Анализ распределения физических сил
при использовании химических приборов

Демонстрационный эксперимент и многие практические работы основаны на использовании простых химических приборов. Кроме знакомства с химическими превращениями веществ, учащиеся должны разобраться в физической сущности того, что происходит, и уметь по рисунку прибора объяснить суть происходящего: что куда движется и что где происходит.

Один из приборов в кабинете химии – газометр. На рис. 1 изображен газометр, наполненный газом. Это может быть кислород, как указано на рисунке, углекислый газ или просто воздух. Краны 1 и 2 в этот момент закрыты. Газ в соответствии с законом Паскаля оказывает давление на стенки сосуда и воду. Открываем кран 1 , столб воды из воронки оказывает давление на газ, поджимая его, но т.к. внутреннее давление газа и давление воды уравновешены, ничего не происходит. Открываем кран 2 , газ устремляется в выходное отверстие (скорость потока регулируется осторожным поворотом крана). Давление внутри сосуда падает – и вода из воронки поступает в газометр. После закрытия крана 2 отбор газа прекращается, уровень воды устанавливается на более высокой отметке, т.к. наступает новое равновесие сил. Для прекращения давления воды перекрывается кран 1 .

Второй прибор, сходный с газометром, – аппарат Киппа (рис. 2). В этом приборе можно получать водород из цинка и соляной кислоты (см. рис. 2), сероводород из сернистого железа, углекислый газ из мрамора. В позиции а прибор находится в рабочем состоянии, кран открыт. Крепкий раствор соляной кислоты устремляется в нижнюю часть прибора, заполняет его и смачивает металлический цинк, лежащий на медной сетке. Цинк растворяется в кислоте, реагирует с ней, образующийся водород устремляется в среднюю сферу прибора, вытесняет воздух, смешиваясь с ним. Поэтому выходящий газ надо проверить на чистоту. Распределение физических сил в приборе показано на рис. 2 при помощи стрелок.

Закрываем кран. Водород продолжает образовываться, его количество увеличивается. Поскольку выход газу перекрыт, внутри сферы увеличивается давление. Оно и выдавливает кислоту из средней сферы до тех пор, пока кислота перестанет покрывать поверхность цинка. Химическая реакция прекращается (смоченный кислотой цинк продолжает некоторое время реагировать с ней). Внутреннее давление в приборе, создаваемое водородом, и давление, создаваемое гидравлическим затвором, уравновешиваются.

Рассмотрим методы собирания газов. На рис. 3 показано, как собирать газ методом вытеснения воздуха. Если газ токсичный, эта операция проводится в вытяжном шкафу. Газы, которые тяжелее воздуха, – СО 2 , О 2 , HCl, SO 2 , поступая в банку или химический стакан, вытесняют воздух.

При изучении углекислого газа: его физических свойств и неспособности поддерживать горение органических веществ – демонстрируется занимательный опыт гашения горящей на воздухе парафиновой свечи (рис. 4). Углекислый газ, как более тяжелый, под действием силы тяжести опускается вниз. Он заполняет емкость и вытесняет воздух, который в ней содержится. Свеча в атмосфере углекислого газа гаснет.

Прибор, изображенный на рис. 5, учащиеся собирают на практической работе «Получение кислорода и изучение его свойств». Этот прибор иллюстрирует метод собирания газа путем вытеснения воздуха (физическое обоснование понятия «относительная плотность»).

Другой способ собирания газов связан с вытеснением воды из сосуда. Таким путем можно собирать газы, мало растворяющиеся в воде, в частности оксид азота(II) (рис. 6). Газ из реактора 1 поступает в газоотводную трубку 2 , подведенную под перевернутый вверх дном цилиндр 3 . Проходя через толщу воды, газ собирается в зоне дна цилиндра. Под давлением газа вода выталкивается из цилиндра.

Если газ плохо растворяется в воде, то этим газом мож

но насыщать воду, как показано на рис. 7. В таком приборе можно получать хлор (см. рис. 7) или сернистый газ, добавляя к кристаллам сульфита натрия концентрированную серную кислоту. Газ, получаемый в колбе Вюрца, поступает в газоотводную трубку, концом погруженную в воду. Частично газ растворяется в воде, частично заполняет пространство над водой, вытесняя воздух.

Если газ хорошо растворяется в воде, то его нельзя собирать методом вытеснения воды. На рис. 8 и 9 показано, как собирают хлороводород и аммиак методом вытеснения воздуха. На тех же рис. 8 и 9
(cм. c. 22) изображено растворение газов при погружении пробирок с HCl и NH 3 отверстием в воду.

Если насыщать хлороводородом из пробирки (с реагентами) с газоотводной трубкой, опущенной в воду (рис. 10), то первые порции газа мгновенно растворяются в воде. В 1 л воды растворяется около 500 л хлороводорода, следовательно, поступающий газ не создает избыточного давления. На рис. 10 отмечено последовательное изменение давления газа p внутр в реакционной пробирке по отношению к атмосферному давлению p атм. Давление внутри прибора становится меньше внешнего давления, и вода стремительно заполняет газоотводную трубку и сам прибор. Кроме того, что эксперимент испорчен, еще и пробирка может треснуть.

При изучении химических свойств металлического натрия (рис. 11) важно не только наблюдать его поведение в реакции с водой, но и объяснять наблюдаемые явления. Первое наблюдение – натрий остается на поверхности воды, следовательно, его плотность меньше единицы (плотность воды). Второе наблюдение – натрий «мечется» по воде по причине отталкивающего действия выделяющегося газа. Третье наблюдение – натрий плавится и превращается в шарик. Реакция взаимодействия натрия с водой – экзотермическая. Выделяющейся теплоты достаточно, чтобы расплавить натрий, следовательно, он – легкоплавкий металл. Четвертое наблюдение – реакция сопровождается вспышками, следовательно, теплоты реакции достаточно и для самовозгорания натрия, и для микровзрыва водорода. Если реакцию проводить в узком пространстве (в пробирке), да еще и с крупным кусочком натрия, то взрыва водорода не избежать. Чтобы не было взрыва, реакцию проводят в кристаллизаторе или в большом по диаметру химическом стакане и с использованием маленького кусочка натрия.

Необходимо уделить большое внимание правилу растворения концентрированной серной кислоты в воде (рис. 12). Кислота, как более тяжелая жидкость, устремляется на дно круглодонной колбы. Все остальное показано на рис. 12.

Формированию физико-химического мышления способствует изучение кислорода (как в начальном курсе химии, так и в курсе органической химии). Речь идет об использовании кислорода и ацетилена при сварке и автогенной резке металла (рис. 13). При сварке высокотемпературное пламя горящего в кислороде ацетилена (до 2500 °С) направляется на металлический провод и свариваемое место. Металл плавится, получается шов. При автогенной резке пламя подплавляет металл, а избыток кислорода его выжигает.

Не в каждом кабинете химии имеется кремний как простое вещество. Проверим его на электропроводность при помощи простейшего прибора: щуп с упругими удлиненными железными концами, лампочка (смонтированная на подставке), и электропровод с вилкой (рис. 14). Лампочка светится, но не ярко – видно, что кремний проводит электрический ток, но оказывает ему значительное сопротивление.

Химический элемент кремний – аналог углерода, но радиус его атомов больше, чем радиус атомов углерода. Кремний, как простое вещество, имеет такую же (как алмаз) кристаллическую решетку (атомную) с тетраэдрической направленностью химических связей. В алмазе ковалентные связи прочные, он не проводит электрический ток. В кремнии, как показывает даже грубый эксперимент, какая-то часть электронных пар распаривается, что обусловливает некоторую электропроводность вещества. Кроме того, кремний разогревается (у некоторых учащихся есть возможность в этом убедиться), что тоже свидетельствует о сопротивлении вещества электрическому току.

С большим интересом учащиеся наблюдают за исследованием физических и химических свойств бензола (рис. 15). К небольшому количеству воды приливаем слой бензола толщиной ~2 мм (см. рис. 15, а ). Видно, что две бесцветные жидкости не смешиваются. Интенсивным встряхиванием перемешиваем эту расслоенную смесь, получаем «седую» эмульсию. Фиксируем пробирку в вертикальном положении. Учащиеся наблюдают постепенное расслоение бензола и воды, причем сначала прозрачным становится нижний уровень содержимого, и через непродолжительное время получаем исходное распределение. Молекулы воды легче молекул бензола, но ее плотность несколько больше. Взаимодействие между неполярными молекулами бензола и полярными молекулами воды незначительное, очень слабое, поэтому большая часть бензола выталкивается на поверхность воды (см. рис. 15, б ).

Теперь приливаем бензол к нескольким миллилитрам бромной воды (небольшой интенсивности окрашивания) (см. рис. 15, б ). Жидкости не смешиваются. Интенсивно перемешиваем содержимое пробирки и даем возможность системе отстояться. Бром, прежде растворенный в воде, экстрагируется в слой бензола, что видно по изменению окраски и увеличению ее интенсивности.

К содержимому пробирки прильем несколько миллилитров слабого раствора щелочи
(см. рис. 15, б ). Бром вступает в реакцию со щелочью. Слой бензола обесцвечивается, а образовавшиеся неорганические вещества и вода переходят в нижний (водный) слой.

В данной статье мы ограничились примерами, которые иллюстрируют не просто связь преподавания химии с физикой, а компенсируют недостаток учебников, в которых названные физические явления, как правило, не находят отражения.

Тест «Азот и его соединения»

Вариант 1 1. Наиболее прочная молекула: а) Н 2 ; б) F 2 ; в) О 2 ; г) N 2 .2. Окраска фенолфталеина в растворе аммиака: а) малиновая; б) зеленая; в) желтая; г) синяя.3. Степень окисления +3 у атома азота в соединении: а) NH 4 NO 3 ; б) NaNО 3 ; в) NО 2 ; г) КNO 2 .4. При термическом разложении нитрата меди(II) образуются: а) нитрит меди(II) и О 2 ;б) оксид азота(IV) и О 2 ;в) оксид меди(II), бурый газ NO 2 и О 2 ; г) гидроксид меди(II), N 2 и О 2 .5. Какой ион образован по донорно-акцепторному механизму? а) NH 4 + ; б) NO 3 – ; в) Сl – ; г) SO 4 2– .6. Укажите сильные электролиты: а) азотная кислота; б) азотистая кислота; в) водный раствор аммиака; г) нитрат аммония.7. Водород выделяется при взаимодействии: а) Zn + HNO 3 (разб.); б) Cu + HCl (р-р);в) Al + NaOH + H 2 O;г) Zn + H 2 SO 4 (разб.);д) Fe + HNO 3 (конц.).8. Составьте уравнение реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой, если один из продуктов реакции – нитрат аммония. Укажите коэффициент, стоящий перед окислителем.9.

Дайте названия веществам А, В, С. Вариант 2 1. Cпособом вытеснения воды нельзя собрать:а) азот; б) водород; в) кислород; г) аммиак.2. Реактивом на ион аммония служит раствор: а) сульфата калия; б) нитрата серебра; в) гидроксида натрия; г) хлорида бария.3. При взаимодействии НNО 3 (конц.) с медной стружкой образуется газ: а) N 2 O; б) NН 3 ; в) NO 2 ; г) Н 2 .4. При термическом разложении нитрата натрия образуется: а) оксид натрия, бурый газ NO 2 , O 2 ; б) нитрит натрия и О 2 ;в) натрий, бурый газ NO 2 , O 2 ;г) гидроксид натрия, N 2 , О 2 .5. Cтепень окисления азота в сульфате аммония: а) –3; б) –1; в) +1; г) +3.6. С какими из указанных веществ реагирует концентрированная HNO 3 при обычных условиях? а) NаОН; б) АgСl; в) Al; г) Fе; д) Сu.7. Укажите число ионов в сокращенном ионном уравнении взаимодействия сульфата натрия и нитрата серебра: а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.8. Составьте уравнение взаимодействия магния с разбавленной азотной кислотой, если один из продуктов реакции – простое вещество. Укажите коэффициент, стоящий в уравнении перед окислителем.9. Напишите уравнения реакций для следующих превращений:

Дайте названия веществам А, В, С, D.

Ответы

Вариант 1 1 – г; 2 – а; 3 – г; 4 – в; 5 – а; 6 – а, г; 7 – в, г; 8 – 10,

9. А – NH 3 , B – NH 4 NO 3 , C – NO,

Вариант 2 1 – г; 2 – в; 3 – в; 4 – б; 5 – а; 6 – а, д; 7 – в,

2Ag + + SO 4 2– = Ag 2 SO 4 ;

8 – 12, 9. А – NO, B – NO 2 , C – HNO 3 , D – NH 4 NO 3 ,

Собирание газов

Способы собирания газов определяются их свойствами: раст­воримостью и взаимодействием с водой, с воздухом, ядовитостью газа. Различают два основных способа собирания газа: вытеснением воздуха и вытеснением воды. Вытеснением воздуха собирают газы, которые не взаимодействуют с воздухом.

По относительной плотности газа по воздуху делают заключе­ние, как расположить сосуд для собирания газа (рис. 3, а и б).

На рис. 3, а показано собирание газа с плотностью по воздуху более единицы, например оксида азота(IV), плотность которого по воздуху равна 1,58. На рис. 3, б показано собирание газа с плотностью по воздуху менее единицы, например водорода, аммиа­ка и др.

Вытеснением воды собирают газы, которые не взаимодействуют с водой и плохо в ней растворяются. Этот способ называется соби­ранием газа над водой , которое осуществляют следующим образом (рис. 3, в). Цилиндр или банку заполняют водой и закрывают стек­лянной пластинкой так, чтобы в цилиндре не оставалось пузырьков воздуха. Пластинку придерживают рукой, цилиндр переворачивают и опускают в стеклянную ванну с водой. Под водой пластинку удаляют, в открытое отверстие цилиндра подводят газоотводную трубку. Газ постепенно вытесняет воду из цилиндра и заполняет его, после чего отверстие цилиндра под водой закрывают стеклянной пластинкой и цилиндр, заполненный газом, вынимают. Если газ тяжелее воздуха, то цилиндр ставят дном на стол, а если легче, то дном вверх на пластинку. Газы над водой можно собирать в про­бирки, которые, так же как и цилиндр, заполняют водой, закрывают пальцем и опрокидывают в стакан или в стеклянную ванну с водой.

Ядовитые газы собирают обычно вытеснением воды, так как при этом легко отметить момент, когда газ целиком заполнит сосуд. Если есть необходимость собрать газ способом вытеснения воздуха, то для этого поступают следующим образом (рис. 3, г).

В колбу (банку или цилиндр) вставляют пробку с двумя газо­отводными трубками. Через одну, которая доходит почти до дна, впускают газ, конец другой опускают в стакан (банку) с раствором, поглощающим газ. Так, например, для поглощения оксида серы(IV) в стакан наливают раствор щелочи, а для поглощения хлороводорода - воду. После заполнения колбы (банки) газом вынимают из нее пробку с газоотводными трубками и сосуд быстро закрывают пробкой или стеклянной пластинкой, а пробку с газоотводными трубками помещают в газопоглощающий раствор.

Опыт 1. Получение и собирание кислорода

Соберите установку по рис. 4. В большую сухую пробирку поместите 3-4 г перманганата калия, закройте пробкой с газоотводной трубкой. Укрепите пробирку в штативе наклонно отверстием чуть вверх. Рядом со штативом, на котором укреплена пробирка, поставьте кристаллизатор с водой. Пустую пробирку заполните водой, закройте отверстие стеклянной пластиной и быстро переверните в кристаллизатор вверх дном. Затем в воде выньте стеклянную пластину. В пробирке не должно быть воздуха. Нагрейте в пламени горелки перманганат калия. Опустите конец газоотводной трубки в воду. Наблюдайте появление пузырьков газа.

Через несколько секунд после начала выделения пузырьков подведите конец газоотводной трубки в отверстие пробирки, заполненной водой. Кислород вытесняет воду из пробирки. После заполнения пробирки кислородом закройте ее отверстие стеклянной пластиной и переверните.

Рис. 4. Прибор для получения кислорода В пробирку с кислородом опустите тлеющую

1. Какие лабораторные способы получения кислорода вам известны? Напишите соответствующие уравнения реакций.

2. Опишите наблюдения. Объясните расположение пробирки в ходе опыта.

3. Составьте уравнение химической реакции разложения перманганата калия при нагревании.

4. Почему в пробирке с кислородом тлеющая лучинка вспыхивает?

Опыт 2. Получение водорода действие металла на кислоту

Соберите прибор, состоящий из про­бирки с пробкой, через которую прохо­дит стеклянная трубка с оттянутым кон­цом (рис. 5). Положите в пробирку не­сколько кусочков цинка и прилейте разбавленный раствор серной кислоты. Плотно вставьте пробку с оттянутой трубкой, укрепите пробирку вертикально в зажи­ме штатива. Наблюдайте выделение газа.

Рис. 5. Прибор для получения водорода Выходящий через труб­ку водород не должен содержать примеси воздуха. На газоотводную трубку наденьте перевернутую вверх дном пробир­ку, через полминуты снимите и, не перево­рачивая, поднесите к пламени горелки. Если в пробирку поступил чистый водород, он загорается спо­койно (при загорании слышен слабый звук).

При наличии в пробирке с водородом примеси воздуха про­исходит небольшой взрыв, сопровождающийся резким звуком. В этом случае испытание газа на чистоту следует повторить. Убедившись, что из прибора идет чистый водород, зажечь его у отверстия оттянутой трубки.

Контрольные вопросы и задания:

1. Укажите способы получения и собирания водорода в лаборатории. Напишите соответствующие уравнения реакций.

2. Составьте уравнение химической реакции получения водорода в условиях опыта.

3. Подержите над пламенем водорода сухую пробирку. Какое вещество образуется в результате горения водорода? Напишите уравнение реакции горения водорода.

4. Как проверить полученный в ходе эксперимента водород на чистоту?

Опыт 3. Получение аммиака

Рис. 6. Прибор для получения аммиака В пробирку с газоотводной трубкой поместите предварительно растертую в ступке смесь хлорида аммония и гидроксида кальция (рис. 6). Отметьте запах смеси. Пробирку со смесью закрепите в штативе, чтобы дно ее было чуть выше, чем отверстие. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, на изогнутый конец которой наденьте пробирку вверх дном. Слабо нагрейте пробирку со смесью. К отверстию перевернутой пробирки поднесите лакмусовую бумажку, смоченную водой. Отметить изменение цвета лакмусовой бумажки.

Контрольные вопросы и задания:

1. Какие водородные соединения азота Вам известны? Напишите их формулы и названия.

2. Опишите происходящие явления. бъясните расположение пробирки в ходе опыта.

3. Составьте уравнение реакции взаимодействия хлорида аммония и гидроксида кальция.

Опыт 4. Получение оксида азота(IV)

Соберите прибор по рис. 7. В колбу положите немного медных стружек, в воронку налейте 5-10 мл концентрированной азотной кислоты. Кислоту вливать в колбу небольшими порциями. Соберите выделяющийся газ в про­бирку.

Рис. 7. Прибор для получения оксида азота(IV)

Контрольные вопросы и задания:

1. Опишите происходящие явления. Каков цвет выделяющегося газа?

2. Составьте уравнение реакции взаимодействия меди с концентрированной азотной кислотой.

3. Какими свойствами обладает азотная кислота? От каких факторов зависит состав веществ, до которых она восстанавливается? Приведите примеры реакций между металлами и азотной кислотой, в результате которых продуктами восстановления HNO 3 являются NO 2 , NO, N 2 O, NH 3 .

Опыт 5. Получение хлороводорода

В колбу Вюрца поместите 15-20 г хлорида натрия; в капельную воронку - концент­рированный раствор серной кислоты (рис. 8). Конец газоотводной трубки введите в сухой сосуд для собирания хлороводорода так, чтобы трубка дохо­дила почти до дна. Закройте отверстие сосуда рыхлым комоч­ком ваты.

Рядом с прибором поставьте кристаллизатор с во­дой. Из капельной воронки наливайте раствор серной кислоты.

Для ускоре­ния реакции колбу слегка подогреть. Когда над

ватой, кото­рой закрыто отверстие сосуда, появится туман,

Рис. 8. Прибор для получения хлороводорода нагревание колбы прекратите, а конец газоотводной трубки опустите в колбу с водой (держать трубку близко над водой, не опуская ее в воду). Вынув вату, тотчас закройте отверстие сосуда с хлороводородом стеклянной пла­стинкой. Перевернув сосуд отверстием вниз, погрузите его в кристаллизатор с водой и выньте пластинку.

Контрольные вопросы и задания:

1. Объясните наблю­даемые явления. Какова причина образования тумана?

2. Какова растворимость хлороводорода в воде?

3. Испытайте полученный раствор лакмусовой бумажкой. Чему равно значение рН?

4. Напишите уравнение химической реакции взаимодействия твердого хлорида натрия с концентрированной серной кислотой.

Опыт 6. Получение и собирание оксида углерода(IV)

Установка состоит из аппарата Киппа 1 , заряжен­ного кусками мрамора и соляной кислотой, двух последовательно соединенных склянок Тищенко 2 и 3 (склянка 2 заполнена водой для очистки проходящего оксида углерода(IV) от хлороводорода и от механических примесей, склянка 3 - серной кислотой для осушки газа) и колбы 4 емкостью 250 мл для собирания оксида углерода(IV) (рис. 9).

Рис. 9. Прибор для получения оксида углерода(IV)

Контрольные вопросы и задания:

1. Зажженную лучину опустить в колбу с оксидом углерода(IV) и объяснить, почему гаснет пламя.

2. Составить уравнение реакции образования оксида углерода (IV).

3. Можно ли для получения оксида углерода(IV) использовать концентрированный раствор серной кислоты?

4. Выделяющийся из аппарат Киппа газ пропустить в пробирку с водой, подкрашенной нейтральным раствором лакмуса. Что наблюдается? Напишите уравнения реакции, протекающей при растворении газа в воде.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные характеристики газообразного состояния вещества.

2. Предложите классификацию газов по 4-5 существенным признакам.

3. Как читается закон Авогадро? Каково его математическое выражение?

4. Объясните физический смысл средней молярной массы смеси.

5. Рассчитайте среднюю молярную массу условного воздуха, в котором массовая доля кислорода составляет 23 %, а азота - 77 %.

6. Какие из перечисленных газов легче воздуха: оксид углерода(II), оксид углерода(IV), фтор, неон, ацетилен С 2 Н 2 , фосфин РН 3 ?

7. Определите плотность по водороду газовой смеси, состоящей из аргона объемом 56 л и азота объемом 28 л. Объемы газов приведены к н.у.

8. Открытый сосуд нагревается при постоянном давлении от 17 о С до 307 о С. какая част воздуха (по массе), находящегося в сосуде, при этом вытесняется?

9. Определите массу 3 л азота при 15 о С и давлении 90 кПа.

10. Масса 982,2 мл газа при 100 о С и давлении 986 Па равна 10 г. Определите молярную массу газа.