREDGE, K.W., SARQUIS, A.M.: Thin–Layer Chromatography: The "Eyes" of the Organic Chemist. J. Chem. Educ.1023-1025, Vol 81, 2004 95. LEVINE, S.G.: Dip Reagents for Visualization in TLC. J. Chem. Educ.A4, 73, 1996 96. GASPARIČ, J., CHURÁČEK, J.: Papírová a tenkovrstvá chromatografie organických sloučenin. SNTL, Praha 1981 97. RICHTR, V., KRAITR, M.: Tenkovrstvá chromatografie ve výuce chemie. Sborník katedry chemie, Plzeň, 2004 98. LEVINE, S.G.: TLC Developing Chamber for Screening Column Chromatography Fractions. J. Chem. Educ. 77, Vol 73, January1996 99. NASH, J.J., MEYER, J.A., EVERSON, B.: What Factors Affect the Separation of Substances Using Thin-Layer Chromatography, An Undergraduate Experiment. J. Chem. Educ. 364-368, Vol 78, March, 2001 100. STILL W.C., KAHN M., MITRA A.: Rapid chromatographic technique for preparative separations with moderate resolution. J. Org. Chem. 2923-2925, Vol 43, No. 14., 1978 101. PŘIDAL, A., ŠVEHLÍK, Z.: Praktikum školních pokusů z chemie. Univerzita Palackého v Olomouci, SPN, Praha, 1972 102. RICHTR, V., KRAITR, M., ŠTROFOVÁ, J.: Atraktivní pokusy ve výuce chemie IV. Sborník katedry chemie pedagogické fakulty ZČU v Plzni, 2000, ISBN 80-7082-646-0 103. KOLÁŘ, K., MYŠKA, K.: Reakce organických sloučenin s oxidy dusíku. Univerzita Hradec Králové, Hradec Králové, 2000 104. KOLÁŘ, K.: Tenkovrstvá chromatografie ve výuce chemie. Gaudeamus, Hradec Králové, 1996, ISBN 80-7041-793-5 105. PACÁK, J.: Stručné základy organické chemie. Praha, 1978 106. SVOBODA, J.: Organická chemie 1. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 2008, ISBN 978-80-7080-561-9 107. MCMURRY, J.: Organická chemie. VŠCHT ,Praha, 2007, ISBN 978-80-7080-6371 108. KOVÁŘ, J., NOVÁK, J.: Preparativní reakce v organické chemii. díl III, Nitrace, nitrosace a sulfonace. NČAV, Praha, 1956. 109. ČERVINKA, O., DĚDEK, V., FERLES, M.: Organická chemie. SNTL, Praha, 1969 110. WAISER, K.: Bioorganická chemie. Praha, 1998
96
111. SUZUKI, R.: Leukemia and Lymphoma of Natural Killer Cells. J. Clin. Exp. Hematopathol, Vol. 45, No. 2, Dec 2005 112. WING-KEUNG LIU, JOYCE C.K. HO, FLORENCE W.K. CHEUNG, BONNIE P.L. LIU, WEN-CAI YE, CHUN-TAO CHE.: Apoptotic activity of betulinic acid derivatives on murine melanoma B16 cell line. European Journal of Pharmacology 498, 71– 78, 2004 113. TOSHIHIRO, A., SCOTT, G. FRANZBLAU, B., MOTOHIKO, U., HIROKI, O.,A FANGQIU, Z., KEN, Y., TAKASHI, S., YUMIKO, K.: Antitubercular Activity of Triterpenoids from Asteraceae Flowers. Biol. Pharm. Bull. 28(1) 158—160, 2005 114. MÍŠEK, J.: Reakce 21-oxo a 21,22-dioxolupanových sloučenin jako cesta hledání nových cytotoxicky aktivních látek. [rukopis] / Jiří Míšek, Praha, 2004 115. GREENWOOD, N.N., EARNSHAW, A.: Chemie prvků, svazek 11. Informatorium, 742-747, Praha, 1993, ISBN 80-85427-38-9 116. SVOBODA, J.: Organická syntéza 1. Vydavatelství VŠCHT Praha, 2008, ISBN 978-80-7080-385-1 117. BRANAN, M.B., BUTCHER, T.J., OLSEN, R.L.: Using ozone in organic chemistry lab: The ozonolysis of eugenol. J. Chem. Educ., 1979, Vol. 84, 2007 118. UHRIG, K.: A simple laboratory ozonizer. J. Chem. Educ., 582, Vol 22, December 1945 119. RANSFORD, J.E.: Demonstration of ozone from bottled oxygen. J. Chem. Educ., 477, Vol 28, 1951 120. RUBIN, M.B.: A convenient apparatus for small scale ozonizations. J. Chem. Educ. 388, Vol 41, 1964 121. BONNER, W.A.: A portable semimicro ozonizer. J. Chem. Educ. 452, Vol 30, 1953 122. WHALEY, T.P.: A small compact ozonizer for laboratory use. J. Chem. Educ. 94, Vol 34, 1957 123. SPONHOLTZ, D.J., WALTERS, M.A., TUNG, J., BELBRUNO, J.J.: A Simple and Efficient Ozone Generator. J. Chem. Educ.1712, Vol 76, 1999 124. KLÁSEK, A., HRBEK, J., HRUBAN, L.: Chemické listy. 62, 207, 1968 125. KEIL, B.: Laboratorní technika organické chemie. NČAV, Praha, 1954 126. VYSTRČIL, A., BUDĚŠÍNSKÝ, M.: Triterpene. XVI.: Unusual Epimeration of the C19-Acetyl Group of the 20-Oxo-30-Norlupane Derivatives. Collection Czechoslov. Chem. Commun., 295-311, Vol. 35, 1970
97
127. KLINOT, J., HOVORKOVÁ, N., VYSTRČIL, A.: Triterpenes XVIII.: Oxidation of the Isopropenyl Group With Peracids. Collection Czechoslov. Chem. Commun., 11051119, Vol. 35, 1970 128. KLINOTOVÁ, E., BOSÁK, S., VYSTRČIL, A.: The Preparation of the 19αHLupeol Acetate and its Derivatives. Collection Czechoslov. Chem. Commun.,22042216, Vol. 43, 1978 129. VYSTRČIL, A., KŘEČEK, V., BUDĚŠÍNSKÝ, M., PROTIVA, J.: Isomeric Oximes of 30-Norlupane-20-one and its Derivatives. Collection Czechoslov. Chem. Commun., 581-592, Vol. 51, 1986 130. RICHTR, V., KRAITR, M., ŠTROFOVÁ, J.: Několik pohledů na přípravu ozonu pro výukové účely. Chemické rozhlady, Vol. 5, 149-151, 2004 131. RICHTR, V., ŠTROFOVÁ, J., VOJTAJOVÁ, M., RIEGER, D.: Ozon, nedoceněné téma ve výuce chemie. Biologie-Chemie-Zeměpis, s. 77-83,2013, ISSN 1210-3349 132. DRACINSKY
M.,
RICHTR
V.,
KRECEK
V.,
SEJBAL
J.,
KLINOT
J.,BUDESINSKY M.: Preparation and conformational study of 19b,28-epoxy-18aolean -5-enederivatives. Collection of Czechoslovak Chemical Communications, 71(3), 387-410, 2006
98
8. Seznam příloh 1) Protokoly ze stáže v Hradci Králové a) Izomerizace azobenzenu b) Nitrace fenolu c) Nitrace fenolu plynné fázi d) Nitrace p-kresolu e) Nitrace p-kresolu plynnými NOx f) Bromace fenolu 2) Grafy s podrobnějším komentářem a) Zjišťování stavu v roce 2006 b) Zjišťování stavu v roce 2008 c) Zjišťování stavu v roce 2009 d) Zjišťování stavu v roce 2010 e) Zjišťování stavu v roce 2011 3) Vodík 4) Kyslík
99
Příloha 1a Izomerizace azobenzenu Název: Izomerizace azobenzenu vlivem UV záření Princip: Azobenzen existuje ve dvou izomerních formách. Stabilnější anti-derivát (analogie transderivátu, nebo také E derivátu) dodáním energie (v našem případě ozářením UV zářením) přechází na synderivát (analogie cis, nebo také Z derivát).
Pomůcky: azobenzen, NH3, NaNO2, HCl, toluen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva, Postup: 1. Rozpuštěný vzorek azobenzenu v toluenu jsme nanesli na tenkou vrstvu. Na další tenkou vrstvu jsme nanesli standard (Z)-azobenzenu. 2. Vrstvu se vzorkem jsme vystavili působení UV záření po dobu 60 sekund. 3. Ihned jsme vložili do vyvíjecí komory s toluenem jako vyvíjecím rozpouštědlem. 4. Obě vrstvy jsme detekovali parami amoniaku a oxidy dusíku. Výsledky:
(E)-azobenzen
(Z)-azobenzen
Obrázek 1
TLC izomerizace azobenzenu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen,
detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) S standard: (E)-azobenzen A: vzorek po izomerizaci
1
Příloha 1a Izomerizace azobenzenu Komentář: Na obrázku č. 1 je vidět standard (E)-azobenzenu. Vystavením tohoto izomeru UV záření dojde k izomerizaci na (Z) izomer. Izomer (Z) má nižší hodnotu retardačního faktoru a je tudíž blíže startu. Závěr: Vystavením (E) izomeru působení UV záření dojde k jeho izomerizaci na (Z) produkt. Tato změna se projeví na tenké vrstvě silikagelu vznikem stopy o nižším Rf (viz obr. 1).
2
Příloha 1b Nitrace fenolu Název: Nitrace fenolu Princip: Nitrace fenolu je elektrofilní aromatickou substitucí, která vede k řadě produktů. Aromatický kruh je substituován hydroxylovou skupinou, která díky svému +M efektu usnadňuje průběh elektrofilní aromatické substituce a orientuje další substituenty do poloh ortho a para.
Pomůcky: fenol, HNO3, NaOH, NH3, NaNO2, HCl, benzen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva Postup: 1. Do vytemperované (45°C) kádinky na 250 ml jsme vložily 0,5g fenolu ve 20ml vody. 2. Za míchání elektromagnetickou míchačkou jsme přidali 3ml HNO3 v 27 ml vody 3. V intervalech 1., 2., ,5., 10. a 20. minuty jsme odebírali vzorky z reakční směsi a nanášeli na připravenou TLC. 4. Po ukončení reakce jsme vložili tenkou vrstvu do chromatografické komory s toluenem jako mobilní fází. 5. Chromatogram jsme detekovali parami amoniaku a oxidy dusíku. 1
Příloha 1b Nitrace fenolu
Tabulka: množství HNO3, H2O a teplota reakční směsi Č. pokusu
V HNO3 [ml]
V H2O [ml]
T [°C]
1
3
27
45
2
6
24
45
3
9
21
45
4
12
18
45
5
15
15
45
6
3
27
85
Výsledky: Číslo pokusu: 1
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 1 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: Z obrázku je zřejmé že při množství 3 ml HNO3 se první stopy 2-nitrofenolu a 4-nitrofenolu objevily v 5. minutě po zahájení reakce, zároveň zde mizela stopa fenolu. V 10. minutě se objevily stopy 2,6-dinitrofenolu. Po 20 minutách zmizely stopy 4-nitrofenolu, byly přítomny dinitroderiváty ve větší koncentraci a jen slabá stopa 2-nitrofenolu.
2
Příloha 1b Nitrace fenolu Číslo pokusu: 2
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 2 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: Z obrázku je vidět, že zvýšené množství HNO3 způsobilo vznik 2-nitrofenolu již v 1. minutě reakce. Ve 2. minutě reakce již nebyl přítomen fenol. V dalších minutách reakce bylo patrné, že mononitroderivátů ubylo a naopak dinitroderivátů přibylo.
3
Příloha 1b Nitrace fenolu Číslo pokusu: 3
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 3 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: Z obrázku je zřejmé, že dinitroderiváty vznikly již v 1. minutě reakce, stejně tak i mononitroderiváty. S přibývajícím časem ubyly mononitrofenoly a koncentrace dinitrofenolů rostla. Zvláště pak 2,6-dinitrofenol.
4
Příloha 1b Nitrace fenolu Číslo pokusu: 4
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 4 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: Zvýšené množství HNO3 způsobilo vznik dinitrofenolů již v 1. minutě reakce ve srovnání s předchozím pokusem. Další vývoj reakce byl shodný jako v pokusu č. 3.
5
Příloha 1b Nitrace fenolu Číslo pokusu: 5
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 5 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: Množství 15ml HNO3 vyvolává nitraci do druhého stupně takřka okamžitě již v 1. minutě reakce. Další trvání reakce má za následek úbytek mononitrfenolů a rostoucí koncentraci dinitrofenolů. Ve 20. minutě reakce byl 4-nitrofenol přítomen v reakční směsi jen ve stopách.
6
Příloha 1b Nitrace fenolu Číslo pokusu: 6
2-nitrofenol 2,4-dinitrofenol 2,6-dinitrofenol 4-nitrofenol
Obrázek 6 TLC nitrace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů S standardy: 2-nitrofenol, 4-nitrofenol, 2,4-dinitrofenol, 2,6-dinitrofenol Komentář: V této variantě nitrace fenolu bylo použito 3ml HNO3, ale teplota reakce byla udržována na 85C. Zvýšená teplota se projevila vznikem mononitrofenolů již v 1. minutě reakce. Fenol v této době byl ještě přítomen ve stopách. Od 2. minuty reakce jsou přítomny ve větší koncentraci i dinitrofenoly. Ve 20. minutě byly v reakční směsi dinitrofenoly dominantní. Závěr: Nitrace fenolu probíhá ve smyslu elektrofilní aromatické substituce. Se zvyšující se koncentrací HNO3 roste rychlost nitrace do vyšších stupňů. Při nejvyšší koncentraci HNO3 ve 20. minutě reakce již není téměř přítomen 4-nitrofenol. Ten ubývá v reakční směsi rychleji než 2nitrofenol. Stejnou účinnost jako zvýšená koncentrace HNO3 má i zvýšená teplota. Při teplotě udržované na 85C je nitrace do vyšších stupňů snadná a probíhá stejně rychle jako když je ve směsi 12ml HNO3.
7
Příloha 1c Nitrace fenolu v plynné fázi Název: Nitrace fenolu v plynné fázi Princip: Nitrace fenolu probíhá do poloh ortho a para ve smyslu elektrofilní aromatické substituce. Pomůcky: fenol, HNO3, NaOH, NH3, NaNO2, HCl, toluen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva, makrozkumavky 50cm3, hadička Postup: 1. Do makrozkumavky jsme vložily 0,5g fenolu a pomalu zahřívali, až se fenol rozpustil a jeho páry nasytily celý objem zkumavky. 2. Do druhé zkumavky jsme vložily malé množství NaNO2 a přilili cca 1ml konc. HCl. Okamžitě se začaly vyvíjet oxidy dusíku. 3. Vzniklé oxidy dusíku jsme zaváděli hadičkou do zkumavky s parami fenolu po dobu 20sekund. 4. Zkumavku jsme uzavřeli a nechali reakci probíhat 5minut. Poté jsme nechali přebytečné oxidy dusíky vyvětrat v digestoři a obsah zkumavky jsme extrahovali malým množstvím toluenu. 5. Vzorek z extrakce jsme nanesli na tenkou vrstvu spolu se standardy a vložili do vyvíjecí komory s toluenem jako mobilní fází. 6. Vrstvu jsme detekovali parami amoniaku oxidy dusíku. Výsledky:
2-nitrofenol
fenol
44-nitrofenol nitrofenol Obrázek TLC nitrace fenolu plynnými NOx (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) F fenol VZ- vzorky z extrakce S1: 2-nitrofenol S2: 4-nitrofenol S3: 2,4-dinitrofenol S4: 2,6-dinitrofenol 1
Příloha 1c Nitrace fenolu v plynné fázi Komentář: Z obrázku je vidět, že při reakci par fenolu s oxidy dusíku po dobu 5 minut vznikají produkty 2-nitrofenol a 4-nitrofenol. V reakční směsi je přítomen i nezreagovaný fenol. Závěr: Reakce fenolu s oxidy dusíku, nebo s kyselinou dusičnou vede ke stejným produktům. V prvním případě se jedná o elektrofilní substituci. Pokus dává jednoduchou představu, jak asi probíhají reakce v naší atmosféře.
2
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Název: Nitrace p-kresolu Princip: Nitrace p-kresolu je elektrofilní aromatickou substitucí, která vede k řadě produktů. Aromatický kruh je substituován hydroxylovou skupinou a alkylem, díky svému +M efektu usnadňuje průběh elektrofilní aromatické substituce a orientuje další substituenty do poloh ortho a para z pohledu hydroxylové skupiny.
Pomůcky: p-kresol, HNO3, NaOH, NH3, NaNO2, HCl, toluen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva Postup: 1. Do vytemperované (45°C) kádinky na 250 ml jsme vložili 0,25g p-kresolu ve 20ml vody. 2. Za míchání elektromagnetickou míchačkou jsme přidali 1,5ml HNO3 ve 28,5 ml vody 3. V intervalu 1., 2., 5., 10. a 20. minuty jsme odebírali vzorky z reakční směsi a nanášeli na připravenou TLC. 4. Po ukončení reakce jsme vložili tenkou vrstvu do chromatografické komory s toluenem jako mobilní fází. 5. Chromatogram jsme detekovali parami amoniaku a oxidy dusíku. Tabulka: Množství HNO3, H2O a teplota rekční směsi Č. pokusu
V HNO3 [ml]
V H2O [ml]
T [C]
1
1,5
28,5
45
2
6
27
45
3
4,5
25,5
45
4
6
24
45
5
1,5
28,5
85
1
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Výsledky: Číslo pokusu: 1
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 1 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Z chromatogramu je zřejmé, že ještě v 5. minutě reakce nebyl zachycen nitrační produkt reakce. V 10. minutě reakce byly prokázány stopy 2-nitro-p-kresolu a 2,6-dinitro-pkresolu. Výchozí p-kresol již ve směsi přítomen nebyl. Ve 20. minutě reakce byla stopa dinitroderivátu výraznější.
2
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Číslo pokusu: 2
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 2 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Z obrázku je patrné, že zvýšená koncentrace HNO3 vede k rychlejší tvorbě 2nitro-p-kresolu. Ten vzniká již v 5. minutě reakce a p-kresol již není v této době v reakční směsi přítomen.
3
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Číslo pokusu: 3
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 3 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Jak je vidět z obr. 3 se zvětšujícím se množstvím HNO3 v reakční směsi, roste i množství vznikajícího 2,6-dinitro-p-kresolu. Ten se již objevuje v 5. minutě reakce. Zároveň v této době již veškerý p-kresol zreagoval.
4
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Číslo pokusu: 4
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 4 TLC nitrace p-kresolu č. 4 (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Při množství 6 ml HNO3 v reakční směsi je patrné, že 2-nitro-p-kresol a 2,6dinitro-p-kresol vznikají již v 2. minutě reakce. Všechen p-kresol je spotřebován již ve 2. minutě reakce. V 10. minutě reakce 2-nitro-p-kresol není přítomen a všechen zreagoval na 2,6-dinitro-pkresol.
5
Příloha 1d Nitrace p-kresolu Číslo pokusu: 5
2-nitro-p-kresol
2,6-dinitro-p-kresol
Obrázek 5 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C-p-kresol 1, 2, 5, 10, 20 vzorky odebírané dle časových intervalů v minutách S standardy: 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Komentář: Teplota reakce byla udržována na 85C, množství HNO3 bylo 1,5 ml. Za těchto podmínek se výsledky nitrace blíží výsledkům pokusu č. 4. Zvýšená teplota vyvolala rychlejší nitraci p-kresolu. Ve 2. minutě reakce je p-kresol kompletně zreagovaný a jsou přítomny oba nitroderiváty. V 10. minutě reakce mizí stopa 2-nitro-p-kresolu a je prokazován už jen 2,6-dinitrop-kresol. Závěr: Nitrace p-kresolu probíhá ve smyslu elektrofilní substituce. Struktura p-kresolu ovlivňuje výsledek substituce. Přítomnost methylové skupiny v poloze 4 proti hydroxylové má za následek nitraci do poloh 2 a 6. Tento efekt se vysvětluje větším +M efektem OH skupiny vázané na benzenové jádro ve srovnání se skupinou methylovou. Díky rezonanční stabilizaci se vytvoří větší elektronová hustota na pozicích 2 a 6, které jsou pak následně napadány elektrofilem.
6
Příloha 1e Nitrace p-kresolu plynnými NOx Název: Nitrace p-kresolu plynnými NOx Princip: Z přehledů modelových reakcí, které lze nalézt v literatuře (K. Kolář, K. Myška.: Reakce organických sloučenin s oxidy dusíku, Hradec Králové, 2000) je zřejmé že se jedná o velmi složité radikálové reakce, které jsou zřejmě iniciovány radikálem OH. Pomůcky: p-kresol, NH3, NaNO2, HCl, toluen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva, 2-nitro-p-kresol, 2,6-dinitro-p-kresol Postup: 1. Na tenkou vrstvu jsme nanesli kapilárou na start p-kresol rozpuštěný v toluenu. 2. Po zaschnutí rozpouštědel jsme start tenké vrstvy vystavily působení NOx po dobu 10sekund (1minuty) /NOx byly vyvinuty reakcí NaNO2 s HCl v kádince/ 3. Tenkou vrstvu jsme vložili do vyvíjecí komory s toluenem jako mobilní fází. 4. Vrstvu jsme detekovali parami amoniaku a oxidy dusíku. Výsledky: a výpočty:
Obrázky 1, 2 a 3 TLC nitrace p-kresolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) C p-kresol S1: 2-nitro-p-kresol S2: 2,6-dinitro-p-kresol, Komentář: Jak je vidět z obrázku 2 při působení NOx 10 sekund dochází ke vzniku 2nitro-p-kresolu a 2,6-dinitro-p-kresolu okamžitě. Pokud necháme působit NOx 1 minutu obr. 3., jsou produktu stejné, ale 2,6-dinitro-p-kresol má výraznější stopu.
1
Příloha 1e Nitrace p-kresolu plynnými NOx Závěr: Metoda používaná na nitraci organických sloučenin oxidy dusíku je velmi efektivní a účinná. Pracuje se s malými kvanty chemikálií a celý průběh reakce je velmi rychlý. Studentům se nabízí zajímavý příklad procesů probíhajících v naší atmosféře.
2
Příloha 1f Bromace fenolu Název: Bromace fenolu Princip: Bromace fenolu probíhá ve smyslu elektrofilní substituce benzenového jádra, které je substituováno hydroxylovou skupinou. Substituce probíhá do poloh ortho a para. Reakce běží až do nejvyššího stupně halogenace na 2,4,6-tribromfenol.
Pomůcky: fenol, NH3, NaNO2, HCl, Br, toluen, chromatografická komora, krycí sklo, mikrokapiláry, tenká vrstva Postup: 1. Na 3 tenké vrstvy jsme nanesli mikrokapilárami fenol rozpuštěný v toluenu. 2. Na tenkou vrstvu č. 1 jsme nechali působit v digestoři páry Br po dobu 10 sekund, na vrstvu č. 2 1 minutu a na č. 3 5 minut. 3. Následně jsme tenké vrstvy vložily do vyvíjecí komory s toluenem jako vyvíjecím rozpouštědlem. 4. Tenké vrstvy jsme detekovali parami amoniaku a oxidy dusíku. Výsledky: Obr. 1
Obr. 2
Obr. 3
Br 10 sekund
Br 1 minuta
Obr. 4
Br 5 minut
Obrázky 1, 2, 3, 4 TLC bromace fenolu (tenká vrstva Silufolu, Kavalier, toluen, detekováno parami amoniaku a oxidy dusíku) S: 2,4,6-tribromfenol F fenol
1
Příloha 1f Bromace fenolu Komentář: Z obrázků je zřejmé, že při působení bromu po dobu 10 sekund dochází k vzniku bromderivátů fenolu. Samotný fenol není kompletně zreagován. viz obr. 2. Objevuje se slabá stopa 2,4,6-tribromfenolu. Při delším intervalu vystavení na 1 minutu se zvyšuje koncentrace 2,4,6-tribromfenolu a klesá koncentrace fenolu a nižších bromačních produktů viz obr. 3. Po vystavení fenolu parám bromu na 5 minut je patrné, že fenol kompletně zreagoval a nejsou přítomny jeho stopy. Koncentrace 2,4,6-tribromfenolu je nejvyšší a bromderiváty jsou přítomny jen ve stopách. Závěr: Reakce probíhá ve smyslu elektrofilní aromatické substituce do poloh ortho a para. Přítomnost hydroxylové skupiny aktivuje jádro a umožňuje další substituce do výše zmíněných poloh. Tento jev je způsoben silným (+M) efektem OH skupiny. Přestože halogeny obecně benzenové jádro deaktivují vlivem silného (–I) efektu, bromace probíhá za laboratorní teploty až do nejvyššího
stupně.
2
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Zjišťování stavu v roce 2006 Otázka č. 1 Z celkového počtu respondentů absolvovalo 42 % studentů gymnázium a 29 % střední průmyslové školy (SPŠ dopravní 13 %, SPŠ elektrotechnická 16 %). Dále 29 % studentů absolvovalo střední odbornou školu jiného typu (střední integrovaná škola 7 %, střední hotelová škola 8 %, obchodní akademie 11 %, SZŠ 3 %). (graf 1)
29%
41%
30%
gymnázia
SOŠ
SPŠ
Graf 1 Absolvovaná střední škola
1
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Otázka č. 2 Na střední škole se respondenti věnovali studiu chemie rozdílnou dobu. 30 % studentů se učilo chemii 4 roky, 25 % studentů 1 rok, 16 % studentů 0 roků, 15 % studentů 3 roky, 13 % studentů 2 roky a jen v 1 % bylo studium chemie delší než 4 roky (v tomto případě respondenti pocházeli z víceletých gymnázií a zahrnuli do délky studia chemie na střední škole i chemii patřící do základního vzdělání). Z odpovědí na otázky 1 a 2 je zřejmé, že posluchači nastupovali ke studiu se značnými rozdíly ve znalostech chemie v závislosti na typu vystudované střední školy. Nejhůře na tom byli studenti, kteří absolvovali střední odborné učiliště, kde chemie nebyla ani jeden rok (16 %). (graf 2)
14%
15%
25% 29% 1%
16% 0 roků
1 rok
2 roky
3 roky
4 roky
4 a více
Graf 2 Délka studia chemie
2
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Otázka č. 3 Pouze 24 % respondentů uvedlo, že jejich oblíbený předmět náleží do přírodovědného bloku (matematika 12 %, chemie 8 %, fyzika 4 %). Z celkového počtu respondentů uvedlo 76 %, že nejoblíbenější předmět je ze skupiny ostatních předmětů (cizí jazyky 27 %, tělesná výchova 19 %, hudební výchova 14 %, zeměpis 10 %, český jazyk 4 %, dějepis 2 %). Z opovědí je zřejmá nízká obliba přírodovědných předmětů. (graf 3) 14% 10%
19%
8%
2%
27%
CH
M
F
ČJ
D
cizí j.
4%
4%
tv
hv
12%
Z
Graf 3 Nejoblíbenější předmět
3
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Otázka č. 4 Z dotázaných respondentů považovalo 32 % matematiku za nejméně oblíbený předmět, 16 % fyziku, 14 % chemii. 38 % respondentů volilo nejméně oblíbený předmět ze skupiny ostatních předmětů (11 %cizí jazyky, 6 % hudební výchovu 4 % tělesnou výchovu, 2 % zeměpis, 11 % český jazyk 4 % dějepis). Neoblíbenost přírodovědného bloku předmětů vyjádřilo 62 % respondentů. (graf 4)
16%
32%
11%
4% 14%
2%
4%
11%
6%
CH
M
F
ČJ
D
cizí j.
hv
tv
Z
Graf 4 Nejméně oblíbený předmět Otázka č. 5 Při zpracovávání této otázky jsme zaznamenali pouze 6 respondentů, kteří na tuto otázku odpověděli (14,6 % z celkového počtu). Každá odpověď byla odlišná a nikdo z respondentů nenapsal stručnou chemickou charakteristiku pokusu. Vzhledem k takto nízkému počtu odpovědí a jejich různorodosti nebyla tato otázka graficky zpracována. (příklady odpovědí: sublimace jodu, reakce sodíku s vodou, krystalizace modré skalice…) Otázka č. 6 Z celkového počtu odevzdaných dotazníků, odpovědělo na tuto otázku jen 5 respondentů (12,2 %). Ve 4 odpovědích se jednalo o demonstrační pokus reakce sodíku s vodou. V jednom případě o sublimaci jodu. Ani tato otázka nebyla graficky zpracována. Vzhledem k tomu, že chemii je věda o chemickém ději a pokus je velmi důležitou součástí vzdělávání v chemii, je alarmující nízký počet odpovědí v otázkách 5 a 6. 4
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Otázka č. 7 Z celkového počtu respondentů by chtělo pokračovat v magisterském studiu 69 % posluchačů, 31 % chtělo po ukončení studia nastoupit do praxe. (graf 5) Zajímavou informací je i fakt, že 79 % studentů z gymnázií by chtělo pokračovat v navazujícím magisterském studiu. Ze střední zdravotnické školy by chtělo pokračovat ve studiu 57 % respondentů, ze SOŠ by chtělo pokračovat 57 % respondentů a z SPŠ by chtělo pokračovat 65 % respondentů. (graf 5)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Mgr studium praxe
Graf 5 Po ukončení bakalářského studia Z vyhodnocení dotazníků vyplývá několik skutečností.
Většina studentů bakalářského studijního programu přírodovědná studia, přišla na naši fakultu z gymnázií. (graf 1)
Délka studia chemie na střední škole byla ve většině případů 3-4 roky. Což odpovídá i faktu, že většina studentů je z gymnázií. (graf 1 a 2)
Všeobecný zájem o studium přírodovědných předmětů je nízký. Byla potvrzena nízká obliba fyziky, matematiky a chemie. (graf 3 a 4)
Většina respondentů by chtěla pokračovat v navazujícím magisterském programu. (graf 5) 5
Příloha 2a Zjišťování stavu v roce 2006 Z těchto výsledků z roku 2006 je možné vyvodit další skutečnosti. Na středních odborných školách (např. s ekonomickým zaměřením) je hodinová dotace chemie, matematiky a ostatních přírodovědných předmětů snížená. Při dotázání na nějaký chemický pokus většina respondentů nedokázala odpovědět a nechala kolonku prázdnou.
6
Příloha 2b Zjišťování stavu v roce 2008 Zjišťování stavu v roce 2008 Celkový počet odevzdaných dotazníků vhodných k zpracování byl 86. Otázka č. 1 Z celkového počtu dotázaných 49% respondentů pocházelo z SPŠ. Dále 39% respondentů z gymnázií a 12 % ze středních odborných škol.(graf 6) Proti roku 2006 klesl počet studentů z gymnázií a narostl počet studentů ze středních průmyslových škol.
39% 49%
0% 12% gymnázia
SZŠ
SOŠ
SPŠ
Graf 6. Absolvovaná střední škola
1
Příloha 2b Zjišťování stavu v roce 2008 Otázka č. 2 Na střední škole se respondenti věnovali studiu chemie rozdílnou dobu, 32% respondentů studovalo chemii 4 roky (což odpovídá 39% příchozích studentů z gymnázií), 26% jeden rok, 12% 2 roky a shodně 12% 0 roků. Dále 10% studentů 3roky a 8% 4 a více let. Můžeme poukázat na fakt, že délka studia chemie na gymnáziích je 3-4 roky. Menšina studentů z víceletých gymnázií je reprezentována 8% respondentů.(graf 7)
8% 12%
32%
26%
10% 0 roků
1 rok
12% 2 roky
3 roky
4 roky
4 a více
Graf 7 Délka studia chemie
2
Příloha 2b Zjišťování stavu v roce 2008 Otázka č. 3 Pouze 30% dotázaných respondentů uvedlo, že jejich oblíbený předmět náleží do bloku přírodovědných předmětů (matematika 15%, chemie 10% a fyzika 5%). Český jazyk mělo v oblibě 6% respondentů. Celkem 64% uvedlo jako oblíbený předmět ze skupiny ostatních předmětů (hudební výchova, tělesná výchova, cizí jazyk, občanská nauka) Celkově byla patrna nižší obliba přírodovědných předmětů.(graf 8)
64%
0% 0%
6%
10%
5% 15% chemie
matematika
fyzika
biochemie
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 8 Nejoblíbenější předmět
3
Příloha 2b Zjišťování stavu v roce 2008 Otázka č. 4 Celkem 36 % respondentů volilo jako neoblíbený předmět ze skupiny ostatních předmětů (cizí jazyky, výchovy, občanská nauka…). Matematiku volilo 29% respondentů, fyziku 15%, český jazyk 11% a chemii 8%. Z přírodovědného bloku předmětů volilo jako neoblíbený předmět 52% respondentů.(graf 9) 8% 36% 29%
1% 11%
chemie
matematika
15%
fyzika
biochemie
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 9 Nejméně oblíbený předmět Otázka č. 5 Při zpracovávání této otázky jsme zaznamenali pouze 19 respondentů, kteří na tuto otázku odpověděli (16,3 % z celkového počtu). Každá odpověď byla odlišná a nikdo z respondentů nenapsal stručnou chemickou charakteristiku pokusu. Vzhledem k takto nízkému počtu odpovědí a jejich různorodosti nebyla tato otázka graficky zpracována. (příklady odpovědí: hoření Mg pásky, reakce sodíku s vodou, krystalizace modré skalice…) Otázka č. 6 Z celkového počtu odevzdaných dotazníků, odpovědělo na tuto otázku jen 19 respondentů (16,3 %). Respondenti dokázali pokus vyjmenovat, ale s jeho popisem a charakteristikou chemického děje již měli problémy. Ani tato otázka nebyla graficky zpracována. Vzhledem k tomu, že chemii je věda o chemickém ději a pokus je velmi důležitou součástí vzdělávání v chemii, je alarmující nízký počet odpovědí v otázkách 5 a 6.
4
Příloha 2b Zjišťování stavu v roce 2008 Otázka č. 7 Z celkového počtu dotázaných by chtělo pokračovat v navazujícím magisterském studiu 89,7%, do praxe chtělo nastoupit 10,3%. (graf 10)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% praxe Mgr studium
Graf 10 Po skončení studia
Z vyhodnocení dotazníků vyplývá několik skutečností.
Většina studentů bakalářského studijního programu přírodovědná studia, pocházela z gymnázií. (graf 6)
Délka studia chemie na střední škole byla ve většině případů 3-4 roky. Což odpovídá i faktu, že většina studentů je z gymnázií. (graf 6 a 7)
Všeobecný zájem o studium přírodovědných předmětů byl nízký. Potvrzena byla nízká obliba fyziky, matematiky a chemie. (graf 8 a 9)
Většina respondentů chtěla pokračovat v navazujícím magisterském programu. (graf 10)
5
Příloha 2c Zjišťování stavu v roce 2009 Zjišťování stavu v roce 2009 Celkový počet dotazníků vhodných k zpracování v roce 2009 byl 142. V porovnání s rokem 2008 s 86 dotazníky počet téměř dvojnásobně narostl. Částečně, nebo chybně vyplněné dotazníky nebyly zahrnuty pro neplatnost do zpracování. Otázka č. 1 Z celkového počtu respondentů přišlo 43% studentů z gymnázií. Déle 32% ze středních průmyslových škol, 22% ze středních odborných škol a 3% ze středních zdravotnických škol. Proti roku 2008 byla skupina studentů z gymnázií větší o 4%. (graf 11)
43% 32%
3%
22%
gymnázia
SZŠ
SOŠ
SPŠ
Graf 11 Typ střední školy
1
Příloha 2c Zjišťování stavu v roce 2009 Otázka č. 2 Celkem 32% respondentů studovalo chemii 4 roky. Z dotázaných 21% studovalo chemii 1 rok a shodně 21% nestudovalo chemii ani jeden rok! Studiu chemie 3 roky se věnovalo 16% respondentů a 9% studovalo chemii 2 roky. Nejpočetnější skupina s délkou studia chemie 4 roky, odpovídá faktu, že většina studentů pocházela z gymnázií. (graf 12) 1% 21%
32%
21%
16%
0 roků
9%
1 rok
2 roky
3 roky
4 roky
4 a více
Graf 12 Délka studia chemie
2
Příloha 2c Zjišťování stavu v roce 2009 Otázka č. 3 Z celkového počtu dotázaných volilo jako nejoblíbenější předmět z přírodovědného bloku 27% (matematika 17%, chemie 6% a fyzika 4%) Nejčastěji byly voleny předměty ze skupiny „ostatních“ předmětů (výchovy, cizí jazyky, zeměpis…) by volilo 68% respondentů. Na předposledním místě je český jazyk s 4% a dějepis s 1%. (graf 13) 68%
6% 1%
chemie
4%
matematika
4%
fyzika
17%
biochemie
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 13 Nejoblíbenější předmět
3
Příloha 2c Zjišťování stavu v roce 2009 Otázka č. 4 Z celkového počtu volilo 57% dotázaných nejméně oblíbeným předmětem z bloku přírodovědných předmětů (matematika 37%, fyzika 14% a chemie 6%) Celkem 32% respondentů volilo neoblíbený předmět ze skupiny ostatních předmětů. Český jazyk jako neoblíbený předmět zvolilo 7% respondentů a 3% dějepis. (graf 14) 6% 37% 33%
3%
7% 14%
chemie
matematika
fyzika
biochemie
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 14 Nejméně oblíbený předmět Otázka č. 5 Při hodnocení odpovědí této otázky jsme zaznamenali 27 respondentů, kteří na tuto otázku odpověděli (38,3% z celkového počtu). Odpovědi se lišily a nikdo z respondentů nenapsal stručnou chemickou charakteristiku pokusu. Vzhledem k takto nízkému počtu odpovědí a jejich různorodosti nebyla tato otázka graficky zpracována. (příklady odpovědí: vyvíjení vodíku, reakce sodíku s vodou, krystalizace modré skalice…) Otázka č. 6 Z celkového počtu odevzdaných dotazníků, odpovědělo na tuto otázku jen 27 respondentů. Respondenti dokázali pokus vyjmenovat, ale s jeho popisem a charakteristikou chemického děje již měli problémy. Ani tato otázka nebyla graficky zpracována.
4
Příloha 2c Zjišťování stavu v roce 2009 Otázka č. 7 Z celkového počtu dotázaných by chtělo pokračovat v navazujícím magisterském studiu 60,3%, do praxe chtělo nastoupit 39,7%. (graf 15) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% praxe Mgr studium
Graf 15 Po skončení studia
Z vyhodnocení dotazníků vyplývá několik skutečností.
Většina studentů bakalářského studijního programu přírodovědná studia, nastoupila na fakultu z gymnázií. (graf 11)
Délka studia chemie na střední škole byla ve většině případů 3-4 roky. Což odpovídá i faktu, že většina studentů byla z gymnázií. (graf 11 a 12) Více než 4 roky studovalo chemii jen 1% respondentů. Tento jev může být vysvětlován upadajícím zájmem o studium na víceletých gymnáziích.
Zájem o studium přírodovědných předmětů byl nízký. Potvrzena byla nízká obliba fyziky, matematiky a chemie. (graf 13 a 14) Zajímavým faktem byla v tomto roce vysoká obliba matematiky (17%) což může souviset s početnější skupinou studentů z gymnázií.
Většina respondentů by chtěla pokračovat v navazujícím magisterském programu. (graf 15)
5
Příloha 2d Zjišťování stavu v roce 2010 Zjišťování stavu v roce 2010 Počet odevzdaných dotazníků určených ke zpracování v roce 2010 byl 144, což je téměř shodné s rokem 2009 s 142 dotazníky. Otázka č. 1 Z celkového počtu respondentů přišlo shodně 34% studentů ze středních průmyslových škol a středních odborných škol (celkem 68% respondentů) Déle 28% z gymnázií a 4% ze středních zdravotnických škol. (graf 16) Porovnáním s rokem 2009 (43 % respondentů) nastoupilo v roce 2010 z gymnázií méně studentů. 34%
34%
28%
4%
gymnázia
SZŠ
SOŠ
SPŠ
Graf 16 Typ střední školy
1
Příloha 2d Zjišťování stavu v roce 2010 Otázka č. 2 Celkem 27% respondentů studovalo chemii 4 roky. Z dotázaných 26% studovalo chemii 1 rok. Alarmujícím faktem je, že 24% nestudovalo chemii ani jeden rok! Studiu chemie 3 roky se věnovalo 12% respondentů a 11% studovalo chemii 2 roky.(graf 17) 11% 26%
12%
24% 27%
0 roků
1 rok
2 roky
3 roky
4 roky
4 a více
Graf 17 Délka studia chemie
2
Příloha 2d Zjišťování stavu v roce 2010 Otázka č. 3 Z celkového počtu dotázaných volilo jako nejoblíbenější předmět z přírodovědného bloku 82% respondentů (matematika 34%, chemie 14% a fyzika 34%) Dějepis volilo jako nejoblíbenější předmět 13% respondentů. Shodně po 1% mají předměty: zeměpis, tělesná výchova, hudební výchova, cizí jazyk a český jazyk. (graf 18)
34% 34%
1%
Ch
1%
1%
14%
1% M
F
Čj
D
Cizí j.
13%
1% Tv
Hv
Z
Graf 18 Nejoblíbenější předmět
3
Příloha 2d Zjišťování stavu v roce 2010 Otázka č. 4 Z celkového počtu volilo 49% dotázaných nejméně oblíbeným předmětem matematiku, 26% fyziku, 11% dějepis, 8% chemii, 2% tělesnou výchovu a 1% hudební výchovu. Celkem 83% respondentů volilo neoblíbený předmět ze skupiny přírodovědných předmětů. (graf 19)
26%
49%
8%
Ch
M
F
11%
2%
3% 1%
Čj
D
Cizí j.
Tv
Hv
Z
Graf 19 Nejméně oblíbený předmět Otázka č. 5 Pouze 5 respondentů si dokázalo vzpomenout na nějaký pokus prováděný jimi samotnými, nebo demonstračním způsobem. Chemický princip provedených pokusů nebyl popsán ani v jednom případě a proto nebude graficky zpracovaná otázka č. 5 a 6. Vzhledem k tomu, že chemii je věda o chemickém ději a pokus je velmi důležitou součástí vzdělávání v chemii, je alarmující nízký počet odpovědí v otázkách 5 a 6.
4
Příloha 2d Zjišťování stavu v roce 2010 Otázka č. 7 Z celkového počtu dotázaných by chtělo pokračovat v navazujícím magisterském studiu 80%, do praxe chtělo nastoupit 20%. (graf 20) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Mgr studium praxe
Graf 20 Po skončení studia
Z vyhodnocení dotazníků vyplývá několik skutečností.
Většina studentů bakalářského studijního programu přírodovědná studia, přišla na fakultu ze středních průmyslových a odborných škol. (graf 16)
Délka studia chemie na střední škole byla v roce 2010 rozložena mezi 0, 1 a 4 roky studia. Tento jev může dopovídat faktům z grafu o typech studované střední školy. (graf 16 a 17)
Zájem o studium přírodovědných předmětů byl vyšší než v roce 2009. Byla potvrzena nízká obliba fyziky, matematiky a chemie. (graf 18 a 19) Zajímavým fakte byla v tomto roce vysoká obliba matematiky (34%).
Většina respondentů chtěla pokračovat v navazujícím magisterském programu. (graf 20)
5
Příloha 2e Zjišťování stavu v roce 2011 Zjišťování stavu v roce 2011 Počet dotazníků vhodných k zpracování poklesl na 116 v porovnání se 144 dotazníky v roce 2010. Otázka č. 1 Z celkového počtu respondentů přišlo shodně 42% studentů z gymnázií, 34% ze středních průmyslových škol a15% ze středních odborných škol. Ze středních zdravotnických škol, nastoupilo ke studiu v tomto roce 9% respondentů (graf 21)
42%
34%
15% 9%
gymnázia
SZŠ
SOŠ
SPŠ
Graf 21 Absolvovaná střední škola
1
Příloha 2e Zjišťování stavu v roce 2011 Otázka č. 2 Celkem 37% respondentů studovalo chemii 4 roky, shodně 15% 3 roky a 0 roků. Z dotázaných studovalo chemii 21% 1 rok, 9% 2 roky a pouhé 3% 4 a více let. (graf 22) 3%
15%
37% 21%
9% 15%
0 roků
1 rok
2 roky
3 roky
4 roky
4 a více
Graf 22 Délka studia chemie
2
Příloha 2e Zjišťování stavu v roce 2011 Otázka č. 3 Nejpočetnější skupinou respondentů byly ti, jež volily předmět ze skupiny ostatních předmětů 59% (výchovy, cizí jazyky…) Jako nejoblíbenější předmět volilo matematiku 21% respondentů, chemii 14% a fyziku 2%. Z přírodovědného bloku celkem volilo jako nejoblíbenější předmět 37% respondentů. (graf 23)
59%
14%
21% 1%
chemie
matematika
3%
fyzika
2%
biochemie
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 23 Nejoblíbenější předmět
3
Příloha 2e Zjišťování stavu v roce 2011 Otázka č. 4 Nejméně oblíbeným přírodovědným předmětem byla matematika 23% následovaná fyzikou 22% a chemií 16%. Ze skupiny ostatních předmětů volilo 33% respondentů. (graf 24)
23%
16%
33%
22% 3%
chemie
matematika
fyzika
biochemie
3%
český jazyk
dějepis
ostatní
Graf 24 Nejméně oblíbený předmět Otázka č. 5 a 6 Pouze 7 respondentů si dokázalo vzpomenout na nějaký pokus prováděný jimi samotnými, nebo demonstračním způsobem. Chemický princip provedených pokusů nebyl popsán ani v jednom případě a proto nebude graficky zpracované otázky 5 a 6.
4
Příloha 2e Zjišťování stavu v roce 2011 Otázka č. 7 Z celkového počtu dotázaných by chtělo pokračovat v navazujícím magisterském studiu 86,3%, do praxe chtělo nastoupit 13,7%. (graf 25) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% praxe Mgr studium
Graf 25 Po skončení studia
Z vyhodnocení dotazníků vyplývá několik skutečností.
Většina studentů bakalářského studijního programu přírodovědná studia, přišla na fakultu z gymnázií. (graf 21)
Délka studia chemie na střední škole byla v roce 2011 3-4 roky, početnou skupiny tvořili studenti, kteří chemii nestudovali ani jeden rok 15%. Tento jev může dopovídat faktům z grafu o typech studované střední školy. (graf 21 a 22)
Zájem o studium přírodovědných předmětů 37%. Byla potvrzena nízká obliba fyziky, matematiky a chemie. (graf 23 a 24).
Většina respondentů by chtěla pokračovat v navazujícím magisterském programu. (graf 25)
Smutným ukazatelem bylo, že studenti v tomto roce nebyli schopni popsat a uspokojivě vysvětlit chemický experiment prováděný během jejich studia na střední škole.
5
Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem
1
Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem
2
Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem
3
Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem
4
Příloha 3 Příprava a experimenty s vodíkem
5
Příloha 4 Příprava a experimenty s kyslíkem Příloha 4 Příprava a experimenty s kyslíkem
1
Příloha 4 Příprava a experimenty s kyslíkem
2
Příloha 4 Příprava a experimenty s kyslíkem Příloha 4
3
Příloha 4 Příprava a experimenty s kyslíkem Příloha 4
4