Šabić, Danica

Croatian

Hrčak - Portal of scientific journals of Croatia

KEMIJA U NASTAVI, Kem. Ind. 73 (1-2) (2024) 75–77  KEMIJA U NASTAVI75Da bih razbila pretjeranu ozbiljnost tijekom održavanja na-stave kemije te kemiju pokušala učenicima približiti na zanimljiviji način, često nastojim sa svojim učenicima pro-vesti prigodan pokus iz kojega mogu proizaći prikladne pouke. Tako svake godine u božićno vrijeme izrađujemo nekakvu formu božićnog drvca. S prvim razredima srednje škole u to vrijeme po-navljam gradivo o elektronskoj konfiguraciji atoma, pa se obično izradi plakat na tu temu (slika 1). Učenici često ističu da im je nakon izrade tog plakata jednostavnije pratiti slijed popunjavanja atomskih orbitala.Slika 1 – Slijed popunjavanja atomskih orbitala elektronima shodno pravilu dijagonale prezentiran u obliku božićnog drvcaNadalje, na laboratorijskim vježbama izrađujemo božićno drvce, koje popularno nazivamo “chemistree”. Drvce izrađujemo kori-steći se stalkom na koji pričvršćujemo kleme odnosno hvataljke, simulirajući njima grane bora. Na krajevima klema uglavimo od-mjerne tikvice ispunjene otopinama različitih obojenja kao ukras (slika 2).Slika 2 – Božićno drvce izrađeno od stalka i klema, okićeno tikvicama s otopinama različitih obojenjaKod učenika viših razreda srednje škole na laboratorijskim vjež-bama prikladnije je izraditi drugačije božićno drvce. To drvce, koje učenici popularno zovu “srebreno drvce”, povezano je s odvijanjem kemijske reakcije u vodenoj otopini, pa pokus može poslužiti kao temelj za kvalitetnu raspravu. Postupak izrade drvca vrlo je jednostavan. Bakrena žica oblikuje se u formu božićnog drvca i uroni u laboratorijsku čašu u kojoj se nalazi razrijeđena otopina srebrova nitrata te pusti da se odvija kemijska reakcija (slike 3 i 4). Pritom učenici promatraju što se događa u čaši. Na vježbama bakrenu žicu obično oblikujemo u dvije forme drvca: plosnatu i spiralnu, sukladno prezentiranom na slikama 3a i 4a.Slika 3 – Izrada srebrenog drvca iz plosnato oblikovane bakrene žiceReakcije učenika na pokus u pravilu su vrlo pozitivne. S odušev-ljenjem promatraju nastajanje i rast nečega što u prvom trenutku nazivaju “iglicama” te jedva čekaju raspravu u kojoj će im biti objašnjena pozadina uočenog fenomena.Nastavno na taj pokus, može se provesti iznimno zanimljiva ra-sprava i učenicima postaviti razna prikladna pitanja. Od učenika se može zatražiti da iznesu svoje mišljenje o tome koja se tvar izlučila na površini bakrene žice. Može se raspravljati o vrsti reak-cije bakra u otopini srebrova nitrata te na temelju toga ponoviti osnove redoks-reakcija. Zanimljivo je i pitanje zašto je otopina poplavila.Božićna kemijaD. Šabić*Prirodoslovna škola Vladimira Preloga Ulica grada Vukovara 269, 10 000 Zagreb*   Danica Šabić, dipl. kem. ing.  e-pošta: danicasabic@gmail.com  KEMIJA U NASTAVI, Kem. Ind. 73 (1-2) (2024) 75–7776Standardni elektrodni potencijal bakra iznosi E0(Cu2+/Cu(s)) = 0,3419 V, a standardni elektrodni potencijal srebra E0(Ag+/Ag(s)) = 0,7996 V.1 Potencijal srebra pozitivniji je od po-tencijala bakra; drugim riječima, ioni Ag+ jači su oksidans od iona Cu2+.2 Zato će bakar oksidirati, a srebrovi ioni reducirati shodno jedn. (1) i (2). oksidacija: + −→ +2C (( aqu ) C )s u 2e (1)redukcija: + −+ →Ag e Ag(s)(aq) (2)Ovdje učenici mogu ponoviti pravila određivanja stehiometrijskih brojeva (koeficijenta) kod redoks-reakcija. Potrebno ih je pod-sjetiti da u reakcijama redukcije i oksidacije treba biti izmijenjen jednak broj elektrona. Kako u jedn. (1) imamo izmjenu dva elek-trona, potrebno je jedn. (2) pomnožiti brojkom 2 da se dobije identičan broj izmijenjenih elektrona. Time jednadžba redukcije zapravo postaje:redukcija: + −+ → )2Ag 2q e 2Aa ) g( (s (3)Zbrajanjem jedn. (1) i (3) dolazi se do konačne kemijske jednadž-be koja opisuje proces otapanja bakrene žice u vodenoj otopini srebrovih iona: + ++ → + 2 )C (s) (aq) (s2u 2Ag Cu)A (aqg (4)Učenici su, na temelju gore napisanog, zaključili da se na površini bakrene žice izlučilo srebro.U kontekstu obojenja otopine u plavo može se konstatirati da je do obojenja došlo zbog nastanka stabilnog kompleksa izme-đu dvovalentnih iona bakra, Cu2+, i molekula vode,3 shodno jedn. (5).( ) ++  + ↔  222 2 6(aq) (l) (aq)Cu 6H O Cu H O (5)Ovdje se, ovisno o tome jesu li učenici upoznati ili ne s kemij-skim kompleksima, mogu ponoviti ili dati osnove kemije kom-pleksnih odnosno koordinacijskih spojeva. To se u prvom redu odnosi na to od čega je građen kemijski kompleks; što je središ-nja čestica, što su ligandi, a što koordinacijski broj. Osobito treba istaknuti da u kompleksnim spojevima imamo oblik kovalentne veze u kojem ligand središnjem atomu daje oba vezna elektrona za uspostavu veze. Takva kovalentna veza naziva se koordinacij-skom vezom.4S učenicima koji teže dodatnom znanju, poput onih koji poha-đaju fakultativnu i dodatnu nastavu iz kemije u vidu priprema za natjecanje, zanimljivo bi bilo raspraviti o činjenici da ioni sre-bra također kompleksiraju s molekulama vode stvarajući najče-šće kompleksni ion [Ag(H2O)2]+. Međutim, dok je kompleksni ion bakra [Cu(H2O)6]2+ plav, kompleks [Ag(H2O)2]+ je bezbojan. Učenici dobro znaju da je bakar kemijski element atomskoga broja 29, te mu je, samim time, elektronska konfiguracija 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Budući da ionu Cu2+ nedostaju dva elektrona, njegova elektronska konfiguracija je 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9, tj. ima jedno nepopunjeno mjesto u vanjskoj d orbitali. Srebro ima atomski broj 47, pa bi njegova elektronska konfigura-cija, shodno slijedu popunjavanja atomskih orbitala prikazanim na slici 1, trebala biti 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d9. Međutim, znanstveno je dokazano da je srebro stabilnije ako ima potpuno popunjenu 4d nego 5s orbitalu, pa je stvarna elek-tronska konfiguracija srebra 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10.5 Samim time, elektronska konfiguracija iona Ag+ je 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10.Slika 5 – Shematski prikaz diobe vanjskih d orbitala iona prijelaznih metala pod utjecajem ligandnog poljaPoznato je da se pod utjecajem ligandnog polja, vanjske d orbita-le iona prijelaznih metala razdjeljuju na dvije razine: jednu višeg, a drugu nižeg energetskog nivoa (slika 5). To je osobito izraženo kod oktaedarskih ligandnih polja. Ako d orbitala višeg nivoa cen-tralnog metalnog iona nije potpuno popunjena, kompleksni ion će, u situaciji kad je izložen bijeloj svjetlosti, davati obojenje. Pri-sjetimo se da je bijela svjetlost spektar svih boja. Elektron (ili više njih, ovisno o broju slobodnih mjesta) iz d orbitale nižeg nivoa centralnog metalnog iona će iz bijele svjetlosti apsorbirati foton zračenja koji energijom odgovara razlici među razdijeljenim d orbitalama (ΔE, jedn. (6)), i time prijeći u d orbitalu višeg nivoa.(6)U jedn. (6) h predstavlja Planckovu konstantu u iznosu 6,62607015 · 10–34 J s, c brzinu svjetlosti, a ν i λ frekvenciju od-nosno valnu duljinu apsorbiranog dijela spektra bijele svjetlosti. Slika 4 – Izrada srebrenog drvca iz spiralno oblikovane bakrene žiceKEMIJA U NASTAVI, Kem. Ind. 73 (1-2) (2024) 75–77  77Zbog toga što jedan dio bijele svjetlosti biva apsorbiran pro-laskom kroz otopinu kompleksnog iona, promatraču je vidljiv samo preostali dio spektra. Razlika u nivoima među razdijelje-nim d orbitalama to je veća što je ligandno polje jače. Tako su primjerice, u slučaju veoma jakih ligandnih polja, razdvajanja d orbitala tolika da elektroni za d-d prijelaz moraju apsorbirati fotone velikog sadržaja energije, primjerice one koji odgovaraju ljubičasto-plavom dijelu spektra. Kao rezultat, takve otopine su žućkastih nijansi. Kod slabih ligandnih polja apsorbiraju se fo-toni s nižim sadržajem energije, primjerice oni koji odgovaraju žuto-zelenom dijelu spektra, pa su otopine takvih kompleksa ljubičastih nijansi.6U slučaju kompleksa [Cu(H2O)6]2+ imamo oktaedarsko ligandno polje koje djeluje na centralni metalni ion (slika  6A) i razdvaja njegovu vanjsku d orbitalu na dvije razine. Uz to, centralni me-talni ion ima jedno slobodno mjesto u d orbitali višeg nivoa te može doći do apsorpcije dijela vidljivog spektra uz d-d prijelaz elektrona (slika 6B). Kod [Ag(H2O)2]+ kompleksa ligandno polje je relativno slabo, no i bez ulaska u raspravu dovodi li to polje do razdvajanja d orbitala, jasno je da otopina [Ag(H2O)2]+ iona ne može biti obojena jer Ag+ ion ima potpuno popunjenu vanjsku d orbitalu čime nije moguće odvijanje d-d prijelaza elektrona.Naposljetku, vezano uz pokus izrada srebrenog drvca, mogu se obraditi i druge nastavne teme. Primjerice, mogu se temat-ski obraditi elementi 11. skupine periodnog sustava elemenata, kojoj uz bakar i srebro pripada još i zlato te spomenuti njihovi najznačajniji spojevi.Izvori1.  P1: Standard Reduction Potentials by Element, u: LibreTexts Chemistry, dostupno na: https://chem.libretexts.org/Ancillary_Materials/Reference/Reference_Tables/Electrochemistry_Tables/P1%3A_Standard_Reduction_Potentials_by_Element (pristupljeno 4. siječnja 2024.).2.  M. Sikirica, Zbirka kemijskih pokusa za osnovnu i srednju školu, priručnik za nastavnike i učenike, Školska knjiga, Zagreb, 2011.3.  M. Mazalin-Zlonoga, A. Petreski, Zbirka riješenih primjera i zadataka iz anorganske kemije, Profil, Zagreb, 2005.4.  J. Clark, Coordinate (Dative Covalent) Bonding, LibreTexts Chemistry, dostupno na: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Chemical_Bonding/Fundamentals_of_Chemical_Bonding/Coordinate_(Dative_Covalent)_Bonding (pristupljeno 4. siječnja 2024.).5.  E. Vitz, J. W. Moore, J. Shorb, X. Prat-Resina, T. Wendorff, A. Hahn, 5.17: Electron Configurations and the Periodic Table, u: LibreTexts Chemistry, dostupno na: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/ChemPRIME_(Moore_et_al.)/05%3A_The_Electronic_Structure_of_Atoms/5.17%3A_Electron_Configurations_and_the_Periodic_Table (pristupljeno 2. siječnja 2024.).6.  24.7: Color and the Colors of Complexes, u: LibreTexts Chemistry, dostupno na: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map%3A_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/24%3A_Complex_Ions_and_Coordination_Compounds/24.07%3A_Color_and_the_Colors_of_Complexes (pristupljeno 2. siječnja 2024.).A BSlika 6 – Shematski prikaz: A) oktaedarskog razmještaja liganada vode u [Cu(H2O)6]2+ ionu i B) razdijeljenosti 3d9 orbitale bakrova(II) iona pod utjecajem ligandnog polja

Kemija u nastavi: Božićna kemija

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Hrčak - Portal of scientific journals of Croatia