Проблемный эксперимент на уроках химии

ПРОБЛЕМНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
НА УРОКАХ ХИМИИ

П.И.БЕСПАЛОВ,
доцент Московского педагогического
государственного университета

Учебный химический эксперимент – метод обучения, специфика которого состоит в способе познания истины. При самостоятельном выполнении опытов и наблюдениях за ними учащиеся осуществляют качественные изменения веществ. Они познают многообразную природу веществ, накапливают факты для сравнений, обобщений, выводов, убеждаются в возможности управлять сложными химическими процессами.
Эксперимент – важнейший путь связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Химический эксперимент, применяемый в школьной практике, обычно служит подтверждением определенных теоретических положений.
Однако результаты некоторых химических опытов неожиданны и не вписываются в традиционные представления о свойствах веществ или закономерностях протекания химических реакций. Например, возможна ли химическая реакция между бромоводородной кислотой и металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений металлов после водорода, или может ли слабая кислота вытеснить более сильную кислоту из ее соли? Ответы в этих случаях кажутся однозначными – нет. Тем не менее такие примеры существуют и имеют научное объяснение. Подобные опыты – благодатная почва для введения в учебный процесс проблемного обучения, формирования диалектического и системного мышления учащихся.
Объяснение некоторых опытов выходит за рамки школьной программы, поэтому эти опыты адресованы учащимся, которые проявляют повышенный интерес к химической науке.
Растворение меди в бромоводородной кислоте
Техника проведения опытов очень проста и в большинстве случаев не требует больших затрат времени на подготовку и проведение эксперимента.

Реактивы. Свежеосажденная медь, крепкий раствор бромоводородной кислоты.
Проведение опыта. В пробирку с небольшим количеством свежеосажденной меди приливают
3–5 мл бромоводородной кислоты и осторожно нагревают на пламени спиртовки. Начинается энергичное взаимодействие меди с кислотой. Выделяющийся водород собирают в небольшую пробирку или непосредственно поджигают у отверстия пробирки. Водород горит зеленоватым пламенем.
Объяснение опыта. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой можно объяснить тем, что в результате реакции образуется комплексное соединение Н[CuBr₂]:

4HBr + 2Сu = 2H[CuBr₂] + H₂.

Комплексный ион [CuBr₂]– достаточно прочный, вследствие чего концентрация ионов меди Cu+ в растворе оказывается ничтожно малой.
Поэтому электродный потенциал меди становится отрицательным и происходит выделение водорода.
Аналогичный опыт можно провести с серебром и йодистоводородной кислотой. С порошком серебра реакция идет очень бурно. Образующийся йодид серебра практически нерастворим в воде (ПР*(AgI) = 8,3•10^–17). Поэтому и в данном случае концентрация ионов серебра в растворе ничтожна и потенциал серебра становится отрицательным.
Получение свежеосажденной меди. В фарфоровую чашку наливают насыщенный раствор сульфата меди(II) и вносят гранулы цинка. Выделяющаяся медь осаждается на цинке в виде рыхлой массы:

CuSO₄ (р-р) + Zn = ZnSO₄ (р-р) + Сu.

При перемешивании раствора металлическая медь оседает на дне чашки. Осадок отфильтровывают, промывают, выбирают непрореагировавший цинк, а полученную медь, не высушивая, используют для опыта.

*ПР – обозначение произведения растворимости – постоянной величины для насыщенного раствора труднорастворимого электролита. Так, произведение растворимости для йодида серебра равно произведению концентраций ионов (в моль/л): ПР(AgI) = c(Ag+)•c(I–) = 8,3•10^–17

Получение бромоводородной кислоты.

1-й способ

Взаимодействие разбавленной серной кислоты с бромидами. При действии на бромиды натрия или калия раствором, полученным из трех объемов концентрированной серной кислоты ( = 1,84 г/см3) и одного объема воды, выделяется бромоводород:

NaBr + H2SO₄ (р-р) = NaHSO₄ + HBr.

Реакцию можно проводить на холоду или при легком нагревании.
Использовать для опыта концентрированную серную кислоту нельзя, т. к. происходит окисление бромоводорода:

2HBr + H₂SO₄ (конц.) = Br₂ + SO₂ + 2H₂O.

14 г бромида натрия или эквивалентное количество бромида калия помещают в небольшую колбу или в большую пробирку, смачивают раствором серной кислоты и быстро закрывают корковой пробкой с газоотводной трубкой. Опускают конец газоотводной трубки в пробирку с 5 мл воды, при этом газоотводная трубка не должна касаться воды. Пробирку с водой закрывают небольшим комочком ваты и охлаждают снегом или льдом. При замедлении реакции колбу подогревают горячей водой. В результате получается достаточно концентрированный раствор кислоты.

2-й способ

Взаимодействие красного фосфора с бромом. При наличии брома можно применить более удобный способ получения бромоводорода. В пробирку с боковым отростком и газоотводной трубкой (от прибора Кирюшкина) помещают 1 г красного фосфора и 2 мл воды. Пробирку закрывают корковой пробкой со вставленным в нее одноразовым шприцем (иглу удаляют), предварительно наполненным 3 мл брома. Нажатием на поршень шприца медленно капают бром в смесь фосфора и воды. При этом протекает бурная реакция взаимодействия фосфора и брома, не требующая нагревания (cмесь даже приходится охлаждать):

2P + 5Br₂ + 6H₂O = 2HPO₃ + 10HBr.

Выделяющийся бромоводород направляют в пробирку с 5 мл воды, которую также охлаждают. Получающаяся при этом кислота окрашена в желтый цвет (примесь брома), однако это не влияет на ход реакции.

Фенолфталеиновый в щелочах не всегда малиновый

Реактивы. 0,1%-й спиртовой раствор фенолфталеина, 1%-й раствор гидроксида натрия или калия, 10%-й раствор гидроксида натрия или калия, 5%-й раствор серной кислоты.
Проведение опыта. К 2–3 мл воды прибавляют 2 капли раствора фенолфталеина, при этом образуется слабая муть. При приливании капли 1%-го раствора щелочи муть исчезает и жидкость окрашивается в малиновый цвет. Если прибавить еще несколько капель 10%-го раствора щелочи, то смесь обесцвечивается. К полученной бесцветной сильнощелочной жидкости добавляют по каплям 5%-й раствор серной кислоты. Раствор сначала окрашивается в малиновый цвет, а затем вновь обесцвечивается.
Объяснение опыта. Лактонное кольцо молекулы фенолфталеина в щелочном растворе гидролизуется. Образующаяся кислота (n,n'-диокситрифенилкарбинол-о-карбоновая) дает соль, причем ионизируются атомы водорода карбоксила и одного из фенольных гидроксилов, а от другого фенольного гидроксила и спиртового гидроксила отщепляется молекула воды. Образующийся при этом в растворе двухзарядный анион имеет хиноидное строение и сообщает раствору интенсивно-малиновую окраску.
При избытке щелочи ионизируется и нейтрализуется также и второй фенольный гидроксил, что исключает возможность образования хиноидной структуры. Поэтому трехзарядный анион трехзамещенной соли фенолфталеина бесцветен. При постепенном подкислении раствора эти превращения идут в обратной последовательности.
Химизм протекающих процессов следующий:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Слабая кислота вытесняет сильную из ее соли

Реактивы. Борная кислота, хлорид натрия, универсальная индикаторная бумага или синяя лакмусовая.
Проведение опыта. В пробирку помещают тонкоизмельченную смесь, состоящую из 1 г хлорида натрия и 3 г борной кислоты. Закрепляют пробирку в лапке пробиркодержателя и нагревают на пламени спиртовки. Через некоторое время у отверстия пробирки появляется белый дым. Подносят к отверстию пробирки универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой. Наблюдается покраснение бумаги. (При проведении опыта учителю необходимо отметить нелетучесть борной кислоты.)
Объяснение опыта. При нагревании смеси протекает следующая реакция:

2NaCl + 4H₃BO₃ = Na₂B₄O₇ + 5H₂O + 2HCl.

В растворе реакция протекала бы в обратную сторону – соляная кислота вытеснила борную из ее соли. При нагревании же происходит смещение равновесия в сторону образования летучих продуктов – хлороводорода и водяных паров. При этом также образуется устойчивый к нагреванию тетраборат натрия. Возможность протекания данного химического процесса можно подтвердить и термодинамическими расчетами.

Вычислим изменение энтальпии химической реакции[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение] , используя стандартные энтальпии образования участвующих в реакции веществ.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Согласно следствию из закона Гесса:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Аналогично вычислим изменение энтропии химической реакции [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение], используя стандартные энтропии образования веществ.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

На основе полученных данных рассчитаем изменение энергии Гиббса, используя уравнение:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Положительное значение энергии Гиббса говорит о невозможности протекания химической реакции в стандартных условиях. Рассчитаем, при какой температуре возможно протекание данной реакции:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Данная химическая реакция протекает при небольшом нагревании.

Неожиданные превращения

Реактивы. Тетраборат натрия, сахароза, раствор фенолфталеина.
Проведение опыта. В пробирку наливают 5–6 мл дистиллированной воды, растворяют в ней несколько кристаллов тетрабората натрия (буры) и добавляют 2–3 капли спиртового раствора фенолфталеина. Раствор окрашивается в малиновый цвет. К окрашенному раствору при помешивании добавляют около 1 г сахарозы. Малиновая окраска раствора исчезает. При нагревании раствора на пламени спиртовки малиновая окраска появляется, при остывании окраска исчезает.
Объяснение опыта. В растворе тетраборат натрия подвергается гидролизу:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

поэтому фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет.
Борная кислота легко образует эфиры со спиртами и органическими соединениями, содержащими гидроксильные группы. Например, сахароза образует с борной кислотой эфир, обладающий сильными кислотными свойствами, поэтому малиновая окраска исчезает:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

При нагревании эфир распадается, поэтому малиновая окраска появляется. При охлаждении окраска исчезает, т. к. снова образуется эфир.

Растворение меди в растворе хлорида железа(III)

Реактивы. Cвежеосажденная медь, 10%-й раствор хлорида железа(III).
Проведение опыта. В пробирку помещают немного свежеосажденной меди и приливают раствор хлорида железа(III). В течение минуты медь растворяется и раствор окрашивается в зеленый цвет. Для увеличения скорости реакции раствор можно немного подогреть. При использовании медных опилок, стружек или медной проволоки реакция идет слишком медленно.
Объяснение опыта. Данная химическая реакция используется в радиотехнике для травления плат. При этом протекает следующий химический процесс:

Cu + FeCl₃ = CuCl₂ + FeCl₂.

Реакция является окислительно-восстановительной. Ион железа Fe³⁺ – окислитель, атом меди – восстановитель. Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат их окислительно-восстановительные (электродные) потенциалы (E⁰). Чем больше алгебраическая величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала данного атома или иона, тем больше его окислительные свойства, а чем меньше алгебраическое значение окислительно-восстановительного потенциала атома или иона, тем больше его восстановительные свойства.
Для определения направления окислительно-восстановительной реакции необходимо найти электродвижущую силу (ЭДС) элемента, образованного из данного окислителя и восстановителя. ЭДС окислительно-восстановительного элемента равна разности двух электродных потенциалов:

ЭДС = Е⁰ (окислителя) – Е⁰ (восстановителя).

Если ЭДС > 0, то данная реакция возможна. Окислительно-восстановительные потенциалы пар Е⁰(Fe³⁺/Fe²⁺) = 0,771 В, Е⁰(Cu²⁺/Cu⁰) = 0,338 В. Найдем электродвижущую силу реакции:

ЭДС = 0,771 – 0,338 = 0,433 В.

Положительное значение ЭДС подтверждает возможность протекания данной реакции в стандартных условиях (температура 25 °С и давление 101,325 кПа).

Растворение меди в растворе аммиака

Реактивы. 15–25%-й раствор аммиака, свежеосажденная медь.
Проведение опыта. В колбу объемом 250–300 мл помещают несколько крупинок свежеосажденной меди и приливают 15–20 мл крепкого раствора аммиака. Колбу закрывают пробкой и сильно встряхивают в течение нескольких секунд. Раствор приобретает голубую окраску.
Объяснение опыта. Растворение меди в растворе аммиака можно объяснить тем, что при окислении меди кислородом воздуха в присутствии аммиака образуется устойчивый комплексный ион, который и определяет направление химической реакции:

2Cu + 8NH₃ + O₂ + 2H2O = 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4ОH^–.

Поскольку реакция окислительно-восстановительная, можно рассчитать ЭДС реакции:

Cu + 4NH₃ – 2e = [Cu(NH₃)₄]²⁺, Е0 = –0,07 В;

O₂ + 2H₂O + 4е = 4OH^–, Е0 = 0,401 В.

ЭДС = 0,401 – (–0,07) = 0,471 В.
Положительное значение ЭДС, как и в предыдущем опыте, говорит о возможности протекания реакции.

Превращение тиомочевины в роданид аммония

Реактивы. Тиомочевина, 5%-й раствор хлорида железа(III).
Проведение опыта. Несколько кристаллов тиомочевины растворяют в воде и к полученному раствору приливают несколько капель раствора хлорида железа(III). Заметных изменений в смеси не происходит. Затем в сухую пробирку насыпают немного тиомочевины, нагревают ее в пламени спиртовки до плавления. Плав охлаждают, растворяют в воде и к полученному раствору приливают несколько капель раствора хлорида железа(III). Появляется кроваво-красное окрашивание.
Объяснение опыта. При нагревании тиомочевины выше 70 °С начинается изомеризация данного вещества в роданид аммония, который и обнаруживается ионами трехвалентного железа:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Этот опыт можно демонстрировать при изучении реакции изомеризации.