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.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА (1 ч) 8 КЛАСС

Работа проводится учащимися самостоятельно под контролем учителя.
Предлагаю результат моей многолетней работы по подготовке и проведению практических работ в общеобразовательной школе на уроках химии в 8–9-х классах:

• «Получение и свойства кислорода»,
• «Приготовление растворов солей с определенной массовой долей растворенного вещества»,
• «Обобщение сведений о важнейших классах неорганических соединений»,
• «Электролитическая диссоциация»,
• «Подгруппа кислорода» (см. след. номера газеты «Химия»).

Все они апробированы мною на занятиях. Их можно использовать при изучении школьного курса химии как по новой программе О.С.Габриеляна, так и по программе Г.Е.Рудзитиса, Ф.Г.Фельдмана.
Ученический эксперимент – это вид самостоятельной работы. Эксперимент не только обогащает учащихся новыми понятиями, умениями, навыками, но и является способом проверки истинности приобретенных ими знаний, способствует более глубокому пониманию материала, усвоению знаний. Он позволяет более полно осуществлять принцип вариативности восприятия окружающего мира, т. к. главная сущность этого принципа – связь с жизнью, с будущей практической деятельностью учащихся.

Цели . Уметь получать кислород в лаборатории и собирать его двумя методами: вытеснением воздуха и вытеснением воды; подтвердить опытным путем свойства кислорода; знать правила техники безопасности.
Оборудование . Металлический штатив с лапкой, спиртовка, спички, пробирка с газоотводной трубкой, пробирка, комочек ваты, пипетка, химический стакан, лучинка, препаровальная игла (или проволока), кристаллизатор с водой, две конические колбы с пробками.
Реактивы . KMnO 4 кристаллический (5–6 г), известковая вода Сa(OH) 2 , древесный уголь,
Fe (стальная проволока или скрепка).

Правила техники безопасности.
Осторожно обращайтесь с химическим оборудованием!
Помните! Пробирку прогревают, держа ее в наклонном положении, по всей длине двумя-тремя движениями в пламени спиртовки. При нагревании направляйте отверстие пробирки в сторону от себя и соседей.

Предварительно учащиеся получают домашнее задание, связанное с изучением содержания предстоящей работы по инструкции, одновременно используя материалы учебников 8-го класса авторов О.С.Габриеляна (§ 14, 40) или Г.Е.Рудзитиса, Ф.Г.Фельдмана (§ 19, 20). В тетрадях для практических работ записывают название темы, цель, перечисляют оборудование и реактивы, оформляют таблицу для отчета.

ХОД УРОКА

Один опыт я ставлю выше,
чем тысячу мнений,
рожденных только
воображением.

М.В.Ломоносов

Получение кислорода
методом вытеснения воздуха

(10 мин)

1. Перманганат калия (КMnO 4) поместите в сухую пробирку. У отверстия пробирки положите рыхлый комочек ваты.
2. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, проверьте на герметичность (рис. 1).

Рис. 1. Проверка прибора на герметичность

(Пояснения учителя, как проверить прибор на герметичность.) Укрепите прибор в лапке штатива.

3. Газоотводную трубку опустите в стакан, не касаясь дна, на расстоянии 2–3 мм (рис. 2).

4. Подогрейте вещество в пробирке. (Помните правила техники безопасности.)
5. Проверьте наличие газа тлеющей лучинкой (угольком). Что наблюдаете? Почему кислород можно собирать методом вытеснения воздуха?
6. Соберите полученный кислород в две колбы для проведения следующих опытов. Колбы закройте пробками.
7. Оформите отчет, пользуясь табл. 1, которую разместите на развороте тетради.

Получение кислорода
методом вытеснения воды

(10 мин)

1. Пробирку заполните водой. Закройте пробирку большим пальцем и переверните ее вверх дном. В таком положении опустите руку с пробиркой в кристаллизатор с водой. Подведите к концу газоотводной трубки пробирку, не вынимая ее из воды (рис. 3).

2. Когда кислород вытеснит воду из пробирки, закройте ее большим пальцем и выньте из воды. Почему кислород можно собирать способом вытеснения воды?
Внимание ! Выньте газоотводную трубку из кристаллизатора, не прекращая нагревать пробирку с КMnО 4 . Если этого не сделать, то воду перебросит в горячую пробирку. Почему?

Горение угля в кислороде

(5 мин)

1. Закрепите уголек на металлической проволоке (препаровальной игле) и внесите в пламя спиртовки.
2. Раскаленный уголек опустите в колбу с кислородом. Что наблюдаете? Дайте объяснение (рис. 4).

3. После извлечения несгоревшего угля из колбы, прилейте в нее 5–6 капель известковой воды
Са(ОН) 2 . Что наблюдаете? Дайте объяснение.
4. Оформите отчет о работе в табл. 1.

Горение стальной (железной) проволоки
в кислороде

(5 мин)

1. Прикрепите к одному концу стальной проволоки кусочек спички. Зажгите спичку. Проволоку с горящей спичкой опустите в колбу с кислородом. Что наблюдаете? Дайте объяснение (рис. 5).

2. Оформите отчет о работе в табл. 1.

Таблица 1

Выполняемые операции (что делали)	Рисунки с обозначениями исходных и полученных веществ	Наблюдения. Условия проведения реакций. Уравнения реакций	Объяснения наблюдений. Выводы
Сборка прибора для получения кислорода. Проверка прибора на герметичность
Получение кислорода из KMnО 4 при нагревании
Доказательство получения кислорода c помощью тлеющей лучинки
Характеристика физических свойств О 2 . Собирание О 2 двумя методами: вытеснением воздуха, вытеснением воды
Характеристика химических свойств О 2 . Взаимодействие с простыми веществами: горение угля, горение железа (стальная проволока, скрепка)

Сделайте письменный общий вывод о проделанной работе (5 мин).

ВЫВОД . Один из способов получения кислорода в лаборатории – разложение КMnO 4 . Кислород – газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха в 1,103 раза (M r (O 2) = 32, M r (возд.) = 29, из чего следует 32/29 1,103), малорастворим в воде. Вступает в реакции с простыми веществами, образуя оксиды.

Приведите рабочее место в порядок (3 мин): разберите прибор, расставьте посуду и принадлежности на свои места.

Сдайте тетради на проверку.

Домашнее задание.

Задача . Определите, какое из соединений железа – Fe 2 О 3 или Fe 3 О 4 – богаче железом?

Дано :	Найти :
Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 .	(Fe) в Fe 2 O 3 , " (Fe) в Fe 3 O 4

Решение

(Х) = n A r (X)/M r , где n – число атомов элемента Х в формуле вещества.

M r (Fe 2 O 3) = 56 2 + 16 3 = 160,

(Fe) = 56 2/160 = 0,7,
(Fe) = 70%,

M r (Fe 3 O 4) = 56 3 + 16 4 = 232,
" (Fe) = 56 3/232 = 0,724,
" (Fe) = 72,4%.

Ответ . Fe 3 O 4 богаче железом, чем Fe 2 O 3 .

Учитель во время практической работы наблюдает за правильностью выполнения приемов и операций учащимися и отмечает в карточке учета умений (табл. 2).

Таблица 2

Карточка учета умений

Операции практической работы	Фамилии учащихся
	А	Б	В	Г	Д	Е
Сборка прибора для получения кислорода
Проверка прибора на герметичность
Укрепление пробирки в лапке штатива
Обращение со спиртовкой
Нагревание пробирки с KМnО 4
Проверка выделения О 2
Собирание О 2 в сосуд двумя методами: вытеснением воздуха, вытеснением воды
Сжигание угля
Сжигание Fe (стальной проволоки)
Kультура выполнения опытов
Оформление работы в тетради

Образец отчета о проделанной практической работе (табл. 1)

О 2 получают в лаборатории разложением KMnO 4 при нагревании Доказательство получения кислорода при помощи
тлеющей лучинки Тлеющая лучинка
(уголь) ярко загорается
в О 2 Полученный газ О 2 поддерживает горение Характеристика
физических свойств О 2 . Собирание О 2 двумя методами:
вытеснением воздуха (а),
вытеснением воды (б)

Kислород вытесняет воздух и воду из сосудов Kислород – газ без цвета и запаха,
немного тяжелее воздуха, поэтому
его собирают в сосуд, поставленный на дно. Kислород малорастворим в воде Характеристика химических свойств О 2 . Взаимодействие с простыми веществами: горение угля (a), горение железа (стальная проволока, скрепка, стружка) (б)

Раскаленный уголек ярко горит в О 2:

Известковая вода мутнеет, т. к. образуется нерастворимый в воде осадок СaСО 3:
СО 2 + Са(ОН) 2 СaСО 3 + H 2 O. Железо горит ярким пламенем в кислороде:

О 2 взаимодействует
с простыми
веществами – металлами и неметаллами. Образование осадка белого цвета подтверждает наличие в колбе СО 2

Аппарат Киппа используют для получения водорода, углекислого газа и сероводорода. Твердый реагент помещают в средний шарообразный резервуар аппарата на пластмассовый кольцевой вкладыш, предохраняющий попадание твердого реагента в нижний резервуар. В качестве твердого реагента для получения водорода используют цинковые гранулы, углекислого газа - куски мрамора, сероводорода - куски сульфида железа. Куски насыпаемого твердого вещества должны быть размером около 1 см 3 . Пользоваться порошком не рекомендуется, так как ток газа получится очень сильным. После загрузки твердого реагента в аппарат через верхнее горло заливают жидкий реагент (например, разбавленный раствор соляной кислоты при получении водорода, углекислого газа и сероводорода). Жидкость наливают в таком количестве, чтобы её уровень (при открытом газоотводном кране) достигал половины верхнего шарообразного расширения нижней части. Пропускают газ в течение 5-10 минут, чтобы вытеснить воздух из аппарата, после этого закрывают газоотводный кран, в верхнее горло вставляют предохранительную воронку. Газоотводную трубку соединяют с тем прибором, куда нужно пропускать газ.

При закрытом кране выделяющийся газ вытесняет жидкость из шарообразного расширения аппарата, и он перестает работать. При открывании крана кислота вновь поступает в резервуар с твердым реагентом, и аппарат начинает работать. Это один из самых удобных и безопасных методов получения газов в лаборатории.

Собирать газ в сосуд можно различными методами. Наиболее распространены два метода: метод вытеснения воды и метод вытеснения воздуха. Выбор метода обусловлен свойствами газа, который нужно собрать.

Метод вытеснения воздуха . Этим методом можно собрать практически любой газ. Прежде чем отбирать газ, надо определить, легче он воздуха или тяжелее. Если относительная плотность газа по воздуху больше единицы, то сосуд-приемник следует держать отверстием вверх, так как газ тяжелее воздуха и будет опускаться на дно сосуда (например, углекислый газ, сероводород, кислород, хлор и др.). Если относительная плотность газа по воздуху меньше единицы, то сосуд-приемник следует держать отверстием вниз, так как газ легче воздуха и будет подниматься вверх сосуда (например, водород и др.). Контролировать наполнение сосуда можно по-разному, в зависимости от свойств газа. Например, для определения кислорода используют тлеющую лучину, которая при поднесении к краю сосуда (но не внутрь!) вспыхивает; при определении углекислого газа горячая лучина потухает.

Метод вытеснения воды . Этим методом можно собирать только газы, которые не растворяются в воде (или мало растворяются) и не реагируют с ней. Для собирания газа необходим кристаллизатор, на 1/3 заполненный водой. Сосуд-приемник (чаще всего пробирку) наполняют до верху водой, закрывают пальцем и опускают в кристаллизатор. Когда отверстие сосуда окажется под водой, его открывают и вводят в сосуд газоотводную трубку. После того, как вся вода будет вытеснена из сосуда газом, отверстие закрывают под водой пробкой и вынимают сосуд из кристаллизатора.

Проверка газа на чистоту . Многие газы горят на воздухе. Если поджечь смесь горючего газа с воздухом, то произойдет взрыв, поэтому газ нужно проверять на чистоту. Проверка заключается в сжигании небольшой порции газа (около 15 мл) в пробирке. Для этого газ собирают в пробирку и поджигают от пламени спиртовки. Если газ не содержит примесей воздуха, то горение сопровождается легким хлопком. Если же раздается резкий лающий звук, то газ загрязнен воздухом и необходима его очистка.

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.

Газообразные вещества из курса неорганической и органической химии

При подготовке к предстоящим экзаменам выпускникам 9-х и 11-х классов необходимо изучить вопрос о газообразных веществах (физических свойствах, способах и методах получения, их распознавании и применении). Изучив темы спецификации экзаменов ОГЭ и ЕГЭ (на сайте www . fipi . ru ), можно сказать, что отдельного вопроса по газообразным веществам практически нет (см. таблицу):

ЕГЭ

№14 (Характерные химические свойства углеводородов: алканов, циклоал- канов, алкенов, диенов, алкинов, ароматических углеводородов (бен- зола и толуола). Основные способы получения углеводородов (в лаборатории); №26 (Правила работы в лаборатории. Лабораторная посуда и оборудование. Правила безопасности при работе с едкими, горючими и токсичными веществами, средствами бытовой химии. Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ. Понятие о металлургии: общие способы получения металлов. Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола). Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия. Природные источники углеводородов, их переработка. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поли- конденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки)

Так, в варианте №3 (Химия. Подготовка к ОГЭ-2017. 30 тренировочных материалов по демоверсии 2017 года. 9-й класс: учебно-методическое пособие / под ред. В.Н. Доронькина. – Ростов н/Д: Легион, 2016. – 288 с.) учащимся предложено дать ответ на следующий вопрос (№13):

Верны ли следующие суждения о способах получения веществ?

А. Путём вытеснения воды нельзя собрать аммиак.

Б. Путём вытеснения воды нельзя собрать кислород.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Чтобы ответить на вопрос, ребятам следует знать физические и химические свойства аммиака и кислорода. Аммиак с водой очень хорошо взаимодействует, следовательно, методом вытеснения воды его получить нельзя. Кислород в воде растворяется, но с ней не взаимодействует. Поэтому, методом вытеснения воды его получить можно.

В варианте №4 (Химия. Подготовка к ЕГЭ-2017. 30 тренировочных вариантов по демоверсии на 2017 год: учебно-методическое пособие / под ред. В.Н. Доронькина. – Ростов н/Д: Легион, 2016. – 544 с.) учащимся предложено дать ответ на следующий вопрос (№14):

Из предложенного перечня выберите два вещества, которые образуются при нагревании смеси твёрдых ацетата калия и гидроксида калия:

1) водород;

2) метан;

3) этан;

4) углекислый газ;

5) карбонат калия

Ответ: 2 (реакция декарбоксилирования)

Более того, для сдачи ЕГЭ ребятам необходимо знать, что является сырьём для получения того или иного газообразного вещества. Например, в той же книжке под редакцией Доронькина вопрос №26 (вариант 8) звучит так:

Установите соответствие между получаемым в промышленности веществом и сырьём, используемым для его получения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой:

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами:

Ответ:

В варианте №12 предлагают обучающимся вспомнить область применения некоторых газообразных веществ:

Установите соответствие между веществом и областью его применения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой:

Ответ:

С ребятами, сдающими экзамен по химии в 9-ом классе, на занятиях по подготовке к экзамену, заполняем нижеследующую таблицу (в 11-ом классе повторяем её и расширяем):

Водород

Самый лёгкий газ, в 14,5 раз легче воздуха, с воздухом в соотношении два объёма водорода к одному объёму кислорода образует «гремучий газ»

1. Путём взаимодействия щелочных и щелочноземельных металлов с водой:

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

2. Взаимодействием металлов (до водорода) с соляной кислотой (любой концентрации) и разбавленной серной кислотой:

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

3. Взаимодействием переходных (амфотерных) металлов с концентрированным раствором щёлочи при нагревании:

2Al + 2NaOH ( конц ) + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

4. Разложением воды под действием электрического тока:

2H 2 O = 2H 2 + O 2

По характерному звуку взрыва: сосуд с водородом подносят к пламени (глухой хлопок – чистый водород, «лающий» звук – водород с примесью воздуха):

2H 2 + O 2 2H 2 O

Водородная горелка, производство маргарина, ракетное топливо, производство различных веществ (аммиака, металлов, например вольфрама, соляной кислоты, органических веществ)

Кислород

Бесцветный газ, без запаха; в жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твёрдом – синюю; в воде растворим лучше, чем азот и водород

1. Путём разложения перманганата калия:

2 KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

2. Путём разложения перекиси водорода:

2 H 2 O 2 2 H 2 + O 2

3. Разложение бертолетовой соли (хлората калия):

2KClO 3 = 2KCl + 3O 2

4. Разложение нитратов

5. Разложением воды под действием электрического тока:

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

6. Процесс фотосинтеза:

6 CO 2 + 6 H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Вспыхивание тлеющей лучинки в ёмкости с кислородом

В металлургии, как окислитель ракетного топлива, в авиации для дыхания, в медицине для дыхания, при взрывных работах, для газовой резки и сварки металлов

Углекислый газ

Бесцветный газ, без запаха, в 1,5 раза тяжелее воздуха. При обычных условиях в одном объёме воды растворяется один объём углекислого газа. При давлении 60 атм превращается в бесцветную жидкость. При испарении жидкого углекислого газа часть его превращается в твёрдую снегообразную массу, которую в промышленности прессуют – получают «сухой лёд».

1. В промышленности обжигом известняка:

CaCO 3 CaO + CO 2

2. Действием соляной кислоты на мел или мрамор:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

С помощью горящей лучинки, которая гаснет в атмосфере углекислого газа, или по помутнению известковой воды:

CO 2 + Ca (OH ) 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

Для создания «дыма» на сцене, хранения мороженого, в шипучих напитках, в пенных огнетушителях

Аммиак

Бесцветный газ с резким запахом, почти в 2 раза легче воздуха. Нельзя вдыхать продолжительное время, т.к. он ядовит. Легко сжижается при обычном давлении и температуре -33,4 о С. При испарении жидкого аммиака из окружающей среды поглощается много тепла, поэтому аммиак применяют в холодильных установках. Хорошо растворим в воде: при 20 о С в 1 объёме воды растворяется около 710 объёмов аммиака.

1. В промышленности: при высоких температурах, давлении и в присутствии катализатора азот реагирует с водородом, образуя аммиак:

N 2 +3 H 2 2 NH 3 + Q

2. В лаборатории аммиак получают действием гашёной извести на соли аммония (чаще всего хлорид аммония):

Ca(OH) 2 + 2NH 4 Cl CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O

1) по запаху;

2) по изменению окраски влажной фенолфталеиновой бумажки (стала малинового цвета);

3) по появлению дыма при поднесении стеклянной палочки, смоченной соляной кислотой

1)в холодильных установках; 2) производство минеральных удобрений;

3) производство азотной кислоты;

4) для паяния; 5) получение взрывчатых веществ; 6) в медицине и в быту (нашатырный спирт)

Этилен

При нормальных условиях – бесцветный газ со слабым запахом, частично растворим в воде и этаноле. Хорошо растворим в диэтиловом эфире и углеводородах. Является фитогормоном. Обладает наркотическими свойствами. Самое производимое органическое вещество в мире.

1) В промышленности дегидрированием этана:

CH 3 -CH 3 CH 2 =CH 2 + H 2

2) В лаборатории этилен получают двумя способами:

а) деполимеризацией полиэтилена:

(-CH 2 -CH 2 -) n nCH 2 =CH 2

б) каталитической дегидратацией этилового спирта (в качестве катализатора используют белую глину или чистый оксид алюминия и концентрированную серную кислоту):

C 2 H 5 OHCH 2 =CH 2 + H 2 O

Кислород

+

Вниз дном

+

Вверх дном

Углекислый газ

+

Вниз дном

-

Аммиак

+

Вверх дном

-

Этилен

+

Вниз дном и наклонно

-

Таким образом, для успешной сдачи ОГЭ и ЕГЭ, учащимся необходимо знать способы и методы получения газообразных веществ. Самыми распространенными из них являются кислород, водород, углекислый газ и аммиак. В учебнике 11 класса ребятам предлагается практическая работа №1, которая так и называется «Получение, собирание и распознавание газов». В ней предложено пять вариантов – получение пяти разных газообразных веществ: водород, кислород, углекислого газа, аммиака и этилена. Конечно, на уроке продолжительностью 45 минут все 5 вариантов выполнить просто нереально. Поэтому, прежде чем приступить к данной работе, учащиеся дома заполняют вышепредложенную таблицу. Таким образом, ребята дома при заполнении таблицы повторяют методы и способы получения газообразных веществ (курс химии 8, 9 и 10 класса) и приходят на урок уже теоретически осведомлёнными. За одну тему выпускники получают две оценки. Работа по объёму получается большая, но ребята с удовольствием её выполняют. А стимулом является – хорошая оценка в аттестат.