Лабораторный практикум по химии. Практикум по общей и неорганической химии
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
Н.Ф. СТАСЬ А.А. ПЛАКИДКИН, ЕМ. КНЯЗЕВА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Н.Ф. Стась, А. А. Плакидкин, ЕМ. Князева ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования (СибРУМЦ) для межвузовского использования в качестве учебного пособия по направлениям 550800 Химическая технология и биотехнология, 656600 Защита окружающей среды и специальностям 250920 Химическая технология материалов современной энергетики и 251700 Химическая технология редких элементов и материалов на их основе 1 2 3 8 9 10 4 5 6 CaCO 3 HCl H O 2 H SO 2 Издательство ТПУ Томск 2007 2 УДК 546(076.5) ББК 24.1 Я С Стась Н.Ф., Плакидкин А.А., Князева ЕМ. С Лабораторный практикум по общей и неорганической химии Учебное пособие Томск Изд-во ТПУ, 2007. – 207 с. Пособие содержит описание лабораторных работ по основным разделы дисциплины а также работ, содержание которых учитывает разнообразие специальностей технических университетов. Пособие входит в основную часть учебно-методического комплекса кафедры общей и неорганической химии Томского политехнического университета. Предназначено для студентов химических и нехими- ческих направлений и специальностей технических университетов. УДК 546(076.5) ББК 24.1 Я Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Доктор химических наук, завкафедрой неорганической химии Алтайского государственного университета, профессор В.А. Новоженов Доктор химических наук, профессор кафедры физической и коллоидной химии Томского государственного университета, Заслуженный деятель науки Российской Федерации Л.Н. Курина © Томский политехнический университет, 2007 © Оформление. Издательство ТПУ, 2007 ISBN © Стась Н.Ф., Лисецкий В.Н., 2007 3 ВВЕДЕНИЕ В соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта, химический лабораторный практикум является обязательной частью учебных дисциплин Общая и неорганическая химия и Химия, которые изучают студенты химических и общетехнических направлений и специальностей технических университетов. В большинстве вузов обучение студентов этим дисциплинам обеспечивает одна кафедра. В Томском политехническом университете – это кафедра общей и неорганической химии, история которой начинается с 14 октября 1900 г, когда её организатор профессор Д.П. Турбаба прочитал первую лекцию по химии. За прошедшее время на кафедре было разработано около 40 лабораторных работ, часть которых сейчас не проводится из-за ограничения занятий по химии учебными планами. Сохранены и поддерживаются в рабочем состоянии 34 лабораторные работы – 22 по общей и 12 по неорганической химии. Они являются содержанием данного пособия. Лабораторные работы по общей химии сгруппированы по пяти разделам этой дисциплины. В раздел «Атомно-молекулярное учение входят шесть работ (основные классы неорганических веществ определение молярной массы газа установление формулы кристаллогидрата определение эквивалентной и атомной массы металла способы очистки веществ от примесей определение плотности металла. Второй раздел Закономерности химических реакций представлен тремя работами (тепловой эффект реакции скорость химических реакций химическое равновесие. В третий раздел Растворы входят пять работ приготовление раствора и определение его концентрации определение теплоты растворения ионообменные реакции гидролиз солей произведение растворимости. Четвертый раздел Электрохимические процессы содержитчетыре работы (окислительно-восстановительные реакции гальванические элементы электролиз коррозия металлов) Работы пятого раздела Специальные вопросы химии изучаются отдельными группами студентов с учетом их направлений и специальностей. Таких работ четыре взаимодействие металлов с кислотами, щелочами, водой комплексные соединения качественные реакции и жесткость воды. По химии элементов и их соединений в пособии имеется 12 работ галогены, сера, главная подгруппа пятой группы, главная подгруппа четвёртой группы, бор и алюминий, химия элементов, хром и его соединения, марганец и его соединения, железо, кобальт, никель, цинк, кадмий, ртуть, медь и серебро, синтез неорганических соединений. 4 Навыки проведения лабораторного эксперимента студенты химических специальностей к этому времени уже имеют, так какими выполнена программа изучения общей химии. Поэтому основное внимание уделено познавательному значению каждого опыта, умению наблюдать самые тонкие особенности реакций и делать по ним правильные выводы о свойствах соединений. Лабораторные занятия при изучении химии в вузе преследуют две основные цели 1) подтверждение экспериментом теоретических положений и законов 2) обучение навыкам проведения лабораторных работ, при выполнении которых студенты осваивают технику обращения с химическими реактивами и приспособлениями, приемы проведения химических операций, методы обработки опытных данных, учатся сопоставлять и анализировать результаты опытов и делать выводы. В соответствии с основными целями занятий проведена классификация лабораторных работ, результаты которой приведены в таблице. Название работы Цель 1 Цель 2 Общая химия 1. Основные классы неорганических веществ + – 2. Установление формулы кристаллогидрата – + 3. Определение молярной массы диоксида углерода – + 4. Определение эквивалентной и атомной массы … + + 5. Способы очистки веществ от примесей – + 6. Определение плотности металла – + 7. Тепловой эффект реакции + + 8. Скорость химических реакций + – 9. Химическое равновесие + – 10. Приготовление и определение концентрации … + + 11. Определение теплоты растворения + + 12. Ионообменные реакции + – 13. Гидролиз солей + – 14. Произведение растворимости + – 15. Окислительно-восстановительные реакции + – 16. Гальванические элементы + 17. Электролиз + – 18. Коррозия металлов + – 19. Взаимодействие металлов с кислотами … + – 20. Комплексные соединения + – 21. Качественные реакции + – 22. Жесткость воды + + 5 Неорганическая химия 1. Галогены + – 2. Сера + – 3. Главная подгруппа пятой группы + – 4. Главная подгруппа четвёртой группы + – 5. Бор, алюминий + – 6. Химия элементов + – 7. Хром и его соединения + – 8. Марганец и его соединения + – 9. Железо, кобальт, никель + – 10. Медь и серебро + – 11. Цинк, кадмий, ртуть + – 12. Синтез неорганических веществ + + Из таблицы следует, что 24 работы соответствуют только первой цели, 4 – только второй и 6 работ – обеим целям одновременно. В связи с этим лектору, который организует учебный процесс в потоке и планирует лабораторные занятия, необходимо иметь ввиду возможности той или иной работы, её соответствие основным целям практикума и её значимости сточки зрения общего содержания дисциплины. Очевидно, что в практикуме по дисциплине Химия, которую изучают студенты не- химических направлений, должны преобладать работы, в которых подтверждаются экспериментом теоретические положения химии. Для студентов химических направлений и специальностей не менее важны работы, в которых идет обучение технике лабораторного эксперимента. Лабораторная работа необязательно должна проводиться после лекции опыт показывает, что лабораторное занятие до лекции по этой теме сопровождается большей самостоятельностью студентов и поэтому проходит более активно. В лабораторном практикуме описанию каждой работы предшествует теоретическое введение, что позволяет проводить лабораторные занятия независимо от других видов занятий. Включение в описание работ теоретических введений увеличивает их обучающий потенциал и позволяет использовать некоторые из них в качестве единственного вида занятий по теме. По таким работам введение в данном пособии приводится в расширенном варианте. При посещении лабораторных занятий студентов первого курса представителями выпускающих кафедр высказывается критика по излишней детализации при описании хода опытов. Действительно, такая детализация имеет место. Она необходима для студентов первого курса, многие из которых в школе не только не проводили, но и не видели 6 проведения химических опытов учителем. Мы не указываем, каким будет результат реакции, его студент должен описать самостоятельно. Более того, при оформлении отчета он должен ответить наряд дополнительных вопросов в связи с проведенным опытом. В обычных пробирочных работах найдены возможности для получения количественных данных и проведения количественных расчетов. Тем самым в учебные лабораторные работы вводятся элементы научного исследования. Классический лабораторный практикум по химии носит в основном иллюстративный характер в лабораторных опытах студенты находят подтверждение тех закономерностей, которые изучают на лекциях и на практических занятиях. Но иллюстративные лабораторные работы в настоящее время не удовлетворяют студентов. Необходимы работы с применением современных приборов и математических методов обработки результатов эксперимента, чтобы сократить тот огромный разрыв, который существует в настоящее время между учебным лабораторным практикумом и настоящим научным экспериментом в химии. В данном практикуме в каждую работу внесены дополнения и изменения, повышающие их познавательный уровень. В химии используется неоднозначная символика, что в наше время недопустимо в связи с вхождением России в международное образовательное пространство, расширением международных контактов, разработкой унифицированных систем контроля знаний, использованием тестирования и т.д. В данном пособии мы используем такую символику и терминологию, которая рекомендуется ИЮПАК или широко применяется в изданных большими тиражами учебниках и учебных пособиях отечественных и зарубежных авторов. Объяснение используемого символа приводится в том месте пособия, где он применяется в первый раз. После описания каждой работы в пособии приводится перечень вопросов для проверки знаний, умений и навыков студентов, приобретаемых при подготовке к занятиями при выполнении работ. Эти вопросы можно использовать при собеседовании со студентами в целях контроля и активизации их работы. Авторы приносят благодарность заведующему кафедрой общей и неорганической химии профессору А.П. Ильину, профессору Г.Г. Са- вельеву, доцентам А.А. Васильеву, АИ. Галанову, Г.Ф. Иванову, В.М. Икрину, Г.В. Кашкан, А.В. Коршунову, Е.Т. Лабыкиной, Л.Д. Свинцовой, Л.М. Смоловой, ТА. Юрмазовой и всем преподавателям, которые своим участием в обсуждении, замечаниями и предложениями способствовали подготовке этого пособия. 7 ТЕХНИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В лабораторных работах используются едкие, агрессивные и ядовитые вещества. Поэтому работа в химической лаборатории безопасна лишь при строгом соблюдении общих правили требований техники безопасности. При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие общие правила 1. Содержать рабочее место в чистоте и порядке. 2. Приступать к выполнению опыта лишь тогда, когда уяснены его цель и задачи, когда обдуманы отдельные этапы выполнения опыта. 3. Опыты должны выполняться аккуратно, без торопливости, с соблюдением всех требований, содержащихся в методических указаниях. 4. В лаборатории необходимо соблюдать тишину, запрещается есть, пить и заниматься посторонними делами. 5. После использования реактива его необходимо сразу ставить в штатив, чтобы не создавать беспорядка на рабочем месте. 6. После окончания работы обязательно вымыть руки. Среди химических реагентов имеются ядовитые вещества, оказывающие токсическое воздействие на организм человека в целом (мышьяк, сурьма, свинец, ртуть и их соединения, галогены, сероводород, оксид углерода (II), оксиды азота и др, и агрессивные вещества, оказывающие локальные воздействия на кожу (кислоты и щелочи. При работе сними необходимо соблюдать следующие правила по технике безопасности 1. Все опыты с ядовитыми и сильно пахнущими веществами, а также нагревание и выпаривание растворов производить только в вытяжном шкафу. 2. Не наклоняться над сосудом с кипящей жидкостью. Нагреваемую пробирку или колбу держать отверстием в сторону, а не к себе или к соседу, так как может произойти выброс жидкости. 3. Определять запах вещества следует, не вдыхая пары полной грудью, а направляя их к себе лёгким движением руки. 4. Работы с кислотами и щелочами проводить так, чтобы реактивы не попадали на одежду, лицо, руки. Наливая раствор в пробирку, её надо держать на некотором расстоянии от себя. 5. При обращении с неизвестными веществами необходимо проявлять повышенную осторожность. Ни при каких обстоятельствах нельзя пробовать вещество на вкус 8 6. Необходимо немедленно убрать все пролитое, разбитое и просыпанное на столах или на полу в лаборатории. Если кислота прольется на стол или на поле следует нейтрализовать щелочью или содой. 7. Набор ядовитых и едких жидкостей в пипетки производить не ртом, а при помощи резиновой груши. 8. При измельчении сухих щелочей следует надевать предохранительные очки. Брать твердую щелочь только пинцетом или щипцами. 9. Нельзя употреблять для опытов вещества из капельниц, колб и упаковок без этикеток и с неразборчивыми надписями. 10. В химической лаборатории имеется аптечка. Надо уметь оказывать первую помощь пострадавшим, когда это необходимо. Происшествие Первая помощь ОЖОГИ Ожоги огнем, паром, горячими предметами й степени (краснота) Наложить вату, смоченную этиловым спиртом. Повторить смачивание. й степени (пузыри) Тоже. Обрабатывать м раствором КМnО 4 или м раствором танина. й степени (разрушение тканей) Покрыть рану стерильной повязкой и вызвать врача. Ожоги кислотами, хлором или бромом Промыть ожог большим количеством воды, затем м раствором Ожоги щелочами Промыть обильно водой. Ожоги глаз При ожоге кислотами промыть м раствором При ожоге щелочами применять й раствор борной кислоты ОТРАВЛЕНИЯ Попадание едких веществ в рот и пищеварительные органы При попадании кислот пить кашицу из оксида магния. При попадании щелочей пить раствор лимонной кислоты или очень разбавленной уксусной кислоты. Отравление твердыми или жидкими веществами Вызвать рвоту, выпив й раствор сульфата меди (II) Отравление газами Пострадавшего немедленно вывести на свежий воздух. 11. При приготовлении растворов серной кислоты нужно литье вводу, а не наоборот, так как, вследствие сильного местного разогревания, возможно разбрызгивание концентрированной кислоты. При этом надо пользоваться тонкостенной склянкой или фарфоровой посудой. 9 12. Никаких веществ из лаборатории нельзя брать домой. 13. Металлическая ртуть и ее пары – сильный яд. Поэтому ртуть, пролитая при поломке приборов и термометров, должна быть тщательно собрана. Собирают ртуть с помощью амальгамированных пластинок из меди или белой жести. 14. При порезах стеклом рану нужно продезинфицировать раствором перманганата калия или спиртом, обработать йодом и перевязать бинтом. 15. После оказания первой помощи пострадавшего направить к врачу. 16. В целях противопожарной безопасности химическая лаборатория снабжена огнетушителями, ящиками с песком, асбестовыми одеялами. Необходимо знать, где находятся противопожарные средства и порядок срочной эвакуации из лаборатории при пожаре. 17. Обо всех случаях отклонения от нормального хода лабораторного занятия, угрожающего нарушением настоящих правил, сообщать прежде всего преподавателю, дежурному лаборанту или заведующему лабораторией. При выполнении лабораторной работы каждый студент пишет отчет по работе. Записи надо вести так, чтобы они кратко и логично описывали работу, используемые приборы и реактивы. В отчете должно быть отражено следующее. 1. Название работы и дата ее выполнения. 2. Цель работы в целом и каждого отдельного опыта. 3. Схема установки и её описание. 4. Порядок выполнения работы (ход работы. 5. Таблица экспериментальных данных. 6. Вычисление искомой величины. 7. Расчет погрешности опыта. 8. Выводы. 10 Часть I ОБЩАЯ ХИМИЯ H O 2 H O 2 1 2 5 6 7 3 4 11 Глава первая. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ Работа 1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Вещества подразделяются на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, а сложные – из атомов различных элементов. Сложные вещества называются химическими соединениями. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА подразделяются на металлы и неметаллы. К неметаллам относятся вещества, образованные атомами двадцати двух химических элементов водорода, благородных газов, галогенов, кислорода, серы, селена, теллура, азота, фосфора, мышьяка, углерода, кремния, бора. Все остальные химические элементы и их простые вещества металлы. Металлы в химических реакциях только отдают электроны, то есть являются восстановителями, поэтому в соединениях их атомы находятся только в положительных степенях окисления. Неметаллы в реакциях могут принимать и отдавать электроны, те. вести себя и как окислители, и как восстановители, поэтому степени окисления неметаллов в соединениях могут быть как отрицательными, таки положительными. СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА (химические соединения) очень многочисленны и разнообразны по составу и свойствам. Изучение веществ облегчает их классификация, так как, зная особенности класса соединений, можно охарактеризовать свойства их отдельных представителей. Основными классами неорганических соединений являются оксиды, гидроксиды и соли. Оксидами называются бинарные соединения химических элементов с кислородом, в которых степень окисления кислорода равна –2. По химическим свойствам оксиды подразделяются на солеобра- зующие и несолеобразующие или безразличные (СО, NO, N 2 O). Соле- образующие оксиды, в свою очередь, подразделяются на основные (Na 2 O, CaO, FeO и др, кислотные (SO 2 , SO 3 , SiO 2 , CO 2 и т.д.) и амфотерные Сидр. Гидроксидами являются соединения солеобразующих оксидов с водой. По типу и продуктам электролитической диссоциации вводных растворах и по химическим свойствам гидроксиды подразделяются на основания (NaOH, К, Mg(OH) 2 , Ba(OH) 2 , Fe(OH) 3 и др, кислоты (H 2 SO 3 , H 2 SO 4 , HNO 3 , Р, Сидр) и амфотерные гидроксиды, или амфолиты (Be(OH) 2 , Zn(OH) 2 , Sn(OH) 2 , Sn(OH) 4 , Al(OH) 3 , Cr(OH) 3 , Mn(OH) 4 и др. 12 Cоли представляют собой продукты замещения атомов водорода в кислоте на металл или гидроксид-анионов в основаниях на кислотный остаток. Согласно теории электролитической диссоциации, солями называются вещества, при диссоциации которых образуются катионы металлов (а также NH 4 + - катион аммония) и анионы кислотных остатков. Соли подразделяются на нормальные, или средние (Na 2 SO 4 , K 2 S, Na 2 SiO 3 и др, кислые, или гидросоли (NaHCO 3 , KHSO 4 , NaHS и др, основные, или гидроксосоли (ZnOHCl, (CuOH) 2 CO 3 , AlOH(NO 3 ) 2 и т. д, двойные (KNaCO 3 , KAl(SO 4 ) 2 и др, смешанные (СаСlOCl, или СаOСl 2 , Sr(HS)Cl и др) и оксосоли (SbOCl, BiONO 3 , TiOCl 2 и др. Существуют соединения, которые не относятся к основным классам веществ гидриды, карбиды, нитриды, сульфокислоты и сульфосоли, комплексные соединения и др. Они изучаются на занятиях по химии элементов и их соединений. Экспериментальная часть Целью работы является получение и исследование свойств наиболее распространенных простых веществ и соединений. Опыт 1 |