Демонстрационный химический эксперимент как эффективнейшее средство наглядности в преподавании химии

ВВЕДЕНИЕ

Демонстрационный химический эксперимент является эффективнейшим средством наглядности в преподавании химии. Студенты получают возможность знакомиться не только с внешним видом веществ, но и с их изменениями, с условиями различных химических превращений, учатся наблюдать и делать выводы из наблюдений, знакомятся с основными приемами химического эксперимента.

ГЛАВА 1 ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА УРОКАХ ХИМИИ

Демонстрация химических опытов на лекциях дает эмоциональную разгрузку, поднимает интерес к изложению учебного материала, позволяет сделать смысловую паузу и тем самым способствует лучшему усвоению курса химии.

Умение показывать опыты не приходит само собой. Чтобы овладеть им в совершенстве, недостаточно прочитать пусть даже и самые хорошие пособия; нужна повседневная практика. Овладение техникой и методикой химического демонстрационного эксперимента важнейшая задача в подготовке квалифицированного преподавателя.

1. Меры предосторожности при проведении химических демонстраций

Первое и основное требование ко всякому химическому опыту - это его безопасность. Все опыты с ядовитыми, едкими и летучими веществами следует проводить в вытяжном шкафу или под вытяжным зонтом демонстрационного стола; работу с огнеопасными веществами - вдали от открытого огня.

Нельзя наклонять лицо над нагреваемыми веществами или реакционными смесями, вдыхать пары веществ. Необходимо беречь руки при работе с едкими веществами и смесями, способными к воспламенению. При работе с твердыми щелочами, щелочными металлами, оксидом фосфора (V), концентрированными кислотами следует защищать глаза очками; при разбавлении концентрированных кислот, особенно серной, кислоту надо вливать в воду, а не наоборот.

Работу со ртутью надо вести на специальных поддонах или подносах с высокими бортами. Остатки ртути и ее соединений, щелочных металлов, соединений редких элементов следует собирать в специальные сосуды и утилизировать; стеклянные приборы с остатками белого и красного фосфора перед мытьем заливать раствором сульфата меди для обезвреживания. При работе со щелочными и щелочноземельными металлами надо особенно остерегаться контакта их остатков и отходов с водой.

2. Техническое обеспечение демонстрационных опытов

Очень важно усвоить хороший стиль экспериментальной работы. Все технические детали приборов должны быть изготовлены правильно и подогнаны безукоризненно. Крайне отрицательное впечатление производят плохо подобранные пробки, трубки с неоплавленными или необрезанными концами, грубо вырезанные фильтры, неряшливо собранные приборы, грязная или разнокалиберная лабораторная посуда.

Для проведения демонстрационных опытов применяется химическая посуда из тонкостенного и толстостенного лабораторного стекла. Посуда из тонкостенного стекла должна быть химически- и термостойкой. Реакции, идущие при высоких температурах, требуют использования жаростойкой химической посуды из стекла марки «пирекс» (температура размягчения около 600 ⁰С) или кварцевого стекла (температура размягчения около 1600 ⁰С). Кварцевое стекло устойчиво по отношению к большинству агрессивных химических веществ, за исключением фтороводородной и ортофосфорной кислот и расплавов щелочей. Кроме стеклянной, применяется фарфоровая, фторопластовая и металлическая лабораторная посуда и детали из этих материалов. Перед проведением опыта и после эксперимента посуду тщательно моют.

Проведение демонстрационных опытов часто связано с перемешиванием реакционных смесей. Оно может осуществляться вручную стеклянной палочкой (если реакцию ведут в открытом сосуде или в чашке Петри на полилюксе), при помощи механической или магнитной мешалки.

Подготовленные для демонстрации приборы и оборудование целесообразно иметь под рукой в двух экземплярах (на случай внезапного выхода из строя или поломки); в крайнем случае, следует подготовить запасные детали этого прибора. Химические реактивы надо использовать нужной марки и квалификации по чистоте, растворы ? надлежащей концентрации. Размеры оборудования и количества реактивов должны обеспечивать наглядность опыта: все, что происходит на демонстрационном столе, аудитория должна хорошо видеть. На емкостях с растворами и сухими реактивами должны быть этикетки, написанные аккуратно и химически грамотно.

Если лабораторный стол не имеет вытяжных устройств, их можно до некоторой степени заменить большим стеклянным колоколом, под который помещают газовыделяющие или возгорающиеся реакционные смеси. В этом случае колокол ставят на специальную подставку, вместе с которой можно будет потом вынести его из аудитории.

3. Использование проекционной техники

Удобной формой обеспечения наглядности опыта при малом расходе реактивов может служить использование проекционной аппаратуры (например, слайдопроектора или полилюкса). Можно применять и видеотехнику с демонстрацией видеозаписей, сделанных заранее в лаборатории при выполнении сложного опыта.

Полилюкс (кадоскоп) - один из приборов, которые могут быть успешно использованы для проецирования на экран прозрачных бесцветных или окрашенных объектов, чтобы наблюдать за их состоянием (изменением цвета, выделением газа, осаждением или растворением твердой фазы). Обычно полилюкс используют для показа на экране иллюстративного материала на прозрачных пленках - фолиях.

Для демонстрации опытов прозрачные стеклянные сосуды (чашки Петри или тонкостенные стаканы) помещают на кадровое световое окно полилюкса, предварительно защитив его поверхность от попадания реактивов стеклянной пластиной размером 25? 25 см. На экран эти сосуды проецируются в виде кругов того или иного цвета и вида, отвечающего состоянию реакционной смеси в них: например, выделение газа будет заметно по появлению мелких кружочков ? пузырьков, выпадение осадка дает затемнение проекционного круга, изменение цвета раствора, как правило, тоже хорошо видно на экране.

Основное требование при проведении опыта на полилюксе обеспечение хорошей видимости объекта. Для этого наливают жидкие вещества в чашки очень тонким слоем (не более 5?7 мм), используют малые количества реагирующих веществ.

Очень важно учитывать также, что при работе мощной лампы проектора неизбежно происходит нагревание растворов в реакционных сосудах, что отражается на ходе некоторых реакций. Поэтому опыты на проекторе делают быстро и сразу же после их окончания снимают посуду и защитную пластинку со светового окна.

4. Подготовка и показ опытов

Любому демонстрационному опыту отводится краткий промежуток времени, и поэтому он всегда должен быть тщательно подготовлен и проверен. Демонстрация опытов ? это искусство, требующее особых навыков и напряженного внимания: каждый опыт, даже если он освоен и неоднократно выполнялся, должен быть заранее прорепетирован.

Разумеется, положительный эффект дает только удавшийся опыт. Если опыт не получился, надо стараться объяснить причину неудачи. В этом случае полезно повторить опыт.

Во время показа опыта нужно объяснять каждую операцию, фиксируя внимание аудитории на его этапах. При этом надо избегать всего, что отвлекает внимание.

Выбор конкретных опытов по теме лекции или урока определяется как учебной задачей, так и ресурсами учебного заведения. Однако есть правило, которое можно считать универсальным: лучше показать два? три опыта, но детально их объяснить, нежели продемонстрировать десять опытов без вразумительного толкования.

ГЛАВА 2 ДЕМОНСТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ОПЫТОВ В ОТКРЫТЫХ ПРИБОРАХ

Для изучения химических свойств некоторых веществ, а также химизма получения аммиака, серной, азотной кислот, спиртов, альдегидов и т. д. приходится собирать довольно сложные закрытые (нередко герметичные) установки, в которых возможны взрывы при несоблюдении мер предосторожности. Второстепенные детали этих приборов часто затрудняют восприятие сущности изучаемых химических процессов.

Ниже мы приводим описание и методику использования открытых приборов, позволяющих сделать химический эксперимент безопасным и простым в выполнении.

Синтез аммиака

Для демонстрации получения аммиака собираем прибор, изображенный на рис.1. В штативе укрепляем вверх дном плоскодонную или круглодонную колбу 3 (объем 100-150 мл) с широким и коротким горлом. Через корковую или резиновую пробку 6 пропускаем два медных или железных электрода 5, между которыми укрепляем кусочек спирали 4 от электроплитки и включаем ее в сеть через реостат 7. В колбу вводим стеклянную трубку 2, по которой будет поступать через тройник 1 смесь азота и водорода.

В качестве катализатора используем восстановленное железо. Его предварительно перемешиваем с асбестовой ватой и помещаем внутрь спирали. Чтобы избежать потерь катализатора (может ссыпаться со спирали), в смесь восстановленного железа с асбестовой ватой добавляем небольшое количество силикатного клея. Смесь тщательно высушиваем и вносим в спираль. Лучше наклеить порошок катализатора с помощью силикатного клея на лист тонкого асбеста. Просушить на воздухе, разрезать на узкие полоски и вставить их в спираль. Катализатор во всех случаях можно использовать лишь один раз.

В начале опыта после проверки водорода на чистоту на внутренних стенках колбы (в горле ее) помещаем полоски фильтровальной бумаги, смоченные раствором фенолфталеина. Когда водород вытеснит из колбы воздух, открываем кран газометра с азотом. Смесь газов пропускаем над катализатором. Фенолфталеиновая бумажка не изменяет окраску, следовательно, не произошел синтез аммиака.

Теперь включаем спираль в сеть и нагреваем ее до темно-красного каления. Сильного накала спирали необходимо избегать, так как образующийся аммиак начинает разлагаться. При включении спирали в сеть колба может несколько запотеть, но появляющиеся капельки воды не мешают реакции. Моментально наблюдается окрашивание в малиновый цвет верхних частей фильтровальных бумажек.

Чтобы прекратить опыт, выключаем спираль из сети, закрываем кран газометра с азотом и перекрываем кран аппарата Киппа.

Окисление аммиака

Для окисления аммиака используем тот же прибор, что и для его получения, но только иначе располагаем тройник 1, через который подается аммиак и кислород, и берем изогнутую в верхней части трубку 2 (рис. 2).

В качестве катализатора применяем свежеполученные оксид хрома (III) или двуокись марганца. Порошкообразные катализаторы перемешиваем с асбестовой ватой и помещаем в спираль внутри спирали. Для этого готовим смесь мелкоизмельченного дихромата аммония с асбестовой ватой. Смесью заполняем спираль на непродолжительное время включаем ее в сеть. Происходит разложение дихромата аммония на воздухе, а в спирали образуется необходимое количество свежеприготовленного катализатора.

Чтобы катализатор прочнее удерживался внутри спирали, возможен и такой вариант его приготовления: пропитать полоски тонкого асбеста насыщенным раствором дихромата аммония, тщательно просушить их и обжечь на пламени горелки до его разложения. Узкую полоску асбеста, покрытого слоем оксида хрома (III), поместить в спираль.

Для проведения опыта соединяем тройник 1 с прибором для получения аммиака (последний лучше получать из его нагретого раствора) и газометром с кислородом. Трубку 2 нельзя располагать напротив спирали, так как аммиак, если он соберется в избытке, начинает быстро разлагаться. Затем включаем в сеть спираль через реостат или латр и нагреваем ее до темно-красного каления. Когда в колбу начнет поступать аммиак, ток кислорода усиливаем. Избыточное количество аммиака подавать не следует, иначе неокисленная часть его будет разлагаться на водород и азот. Взаимодействие водорода с кислородом в данном случае вызовет вспышки.

Так как реакция окисления аммиака - экзотермическая, необходимо латром или реостатом регулировать степень накала спирали. Можно на некоторое время ее отключить совсем. Образовавшийся оксид азота (II) при дальнейшем окислении превращается в диоксид, который обнаруживается через 2-3 мин по бурой окраске.

В опыте чистый кислород можно заменить воздухом, собранным в газометре. В этом случае наблюдается не такая интенсивная окраска диоксида азота, но раствор дифениламина на внутренних стенках колбы тотчас же улавливает присутствие оксидов азота и азотной кислоты.

Окисление метана в формальдегид

Прибор для окисления метана в формальдегид изображен на рис. 3.

В колбу наливаем небольшое количество (около 20 мл) свежеприготовленной фуксинсернистой кислоты. Электроды опускаем в колбу на такую высоту, чтобы спираль была приблизительно на расстоянии 0,5 см от поверхности фуксинсернистой кислоты.

Она нагреется до красного каления, пропускаем метан, проверенный на чистоту. Заметное изменение окраски фуксинсернистой кислоты хорошо наблюдается через 3-4 мин на фоне белой бумаги или кафельной плитки, подложенной под колбу.

Лучший катализатор в данном процессе - серебро. Его можно получить одним из следующих способов.

Первый способ. В фарфоровой чашке приготовить смесь из активированного угля (одна таблетка), небольшого количества растворов нитрата серебра и гидроксида натрия. В полученную массу опустить спираль, укрепленную на электродах, и на несколько секунд включить ее в сеть. Катализатор готов для работы.

Второй способ. Одну таблетку активированного угля поместить в фарфоровую чашку, прилить небольшое количество растворов нитрата серебра и гидроксида натрия. Смесь высушить и тщательно перемешать с асбестовой ватой. Катализатор заложить в спираль.

Химизм получения катализатора можно выразить следующими уравнениями реакций:

В ходе реакции окисления метана возможно разогревание спирали, поэтому необходимо регулировать ее накал. Окисление метана в формальдегид можно провести несколько иначе. Спираль от электроплитки заменяем медной спиралью, которую укрепляем на медных электродах. Для ускорения процесса окисления необходимо пропускать дополнительно воздух из газометра через раствор фуксинсернистой кислоты. Опыт проводим в следующей последовательности: пропускаем ток воздуха через фуксинсернистую кислоту, нагреваем спираль и пропускаем метан. Через 4 мин наблюдается яркое окрашивание фуксинсернистой кислоты. Недостатком последнего варианта является быстрое перегорание медной спирали.

Вместо метана можно использовать природный газ, который надо тщательно очистить от примесей, особенно непредельных углеводородов, пропустив его через концентрированный раствор перманганата калия.

Преимущество описанных опытов в том, что, во-первых, приборы для их проведения просты по конструкции; во-вторых, совершенно безопасны; в-третьих, реакции проходят быстро; в-четвертых, не требуется дополнительная очистка и осушка газов; в-пятых, один и тот же прибор (с небольшими изменениями) можно использовать при изучении свойств различных веществ.

Опыт 1.1. Взаимодействие натрия и калия с водой

Реактивы. Металлы: натрий Na и калий K, дистиллированная вода, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Кристаллизаторы, пинцет или щипцы, скальпель или острый нож, фильтровальная бумага.

Описание опыта. В кристаллизаторы наливают воды и добавляют по несколько капель раствора фенолфталеина. Отрезают скальпелем на листе фильтровальной бумаги от кусков щелочных металлов небольшие, величиной с горошину, «дольки». Кусочки натрия и калия обсушивают фильтровальной бумагой и опускают в кристаллизаторы. Прежде чем взять очередной кусочек металла, тщательно протирают концы пинцета фильтровальной бумагой, чтобы не занести в бюксы воду.

Наблюдают «бегающие» по поверхности воды шарики расплавленного металла, причем движение калиевого шарика более стремительно, чем натриевого. Он вскоре загорается фиолетовым пламенем.

За каждым из «бегающих» шариков остается малиновый «шлейф» из-за того, что в результате реакций:

2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂

2 K + 2 H₂O = 2 KOH + H₂

образуется щелочной гидроксид (сильное основание), который окрашивает индикатор фенолфталеин в малиново-фиолетовый цвет.

На основании результатов данного опыта можно сделать вывод о росте восстановительной активности щелочных металлов от натрия к калию (т.е. сверху вниз по IА-группе).

ЛИТЕРАТУРА

1. Верховский В.Н. Техника и методика химического эксперимента в школе. Т. I. М., Учпедгиз, 1959.

2. Колударов Ю.А. Получение уксусного альдегида из этилена. «Химия в школе», 1972, №2.

3. Королев В.И. Получение формальдегида каталитическим окислением метана. «Химия в школе», 1970, №3.

4. Кривое А.А. Получение метана из уксусной эссенции. «Химия в школе», - 1968, ЛЬ 2.

5. Николаев Н.И. Прибор для синтеза аммиака. «Химия в школе», 1972, №3.

6. Полосин Школьный эксперимент по неорганической химии. М., «Просвещение», 1970.

7. Правила по технике безопасности для кабинетов химии общеобразовательных школ системы Министерства просвещения СССР. «Химия в школе», 1973, №2, 3.

8. Твердовский Н.П. Еще раз о безопасном проведении эксперимента. «Химия в школе», 1972, №1.

9. Цветков Л.А. Эксперимент по органической химии. М., «Просвещение», 1966.

10. Цлаф Н.З. Получение формальдегида окислением природного газа. «Химия в школе», 1964, №6.