Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 43. Решение экспериментальных задач

Вспомните:

• химические свойства изученных соединений (§ 30, 33, 35, 36 и 38);

• общие способы получения оксидов (§ 40), солей, кислот и оснований (§ 41).

Экспериментальные методы в химии

Химия — наука экспериментальная. Большинство знаний в виде теорий и законов были получены опытным путем и основывались на свойствах веществ и количественных характеристиках, которые описывают их взаимодействия. Если теория изначально выдвигается на основании определенных умозаключений, она требует экспериментального подтверждения. Как говорят ученые: «Практика — критерий истины».

В современных химических лабораториях большинство экспериментов проводят с использованием специального оборудования. Для определения кислотности растворов вместо индикаторов чаще используют pH-метр (рис. 43.1). Еще 50 лет назад для определения наличия атомов того или иного химического элемента в соединении использовали различные химические реакции, некоторые из которых протекали достаточно долго. Современный элементный анализатор (рис. 43.2) позволяет определить любой химический элемент в образце вещества за считанные минуты.

Рис. 43.1. pH-метр определяет наличие кислот и оснований в растворах

Рис. 43.2. Элементный анализатор мгновенно определяет состав веществ

Уже 200 лет химики используют относительные атомные массы элементов. Для определения атомных масс раньше необходимо было провести многочисленные эксперименты по определению массовых соотношений реагентов. Сегодня для этого используют масс-спектрометры (рис. 43.3), которые позволяют определить массы не только отдельных атомов, но также молекул и ионов.

Рис. 43.3. Масс-спектрометр — прибор для определения относительных атомных и молекулярных масс

Для выводов о свойствах веществ часто необходимо знать оптические характеристики веществ, в частности свет какого цвета поглощает вещество. В конце XIX в. немецкие ученые Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф сконструировали простейший спектрограф (рис. 43.4), который по оптическим характеристикам веществ позволил определить состав Солнца, открыть новые вещества, в частности инертные газы и др. Современные ученые активно пользуются таким прибором, но, конечно, существенно усовершенствованным (рис. 43.5). Он позволяет решать намного более сложные задачи, но принцип его действия во многом сходен со спектроскопом Бунзена.

Рис. 43.4. Первый спектроскоп, сконструированный Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом

Рис. 43.5. Современный спектрофотометр

В настоящее время очень распространенным экспериментальным методом является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия). Он позволяет делать выводы о строении молекул и стал незаменимым в современной химии (рис. 43.6).

Рис. 43.6. Современный ЯМР-спектрометр

Без современных приборов сегодня сложно представить работу химиков, без нового оборудования невозможно дальнейшее развитие и накопление химических знаний. Но многие задачи можно решать и без приборов, используя обычные реактивы и проводя опыты в обычных пробирках.

Решение экспериментальных задач

И в современной лаборатории, и в обычной школьной химической лаборатории часто возникают задачи, которые можно решить только исследовательским путем. Например, необходимо определить состав некоего вещества, емкость с которым кто-то забыл подписать. Или необходимо доказать, действительно ли содержимое емкости соответствует надписи на ней.

Для решения таких экспериментальных задач необходимо знать визуальные эффекты, которые сопровождают те или иные реакции. В частности, изменение цвета индикаторов при наличии тех или иных веществ, образование осадка при взаимодействии определенных веществ, выделение газов и характер запаха этих газов. Необходимо также помнить, что большинство газообразных веществ бесцветны, но некоторые из них (сероводород или сернистый газ) обладают определенным характерным запахом. А наличие других веществ доказывают химическим способом: кислород поддерживает горение тлеющей щепки, а водород сгорает с характерным звуком.

Для решения любой экспериментальной задачи всегда следует придерживаться определенной последовательности действий. Во-первых, необходимо составить план эксперимента, в рамках которого определить, на какой конкретный вопрос нужно дать ответ и какие опыты необходимо провести. Во-вторых, выполнить собственно экспериментальную часть. В-третьих, сделать вывод о том, позволяют ли проведенные опыты дать ответ на поставленный вопрос и какие результаты опытов позволяют сделать вывод о доказательстве или опровержении изначальных предположений. Рассмотрим несколько примеров решения экспериментальных задач.

Задача 1. Экспериментальным методом докажите состав хлоридной кислоты.

Решение:

1. Планирование эксперимента.

Хлоридная кислота состоит из ионов Гидрогена и хлорид-ионов. Для доказательства ее состава необходимо провести опыты, которые выявят наличие этих ионов.

Доказать наличие Гидрогена можно несколькими способами.

Первый: вследствие наличия ионов Гидрогена кислоты изменяют цвет индикаторов. Следовательно, если индикатор изменит свою окраску на цвет, соответствующий кислой среде, то можно утверждать о наличии Гидрогена в составе кислоты.

Второй способ основан на возможности вытеснить ионы Гидрогена из кислоты активными металлами.

Доказать наличие хлорид-ионов можно добавлением в хлоридную кислоту раствора аргентум(І) нитрата, поскольку при этом должен образоваться белый осадок аргентум хлорида.

2. Проведение эксперимента.

Разольем выданный раствор хлоридной кислоты в три пробирки. Поочередно добавляем необходимые реактивы и записываем свои наблюдения в тетрадь (лабораторный журнал). Результаты эксперимента удобнее оформить в виде следующей таблицы:

Номер пробирки

Выполненные действия

Наблюдения

1

Добавляем раствор лакмуса

Лакмус становится красным

2

Добавляем гранулу цинка

На поверхности цинка образуются пузырьки бесцветного газа и выделяются из раствора

Выделяющийся газ собираем в пробирку, перевернутую кверху дном, и поджигаем

Газ сгорает с характерным хлопающим звуком

3

Добавляем раствор аргентум(І) нитрата

Образуется белый творожистый осадок

Добавляем несколько капель нитратной кислоты

С осадком ничего не происходит

3. Анализ эксперимента и формулирование выводов.

Красным лакмус становится в растворах кислот, а во всех кислотах присутствует Гидроген. Наличие Гидрогена доказывает также второй опыт. Указанным способом сгорает только водород, а он мог образоваться при взаимодействии кислоты с цинком. Итак, в хлоридной кислоте содержатся ионы Гидрогена. Белый творожистый осадок, нерастворимый в нитратной кислоте, образуется при добавлении аргентум(І) нитрата только к хлоридам. Следовательно, раствор является раствором хлорида. Проведенные эксперименты доказывают, что в растворенном веществе содержатся Гидроген и Хлор, т. е. искомое вещество — гидроген хлорид (хлоридная кислота).

Задача 2. В трех пронумерованных пробирках находятся растворы хлоридной кислоты, натрий хлорида и натрий сульфита. Используя минимальное число реактивов, определите содержимое каждой пробирки.

Решение:

1. Планирование эксперимента.

Среди трех веществ одно — кислота, наличие которой можно доказать индикатором. Значит, вначале необходимо испытать содержимое пробирок индикатором. Наличие хлоридов можно определить, используя аргентум(І) нитрат. Но аргентум сульфит, который должен образоваться при наличии натрий сульфита, тоже нерастворим, поэтому такое испытание нам не поможет различить содержимое пробирок. Используя таблицу растворимости, определяем, что существует реактив, при добавлении которого к сульфитам осадок образуется, а к хлоридам — нет. Это барий нитрат. Следовательно, его можно использовать для выявления пробирки с раствором натрий сульфита. Наличие сульфитов можно также доказать путем добавления сильной кислоты. Поскольку сульфитная кислота слабая, то сильные кислоты будут вытеснять ее из соли. К тому же она неустойчива и будет разлагаться с выделением сернистого газа, который можно определить по характерному запаху.

2. Проведение эксперимента.

Поскольку с каждым веществом необходимо провести по меньшей мере две реакции, то содержимое каждой пробирки разделим на две порции. Результаты опытов оформляем в виде таблицы:

Выполненные действия

Номер пробирки

1

2

3

1. Добавляем раствор метилового оранжевого

Цвет не изменяется

Индикатор становится красным

Цвет не изменяется

2. Добавляем раствор барий нитрата

Выпадает белый осадок

Ничего не происходит

Изменений не происходит

3. Анализ эксперимента и формулирование выводов.

Индикатор меняет цвет при наличии кислот, и это происходит только в одной пробирке. Таким образом, в пробирке 2 — хлоридная кислота. Осадок образуется при добавлении барий нитрата только к содержимому первой пробирки, следовательно, пробирка 1 содержит натрий сульфит. Методом исключения делаем вывод, что в пробирке 3 — натрий хлорид.