IV. СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 4.1. Кислород. Воздух. Горение Химический эксперимент по получению и изучению физических и химических свойств кислорода позволяет, с одной стороны, иллюстрировать первоначальные химические понятия, классификацию химических реакций, количественные законы химии и т.д. С другой стороны, многие химические элементы и вещества, так или иначе, реагируют с кислородом или образуют многочисленные соединения. В связи с этим усвоение знаний о свойствах кислорода важно, как на первоначальном этапе, так и на протяжении всего процесса обучения химии. Необходимо отметить, что получение и изучение свойств кислорода, как и других газообразных веществ, в школьных условиях целесообразно проводить одномоментно, так как собирание и хранение газов в газометрах требует сложного дополнительного оборудования, излишних затрат реактивов и времени. ^ Опыты 1-4. Получение и изучение физических свойств кислорода. Идентификация кислорода. Вариант 1. Поместите 5-7 г перманганата калия в пробирку и соберите установку (рис. 23). Для вытеснения воздуха слегка прогрейте предварительно пробирку с солью и проведите частичное разложение перманганата калия. Установите газоотводную трубку под цилиндр и продолжайте нагревание вещества. Наблюдайте выделение газа: 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + О2. Рис. 23. Получение и собирание кислорода методами вытеснения воды и воздуха.Обратите внимание на цвет газа и на то, что пузырьки газа по мере прохождения через слой воды не уменьшается в размерах. Когда цилиндр заполнится кислородом, опустите газоотводную трубку в колбу (справа), уравновешенную на весах (рис. 24) Наблюдайте, что чашка весов, на которой установлена колба, опускается вниз. Рис. 24. Доказательство, что плотность кислорода выше плотности воздуха.Цилиндр с газом закройте под водой пробкой, выньте его из воды, установите на стол и проведите пробу газа с помощью тлеющей лучинки. Для этого внесите в пламя горелки конец длинной сухой лучинки. Когда она загорится, погасите пламя резким движением лучинки (можно сильно дунуть на пламя). Убедившись, что конец лучинки тлеет, внесите его в цилиндр с газом. В кислороде лучинка вспыхивает и продолжает гореть ярким пламенем. Когда кислород в цилиндре израсходуется, яркость пламени резко уменьшится, и лучинка может погаснуть. С целью предотвращения пожара, обгоревший конец лучинки поместите в стакан с сухим песком. Сделайте выводы и запишите результаты эксперимента, дополнив его данными о физических свойствах из справочника. Вариант 2. Поместите в колбу унифицированного прибора 3-5 г оксида марганца (IV), а в делительную воронку налейте концентрированный раствор пероксида водорода и соберите установку для собирания кислорода. При добавлении пероксида водорода из делительной воронки в колбу с катализатором образуется кислород: 2H2O2 = 2H2O + О2. Далее опыт продолжайте, как описано выше (вариант 1).Вариант 3. Для демонстрации свойств кислорода удобно использовать кислородную медицинскую подушку или баллон со сжатым кислородом. В этих случаях необходимо обеспечить надежную работу выходного крана или газового редуктора, позволяющих точно регулировать выход (подачу) кислорода. В противном случае возможна утечка газа или неконтролируемая по количеству подача кислорода для проведения опыта, что может привести к несчастному случаю. В остальном опыт проводят, как описано выше (вариант 1).^ Опыты 5-13. Химические свойства кислорода. При получении кислорода одним из указанных выше способов собирают газ вытеснением воздуха в широкогорлые склянки (150-200 мл), степень заполнения кислородом проверяют при этом тлеющей лучинкой. а) Заполните заранее несколько склянок кислородом и закройте их во избежание утечки газа пробками. б) Изучение химических свойств кислорода начните с реакций взаимодействия этого газа со свежеприготовленными растворами и суспензиями сульфата железа (II), хлорида кобальта (II), гидроксида марганца (II), гидроксида железа (II), иодида калия в присутствии крахмала (иодкрахмальный раствор), опуская в них последовательно газоотводную трубку от прибора для получения кислорода. Здесь целесообразнее провести вначале все запланированные реакции, обращая внимание на их признаки и условия течения, а затем обсудить и записать соответствующие уравнения реакций: 4FeSO4 + О2 + 2H2O = 4FeSO4(ОН); CоCl2 + О2 + 2H2O = (продолжите самостоятельно); 4Mn(OH)2 + О2 = 4MnО(OH) + 2H2O; 4Fe(OH)2 + О2 + 2H2O = 4Fe(OH)3. С раствором иодида калия кислород, в отличие от озона (опыт с озоном будет рассмотрен ниже), не реагирует. в) Для проведения реакций горения веществ в кислороде поместите в две ложечки для сжигания веществ небольшие порции серы (пример неметалла) и лития (пример металла). Внесите на 2-3 секунды вещество в склянку с кислородом и убедитесь, что сера и литий при комнатной температуре в кислороде не воспламеняются. Подожгите вещество в пламени горелки, обратите внимание на характер его горения и цвет пламени в воздухе и медленно опустите ложечку с горящим веществом в склянку с кислородом. Наблюдайте интенсивность горения веществ в кислороде. Отметьте, что взаимодействие веществ с чистым кислородом и их реакции горения в воздухе чаще всего приводят к образованию одних и тех же продуктов: S + О2 = SO2; 4Li + О2 = 2Li2O.Примечание. Остатки горящих веществ, горящие лучинки и т.д. убирайте после опыта в банку с мелким сухим песком. г) Внесите в склянку с кислородом огарок горящей парафиновой свечи. Наблюдайте разницу в интенсивности горения свечи в воздухе и в кислороде. д) Для показа опыта "горения" железа прикрепите маленький кусочек спичинки на конец тонкой стальной проволоки, подожгите его в пламени горелки и немедленно внесите в склянку с кислородом. Пламя горящей древесины ярко разгорается, и от него "загорается" стальная проволока. Наблюдайте яркие искры горящего металла: 4Fe + 3О2 = 2Fe2O3.^ Опыты 14-23. Изучение химических свойств кислорода непосредственно при его получении. Катализаторы и ингибиторы. Особенность проведения изучения свойств газообразных веществ в момент их получения состоит в том, что все вещества и оборудование для проведения реакций необходимо готовить заранее. Опыты проводятся быстро один за другим, обращая внимание на существенные условия и признаки реакций. При этом значительно экономятся реактивы и время. Кроме этого у учащихся лучше развиваются внимание, память, речь и другие качества личности. После окончания всех опытов проводится их обсуждение, запись уравнений реакций и оформление соответствующих таблиц или выводов. а) В большую сухую пробирку поместите 2-3 г перманганата калия и укрепите ее вертикально в штативе над горелкой (рис. 25). Рис. 25. Изучение химических свойств кислорода непосредственно при его получении.б) Заранее приготовьте сухую тонкую лучинку, две ложечки для сжигания веществ с серой и литием, тонкую стальную проволоку на один конец которой прикреплен маленький кусочек спичинки. в) Зажгите горелку и слегка нагрейте перманганат калия, наблюдайте через несколько секунд первые признаки разложения соли: потрескивание, кристаллы соли приходят в движение, выделяется темный дымок. Скорость реакции регулируйте интенсивностью нагревания вещества в пробирке. г) Медленно опустите в пробирку тлеющую лучинку, она вспыхивает в кислороде ярким пламенем. Зона, где в пробирке произошло воспламенение лучинки, указывает уровень заполнения сосуда кислородом. Обычно одной пробирки достаточно для всех опытов, однако следует все же иметь запасные пробирки с перманганатом калия. д) Внесите вещество в пробирку с кислородом и убедитесь, что самовоспламенения не происходит. Затем ложечку с веществом внесите в пламя горелки, когда вещество загорится, обратите внимание на цвет и яркость горения. Внесите горящее вещество в пробирку с кислородом и наблюдайте ход реакции в новых условиях. е) При получении кислорода из пероксида водорода проведите опыты следующим образом. Налейте в большую пробирку около 5-6 мл концентрированного раствора перекиси, укрепите ее вертикально в штативе и нагрейте. Проведите пробу с тлеющей лучинкой и убедитесь, что кислород при этом не обнаруживается. Добавьте в другую пробирку с пероксидом водорода (осторожно!) щепотку оксида марганца (IV). Наблюдайте интенсивное выделение газа. Докажите с помощью тлеющей лучинки, что здесь выделяется кислород. Другие реакции, иллюстрирующие свойства кислорода проведите, как описано выше. ж) Для изучения действия ингибитора на ход реакции разложения пероксида водорода, добавьте предварительно в пробирку с раствором перекиси 1 мл ортофосфорной кислоты. Убедитесь с помощью лучинки, что выделение кислорода в этих условиях не происходит. ^ Опыты 24-25. Определение объемного содержания кислорода в воздухе. а) Налейте в кристаллизатор до половины его объема воды. Установите в него широкую трубку (цилиндр без дна), подберите к ней пробку, в нее вставьте ложечку для сжигания веществ. Примерьте ложечку с пробкой так, чтобы ложка свободно входила в трубку (цилиндр) на уровне ее верхней трети, а пробка плотно закрывала бы трубку (рис. 26). Рис. 26. Определение объемного содержания кислорода в воздухе (способ I).Отметьте карандашом по стеклу уровень жидкости в трубке (можно обвязать трубку по уровню воды тонкой нитью). Поместите в ложечку для сжигания веществ немного красного фосфора, подожгите его и внесите в трубочку, плотно закрыв ее пробкой. Дождитесь прекращения горения фосфора и охлаждения системы и отметьте новый уровень воды в трубке (цилиндре). Сделайте вывод о содержании кислорода в воздухе. Почему вместо красного фосфора для данного опыта нельзя брать серу, свечу и некоторые другие вещества? Какие еще вещества, кроме фосфора, можно использовать в этом эксперименте? Каковы на ваш взгляд достоинства и недостатки этого опыта? б) Поместите в большую пробирку или цилиндр два–три очищенных от загрязнения железных гвоздя длиной равной длине пробирки или чуть меньше. В пробирку налейте до половины раствор поваренной соли (2%), закройте отверстие пальцем и опустите отверстием вниз в стакан с таким же раствором так, чтобы уровни жидкости в пробирке и в стакане были одинаковыми. Отметьте карандашом по стеклу уровень жидкости в пробирке (можно обвязать пробирку по уровню воды тонкой нитью) и оставьте при комнатной температуре на несколько дней (рис. 27). Рис. 27. Определение объемного содержания кислорода в воздухе (способ II).Кислород воздуха будет реагировать с железом, образуя ржавчину, а жидкость поднимется в пробирке до определенного уровня, пока не израсходуется весь кислород в пробирке. Отметьте новый уровень раствора в пробирке и определите объемное содержание кислорода в воздухе. Какие еще вещества, кроме железа, можно использовать в этом эксперименте? Каковы на ваш взгляд достоинства и недостатки этого опыта? ^ Опыты 26-32. Условия возникновения и прекращения горения веществ. (Опыты проводите на несгораемой подставке). а) В фарфоровый тигель налейте 8-10 мл растительного масла и поднесите к маслу горящую лучинку. Масло не загорается, а лучинка, если ее окунуть в масло, гаснет. Тигель с маслом сильно нагрейте и поставьте на несгораемую поверхность. К горячему маслу (осторожно!) поднесите горящую лучинку. Масло вспыхивает. Горящее масло накройте листом асбеста или куском брезента. Горение прекращается. Повторно подожгите масло в тигле, затем с помощью тигельных щипцов (осторожно!) поставьте сосуд с горящим маслом в снег или в холодную воду (не заливать масло водой). Пламя гаснет. б) Для предотвращения возгорания брезентовых палаток, деревянных балок и других предметов их пропитывают специальными растворами, в состав которых часто входит силикат натрия (жидкое стекло). Разбавьте 20 мл силикатного клея до 100 мл водой, окуните в раствор носовой платочек или кусочек хлопчатобумажной ткани и отожмите его. Налейте в чашечку 20-25 мл спирта, смочите в нем обильно платочек, удерживая его длинным пинцетом или тигельными щипцами. Внесите свисающий конец ткани в пламя горелки (осторожно!) и наблюдайте воспламенение этанола. Спирт быстро выгорает, и пламя гаснет, платочек остается невредимым. Таким образом, вы получили "несгораемый платочек". в) Пары и мелко измельченные вещества и материалы (пыль) часто являются причиной взрывов и пожаров. Поместите в фарфоровую чашку кусочек парафина, расплавьте его над пламенем горелки и сольно нагрейте. Расплав тонкой струйкой (осторожно!) вылейте с высоты 45-50 см в кристаллизатор с водой. Пары парафина воспламеняются и сгорают бледно-голубым пламенем. г) Наберите на кончик шпателя немного порошка алюминия или цинка и с высоты 30-40 см (осторожно!) сыпьте порошок в пламя горелки. Частицы металла воспламеняются и сгорают в виде красивых ярких искр. Какие на ваш взгляд меры при тушении пожаров более эффективны, - прекращение доступа кислорода к горящим предметам, их охлаждение или другие мероприятия и действия?^ Опыты 33-36. Эксперименты со свечой. а) Внутри пламени свечи образуется газ. Из тонкой жести сверните трубку длиной до 15 см и диаметром 3 мм (при наличии подобной готовой трубки из несгораемого материала, воспользуйтесь ею). Введите внутрь пламени (осторожно!) свечи вблизи фитиля один конец трубки и с помощью жесткой проволоки установите ее так, чтобы второй конец был немного выше первого (рис. 28). Рис. 28. Внутри пламени свечи образуется газ.Скоро вы увидите, как из верхнего конца трубки выходит газ. Подожгите его. Зарисуйте опыт и объясните его сущность.б) Самодельный огнетушитель. Налейте в пластмассовый флакон из-под шампуня до половины насыщенный раствор соды. Добавьте в раствор чайную ложку стирального порошка и тщательно перемешайте. В пузырек из-под пенициллина или другого антибиотика налейте (до 1/3 объема) раствор какой-либо кислоты (10-20%) и закройте неплотно бумажным тампоном. В крышке флакона проделайте отверстие и вставьте гибкий шланг, чтобы он плотно входил в него. Осторожно опустите пузырек с кислотой в раствор соды (пузырек должен плавать) и завинтите крышку со шлангом, чтобы он доходил до дна флакона. Если теперь резко повернуть флакон вверх дном, то кислота вступит в контакт с раствором соды, образуется углекислый газ, который будет вместе с пеной выходить через наружный конец шланга. Направьте пену на горящую свечу. Пламя гаснет.в) Охлаждение приводит к прекращению горения. Зажгите свечу и определите примерно диаметр пламени. Найдите стержень, ручку или карандаш, диаметр которого чуть больше, чем у пламени. Намотайте на стержень 5-10 витков толстой медной проволоки, чтобы общая длина спирали равнялась высоте пламени. "Оденьте" спираль на пламя свечи, оно гаснет. Медь, обладая высоким значением теплоемкости, вызывает резкое охлаждение воздуха и газов пламени, в результате свеча гаснет. Нагрейте предварительно медную спираль в пламени горелки и повторите опыт. Свеча продолжает гореть. Почему?г) Для горения свечи нужен воздух. Насыпьте на противень равномерным слоем песок и поставьте на лист на некотором расстоянии друг от друга небольшие огарки свечи. Свечи зажгите и накройте одновременно стеклянными банками различной емкости. Первой гаснет свеча, накрытая самой маленькой баночкой; последней – свеча, накрытая самым большим сосудом. Почему? Выразите зависимость продолжительности горения свечи от объема банки в виде графика и определите по нему, через сколько времени погаснет свеча, накрытая банкой объемом 5 или 10 л. ^ Опыт 37. Медленное окисление. Проделайте шилом или тонким гвоздем по кругу в нижней половине пластмассовой бутылки на 0,5 л множество отверстий. Обрежьте верх бутылки и заполните ее гигроскопической ватой, слегка смоченной растительным или машинным маслом. Вставьте в ватный ком термометр, чтобы шкала его от 20 оС и выше была свободной для обзора. Для большей устойчивости и термоизоляции поместите бутылку в стеклянную банку или другой сосуд. Фиксируйте изменение температуры через каждые 5 минут и постройте график повышения температуры при медленном окислении в зависимости от времени. Можно ли ожидать воспламенение ваты в бутылке?^ Опыт 38. Получение и свойства озона. В колбу унифицированного прибора насыпьте 15-20 г пероксида бария. В делительную воронку налейте охлажденную концентрированную серную кислоту. Прибор установите в кристаллизатор со снегом или охлаждающей смесью. Газоотводную трубку опустите в раствор иодида калия с добавкой раствора крахмала (иодкрахмальный раствор). Приливайте кислоту к пероксиду бария и наблюдайте в иодкрахмальном растворе явления, обусловленные реакциями: 3BaО2 + 3H2SO4 = 3BaSO4 + 3H2O + O3; 2KI + O3 + H2O = 2KOH + I2 + О2; I2 + 2KOH = KI + KIО + H2O; 3I2 + 6KOH = 5KI + KIО3 + 3H2O; I2 + 5O3 = 2HIО3 + 5О2. Опишите наблюдаемые явления и определите, какие реакции вызывают соответствующие изменения в растворе.^ Вопросы и задания 1. Дан перечень веществ и материалов: белый фосфор, нефть, древесина, бензин, диэтиловый эфир, бумага. Укажите, что, по вашему мнению, из данного перечня является наиболее пожароопасным. Выясните по справочнику температуры воспламенения названных веществ и материалов и расположите их названия в порядке уменьшения значения этого показателя. 2. Проведите простейшие опыты, доказывающие, что горение веществ – это химические явления. 3. Во всех ли реакциях горения участвует кислород? Можно ли привести примеры реакций горения без кислорода? 4. Медную пластинку взвесили, прокалили в пламени горелки, остудили и вновь взвесили. Изменилась ли масса пластинки? Дайте обоснованный ответ. Подобный же эксперимент провели с платиновой пластинкой. Каковы результаты этого опыта? Сделайте прогноз о результатах таких же опытов с применением других веществ. 5. Насыпьте на тлеющую лучинку (осторожно!) порошок перманганата калия (нельзя брать руками!) и проведите наблюдение. Опишите и объясните эксперимент. Учтите, что опыты с горящими веществами необходимо проводить над несгораемой поверхностью с соблюдением всех правил техники безопасности. 6. В сосуд Дьюара налили жидкий воздух. К отверстию сосуда поднесли горящую лучинку. Она тут же погасла. Через некоторое время к отверстию сосуда поднесли тлеющую лучинку. Она вспыхнула ярким пламенем. Объясните результаты данного опыта. 7. Почему массовая доля кислорода в атмосфере относительно больше, чем значение его объемной доли? 8. Почему важно соблюдать Закон об охране атмосферного воздуха? Как можно охранять воздух в вашем населенном пункте? 9. Прочтите роман А. Беляева "Продавец воздуха". Возможны ли в принципе манипуляции с воздухом, описанные писателем-фантастом? 10. Почему вещества горят в кислороде ярче, чем при горении в воздухе? Можно ли ориентировочно прогнозировать за какое время сгорит в кислороде порция серы, если в воздухе такая же навеска вещества сгорает за 5 минут? 11. Приведите примеры применения кислорода в различных областях деятельности человека. 4.1. Водород В школьных программах изучение свойств водорода обычно предусматривается в начале курса химии. Это в значительной степени обусловлено тем, что на примере данного вещества учащиеся знакомятся не только с его свойствами, но и со многими важнейшими понятиями химии, на которых базируется дальнейшее изучение предмета. Кроме того, учащиеся усваивают здесь первоначальные навыки обращения с химической посудой и реактивами. Естественно, что не все приведенные здесь опыты нужно проводить на начальном этапе изучения водорода.^ Техника безопасности при получении и изучении свойств водорода в лаборатории При работе с водородом необходимо соблюдать определенные меры безопасности. Водород образует с воздухом, кислородом и некоторыми другими газами взрывчатые смеси, поэтому поджигать выходящий из газоотводной трубки водород можно только, убедившись в его чистоте, то есть в отсутствии в нем примесей кислорода, а также при условии выделения его достаточно сильной струей. Такой анализ водорода называют проверкой его на чистоту (рис. 29). Для проведения проверки на чистоту выделяющийся из прибора газ собирают в пробирку вверх дном (водород легче воздуха), закрывают ее большим пальцем и подносят (осторожно!) отверстием (палец убирают) к пламени горелки. Рис. 29. Проба водорода на чистоту. Проба водорода на чистоту, сопровождающаяся резким звуком, свидетельствует о наличии в пробирке гремучей смеси. В этом случае продолжают реакцию получения водорода в приборе, и пробу на чистоту проводят повторно. Если водород воспламеняется и сгорает спокойно, без взрыва, то газ не содержит опасных примесей. Пробу на чистоту горючего газа выделяющегося из лабораторной установки можно провести с помощью мыльных пузырей. Для этого газ пропускают через раствор мыла (лучше взять шампунь) до образования над жидкостью обильной пены. Газоотводную трубку убирают, а к поверхности пены подносят конец длинной зажженной лучинки. По характеру воспламенения и сгорания газа можно судить о наличии или отсутствии в нем примеси кислорода. Для обеспечения более полной безопасности при поджигании выделяющегося из прибора водорода или другого горючего в газоотводную трубку помещают спираль (3-4 см) из тонкой медной проволоки. Медь, обладая высокой теплоемкостью, препятствует проскоку пламени внутрь прибора даже при наличии там примеси кислорода. Внимание. Многие вещества, получаемые в ходе реакций, можно использовать для других опытов. Остатки не прореагировавших металлов также не следует выбрасывать, а промывать водой (исключая щелочные и щелочноземельные металлы) и использовать повторно. ^ Получение и физические свойства водорода Водород в лаборатории можно получить многими способами в результате различных типов реакций и с помощью различных установок или приборов. Опыт разложения воды электрическим током описан выше (см. Раздел 3.5. Типы химических реакций).Опыты 1-6. Получение водорода взаимодействием металла с кислотой. Поместите в несколько пробирок по грануле или щепотке различных металлов (Mg, Al, Zn, Fe, Pb, Cu и т.д.). В каждую пробирку добавьте по 2-3 мл раствора (20%) соляной или серной кислоты. 1. Наблюдайте за ходом реакций и сравните интенсивность выделения водорода в зависимости от металла и кислоты. 2. Расположите химические знаки металлов в ряд по уменьшению скорости их взаимодействия с кислотами. 3. Сравните полученный вами ряд металлов с рядом напряжений металлов из учебника. 4. Запишите соответствующие уравнения реакций.Опыты 7-12. Получение водорода взаимодействием металла с раствором щелочи. Поместите в несколько пробирок по грануле или щепотке порошков различных металлов (Mg, Al, Zn, Fe, Pb, Cu и т.д.). В каждую пробирку добавьте по 2-3 мл раствора (20%) гидроксида натрия или гидроксида калия и слегка нагрейте. 1. Сравните полученные данные с результатами предыдущих опытов (см. опыты 1-6) и сделайте соответствующие выводы.^ Опыты 13-21. Получение водорода взаимодействием металла с водой. Поместите в несколько пробирок по кусочку, грануле или щепотке порошков различных металлов (Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, Cu и т.д.). В каждую пробирку добавьте по 2-3 мл воды. Те пробирки, в которых реакция не наблюдается, слегка нагрейте. 1. Сравните полученные данные с результатами предыдущих опытов (см. опыты 1-12) и сделайте соответствующие выводы. 2. Можно ли на основе проведенных опытов сделать однозначное заключение об относительной химической активности металлов? 3. Какие реакции вы считаете наиболее оптимальными для получения водорода в лаборатории?^ Опыты 22-25. Физические свойства водорода. Для изучения свойств водорода воспользуйтесь реакцией между цинком (гранулы) и раствором (1:1) соляной кислоты. Проводить реакцию лучше в приборах периодического действия (аппарат Киппа, прибор для получения газов и т.д.) или в унифицированном приборе (рис. 30). Соберите установку для получения и собирания водорода методом вытеснения воды. Соберите водород в цилиндр и опишите его агрегатное состояние, цвет, запах и растворимость в воде (ориентировочно). Соберите чистый водород в большой пробирке (вверх дном) вытеснением воздуха. "Перелейте" водород в другую чуть меньшего размера пробирку, удерживая ее также вверх дном. Закройте обе пробирки большими пальцами и поднесите поочередно отверстиями к пламени (осторожно!) горелки, убирая при этом палец. Убедитесь, что водород обнаруживается только во второй пробирке. Рис. 30. Схемы приборов (аппарат Киппа, прибор для получения газов ППГ-4, унифицированный прибор) для получения водорода и других газов.Опустите на секунду газоотводную трубку (конец трубки должен быть оплавлен и желательно расширен) от прибора для получения водорода в раствор шампуня. Дождитесь образования небольшого пузырька, (конец трубки держите под небольшим углом вниз) и резким движением стряхните его. В связи с тем, что пузырек с водородом небольшого объема, а его стенки относительно большой толщины, мыльный шар, скорее всего не поднимется круто вверх. Однако вслед за первым пузырем появляется второй, который, оторвавшись от трубки, поднимается вертикально вверх. Укрепите на весах (можно использовать чувствительный динамометр) колбу на 500 мл вверх дном и уравновесьте прибор (рис. 31). Рис. 31. Доказательство относительной легкости водорода.Подведите в отверстие колбы газоотводную трубку (не касаться стенок колбы) от прибора для получения водорода и пустите газ. Наблюдайте нарушения равновесия прибора по мере наполнения колбы водородом. 1. Результаты проведенных опытов по изучению физических свойств водорода занесите в тетрадь в виде таблицы. Сюда же впишите значения важнейших физических констант водорода (найдите в справочниках). ^ Химические свойства водорода Опыты 1-2. Горение водорода. а) Получите водород одним из наиболее приемлемых для вас способом. В газоотводную трубку вставьте стеклянную трубку (медная спираль) с изогнутым и оттянутым концом. Проверьте газ на чистоту. Подожгите выделяющийся водород: 2H2 + О2 = 2H2O. Обратите внимание на изменение пламени. Вначале оно бесцветно, затем – становиться желтым. Подержите над пламенем химический стакан и наблюдайте конденсацию паров воды на его стенках (рис. 32). Рис. 32. Горение водорода в воздухе и хлоре.б) Опустите газоотводную трубку с горящим водородом в сосуд с кислородом. Обратите внимание на разницу в характере горения водорода в воздухе и в кислороде. в) Опустите трубку с горящим водородом в сосуд с хлором. Водород продолжает гореть: H2 + Cl2 = 2HCl. Обратите внимание на цвет пламени горения водорода в хлоре.Опыт 3. Водород не поддерживает горение. Установите в штативе толстостенный цилиндр вверх дном. Рис. 33. Водород не поддерживает горение.Укрепите на проволоке огарок свечи так, чтобы его можно было ввести в цилиндр (рис. 33). Заполните цилиндр водородом. Зажгите свечу и внесите ее в цилиндр. Водород воспламеняется у отверстия цилиндра, однако свеча в цилиндре гаснет. ^ Опыт 4. Взрыв гремучего газа. Нагретым гвоздем проделайте в дне пластиковой бутылки на 0,3-0,5 л по кругу несколько отверстий диаметром 1-2 см. В крышке сосуда также проделайте небольшое отверстие, залепите его кусочком пластилина и завинтите бутылку. Поставьте ее на треногу или на край стола. Подведите через одно из отверстий в дне сосуда газоотводную трубку от прибора для получения водорода. Заполните бутылку водородом. Зажгите длинную лучинку, снимите с крышки пластилин и поднесите пламя к отверстию в крышке сосуда. Водород здесь воспламенится, а через нижние отверстия в бутылку проникнет воздух. Образуется взрывчатая смесь, которая взрывается. Под действием взрыва бутылка взлетает вверх.^ Опыты 5-6. Реакции водорода с металлами и неметаллами. а) К газоотводной трубке от прибора для получения водорода подсоедините стеклянную трубку с расширением посередине (можно использовать хлоркальциевую трубку), в которой поместите кусочек очищенного от пленок натрия величиной с горошину. Подавайте водород через трубку до полного вытеснения воздуха (проба на чистоту). Нагрейте металл и наблюдайте образование белого дыма гидрида натрия (рис. 34): H2 + 2Na = 2NaH. Подсоедините к прибору для получения водорода другую стеклянную трубку с расширением, в которое поместите немного серы. К концу этой трубки подсоедините газоотводную трубку и пустите ток водорода. После проверки его на чистоту, опустите конец газоотводной трубки в раствор нитрата или ацетата свинца (II) и нагрейте серу. При этом протекает реакция: H2 + S = H2S. Образующийся сероводород обнаруживается далее реакцией с солью свинца, образуя черный осадок сульфида: Pb(NO3)2 + H2^ S = PbS¯+ 2HNO3. Рис. 34. Взаимодействие водорода с натрием, серой или оксидами металлов.Для сокращения времени проведения опыта можно для обнаружения сероводорода вместо раствора соли свинца использовать бумажку, смоченную в этом растворе. В любом случае после идентификации сероводорода нагревание серы и подачу водорода следует прекратить.^ Опыты 7-9. Восстановление металлов из их оксидов. Проведите реакции водорода с оксидом меди (II), оксидом свинца (II) и оксидом железа (II,III) по методике, описанной выше (см. опыты 5-6). Запишите соответствующие уравнения реакций: CuO + H2 = Cu + H2O (200 оС); PbO + H2 = Pb + H2O (300 оС); Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O (600 оС).^ Опыт 10. Водород вытесняет металлы из растворов их солей. Укрепите пробирку с раствором (10%) нитрата серебра в штативе и нагрейте раствор почти до кипения. Опустите в него газоотводную трубку от прибора для получения водорода и пропускайте газ через раствор. Наблюдайте выпадение в осадок мелкодисперсного серебра: 2AgNO3 + H2 = 2Ag¯ + 2HNO3. Все ли металлы вытесняются из растворов их солей водородом?^ Опыты 11-12. Восстановительные свойства атомарного водорода. а) К раствору (20%) серной кислоты добавьте несколько капель раствора перманганата калия до приобретения розовой окраски. Разлейте раствор в две пробирки. Через раствор в первой пробирке пропускайте водород. Во вторую пробирку прибавьте 2-3 гранулы цинка. Водород в момент образования в результате реакции цинка с кислотой восстанавливает марганец: 2KMnO4 + 3H2SO4 + 10Н0 = 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O. б) Поместите в пробирку несколько гранул алюминия, сюда же добавьте 3-5 мл концентрированного раствора гидроксида натрия или калия, укрепите пробирку в штативе и нагрейте до кипения. Наблюдайте образование водорода. Добавьте в пробирку несколько кристалликов нитрата калия. Атомарный водород восстанавливает нитратный азот до аммиака: 8H0 + KNO3 = NH3 + KOH + 2H2O. Выделение аммиака подтвердите с помощью влажной красной лакмусовой бумажки (подержите ее над отверстием пробирки).^ Опыт 13. Каталитическое окисление водорода. Поместите в фарфоровую чашку 4-5 г оксида хрома (III) и нагрейте сильно в пламени горелки. К горячему веществу поднесите газоотводную трубку от прибора для получения водорода и направьте струю газа, предварительно проверенного на чистоту, на поверхность оксида. Водород воспламеняется. ^ Опыт 14. Горение кислорода в водороде. К концу газоотводной трубки прибора для получения водорода подсоедините широкую стеклянную трубку длиной около 10 см. В месте ее соединения с резиновым шлангом вставьте для безопасности медную спираль или неплотный клубок тонкой медной проволоки. Одновременно подготовьте установку для получения кислорода (можно использовать медицинскую подушку) с газоотводной трубкой меньшего размера с оттянутым концом, которая должна свободно входить в газоотводную трубку, подающую водород. Приведите прибор для получения водорода в действие, добейтесь бесперебойного и интенсивного выделения газа. Проверьте его на чистоту. Стеклянную трубку укрепите в штативе вниз отверстием. Подожгите водород. Одновременно приведите в действие установку для получения кислорода. Газоотводную трубку с кислородом медленно введите сквозь пламя горящего водорода в широкую газоотводную трубку. Наблюдайте воспламенение кислорода и его горение в водороде (рис. 35). Внимание. Выполняя опыт, соблюдайте правила работы с горючими газами (защитные очки, защитный экран, наличие средств пожаротушения). Опыт проходит без осложнений, при достаточно интенсивном выходе газов. Рис 35. Горение кислорода в водороде.^ Вопросы и задания 1. Одним из методов получения водорода в полевых условиях служит реакция гидрида кальция с водой: CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2. Как объяснить на ваш взгляд выбор этой реакции, и почему она не применяется для получения водорода в лаборатории? 2. Водород – самый легкий и относительно недорогой газ. Поэтому на заре воздухоплавания им заполняли летательные аппараты легче воздуха. Впоследствии стали использовать для этих целей более редкий и дорогой газ – гелий. Почему? 3. Водород известен с начала XVI века, его получали Т.Парацельс, Ван-Гельмонт, Р.Бойль, Н.Лемери, М.Ломоносов, Дж.Пристли и другие ученые. Почему же честь открытия водорода приписывают Г.Кавендишу, который получил этот газ значительно позже (1776)? 4. Изучите способы получения водорода в промышленности и определите самый экономически выгодный вариант. Будет ли этот вариант получения водорода наиболее оптимальным в вашем регионе? 5. Действие химического огнива XIX века описывается следующим текстом. "Внутри огнива гранула цинка реагирует с разбавленной соляной кислотой. Образуется водород. Если открыть кран (клапан), то газ под давлением выходит наружу и контактирует с губчатой платиной. Платина раскаляется и воспламеняет водород". На чем основан принцип действия подобной зажигалки? Какие реакции здесь протекают? Предложите свою конструкцию такого зажигательного прибора, учитывая, что он должен работать периодически, по мере надобности. 6. Некоторые писатели-фантасты и ученые считают водород топливом будущего, предрекая ему роль горючего для автомобилей и других механизмов. Выскажите свои суждения "за" и "против" этого предположения. 7. Установлено, что в составе атмосферы Юпитера и других планет значительную долю составляет водород. Можно ли ожидать, учитывая горючесть водорода, что при посадке на поверхность этих планет произойдет мощный взрыв? 8. Водород в химических реакциях проявляет восстановительные и окислительные свойства. Какие из приведенных выше опытов подтверждают это суждение? 9. Водород – во многом уникальный химический элемент и уникальное химическое вещество. Приведите суждения о водороде как об элементе и как о веществе с применением прилагательного "самый". 10. Почему в периодической системе химических элементов химический знак водорода помещают в первую и в седьмую группы? 11. Как доказать, что выделяющийся в реакции газ является водородом? ^ 4.3. Вода. Пероксид водорода Вода, так или иначе, участвует во многих химических явлениях в качестве растворителя, исходного вещества, продукта реакции или катализатора. Поэтому важно через учебный эксперимент показать не только физические и химические свойства чистой воды, но и акцентировать внимание учащихся на роль воды в природе, в химических процессах, в различных отраслях человеческой деятельности и на необходимости предотвращения загрязнения природных водоемов и водоисточников.^ Физико-химические свойства природной или питьевой воды Для определения свойств природной воды необходимо провести отбор пробы из водоисточника так, чтобы взятая проба отражала бы наиболее точно свойства воды в данном источнике. Вода для исследования отбирается в стеклянную или пластмассовую посуду, предназначенную для пищевых продуктов или воды. Анализы проводятся по возможности сразу ж