Практикум по химии. Часть I (стр. 1 )

,

ПРАКТИКУМ ПО ХИМИИ

часть I

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

,

ПРАКТИКУМ ПО ХИМИИ

часть I

Учебное пособие

Волгоград

2009

УДК 54(076.5)

Г 12

Рецензенты: ГНУ нижневолжская стация по селекции древесных пород ВНИАЛМИ; руководитель представительства в г. Камышине Волгоградской области СГАП .

Гаврилов, по химии. Часть I: учеб. пособие / , ; ВолгГТУ, Волгоград, 2009. – 48 с.

ISBN 0208-3

Соответствует программе курса химии для студентов всех направлений и специальностей. Рассматриваются работы по разделам: строение вещества, общие закономерности химических реакций, растворы и другие дисперсные системы, окислительно-восстановительные и электрохимические процессы.

Ил. 8. Табл. 15. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0208-3 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2009

Содержание

	Введение............................................................................................	4
	§1. Общие правила выполнения лабораторных работ...................	5
	§2. Лабораторное оборудование. Техника выполнения лабораторных работ................................................................................................	7
	§3. Измерительные приборы............................................................	11
	Раздел I. Основные понятия и законы химии.................................	13
	Раздел II. Общие закономерности химических реакций...............	19
	Раздел III. Химическое равновесие.................................................	23
	Раздел IV. Растворы..........................................................................	26
	Раздел V. Растворы электролитов...................................................	31
	Раздел VI. Окислительно-восстановительные и электрохимические процессы....................................................................................	37
	Раздел VII. Коллоидные растворы..................................................	43
	Список использованной литературы................................................	47

Введение

Лабораторные работы являются одной из важнейших составных частей курса химии. В данном практикуме авторы старались показать основные закономерности химических процессов, свойства и реакции взаимодействия важнейших веществ, не прибегая к сложной аппаратуре, и, с другой стороны, избежать постановки работ, сводящихся к одним лишь пробирочным испытаниям.

Представленные работы должны ознакомить студентов с некоторыми элементарными приёмами работы в химической лаборатории и простейшими количественными определениями. Главная их задача заключается в проведении опытов, иллюстрирующих основные представления и законы химической науки.

Предполагается, что каждой работе будет предшествовать беседа преподавателя, в которой он отметит основное в предполагаемом задании. Эта беседа, как правило, должна включать опрос студентов, которым следует заранее готовиться к каждому лабораторному занятию.

Настоящее пособие не содержит вводных теоретических глав. Большинство лабораторных работ имеет лишь краткие теоретические введения, поскольку авторы считают эти теоретические введения излишними, так как они приучают студентов идти по линии наименьшего сопротивления, заменять изучение учебника чтением конспективного изложения соответствующих тем в руководстве к лабораторным занятиям.

К каждой работе даны контрольные вопросы, которые способствуют закреплению пройденного материала.

Часть работ содержит несколько опытов, что позволяет строить практикум в соответствии с профилем обучения студентов.

§1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Для выполнения лабораторных работ студенту необходимо ознакомиться с лабораторным оборудованием, измерительными приборами, а также с техникой проведения основных лабораторных операций.

Поскольку в химической лаборатории находятся электроприборы, газ, ядовитые и огнеопасные вещества, студенты должны строго соблюдать правила внутреннего распорядка и техники безопасности.

Перед каждым лабораторным занятием студент должен изучить соответствующий раздел учебника, конспекта лекций и описание лабораторной работы.

При оформлении отчета по проделанной работе в лабораторном журнале записывают дату, номер, название работы и опыта; конспект теоретического материала; краткое описание хода опыта и результаты, полученные при его выполнении.

При проведении эксперимента необходимо соблюдать следующие правила:

1.  Опыт проводят всегда в чистой посуде.

2.  Нельзя выливать избыток реактива из пробирки обратно в реактивную склянку.

3.  Сухие соли набирают чистым шпателем или ложечкой, причем избыток реактива нельзя высыпать обратно в склянку.

4.  Не следует путать пробки от разных склянок. Чтобы внутренняя сторона пробки оставалась чистой, пробку кладут на стол внешней поверхностью.

5.  Нельзя уносить реактивы общего пользования на свое рабочее место.

6.  После опытов остатки металлов в раковину не выбрасывают, а собирают в банку.

7.  Дорогостоящие реактивы (например, остатки солей серебра) собирают в специально отведенную посуду.

Правила техники безопасности

1.  Не трогайте, не включайте и не выключайте без разрешения преподавателя рубильники и электрические приборы.

2.  Не загромождайте свое рабочее место лишними предметами.

3.  Нельзя брать вещества руками и пробовать их на вкус. При определении веществ по запаху склянку следует держать на расстоянии и направлять движением руки воздух от отверстия склянки к носу.

4.  Опыты с ядовитыми веществами надо проводить в вытяжном шкафу.

5.  При приливании реактивов нельзя наклоняться над отверстием сосуда во избежание попадания брызг на лицо и одежду.

6.  Нельзя наклоняться над нагреваемой жидкостью, так как ее может выбросить.

7.  Разбавляя концентрированные кислоты, особенно серную, осторожно вливают кислоту в воду.

8.  Все опыты с концентрированными кислотами и щелочами проводить только под тягой.

9.  С легковоспламеняющимися жидкостями нельзя работать вблизи нагревательных приборов.

Правила противопожарной безопасности

1.  Осторожно обращайтесь с нагревательными приборами. При перегорании спирали электроплитки отключите плитку от электросети.

2.  При проведении опытов, в которых может произойти самовозгорание, необходимо иметь под руками песок, войлок и т. п.

3.  В случае воспламенения горючих веществ быстро погасите горелку, выключите электронагревательные приборы, оставьте сосуд с огнеопасным веществом и тушите пожар:

а) горящие жидкости прикройте войлоком, а затем, если нужно, засыпьте песком, но не заливайте водой;

б) в случае воспламенения щелочных металлов гасите пламя только сухим песком, но не водой.

4.  Во всех случаях пожара в лаборатории немедленно вызовите пожарную команду; до прихода пожарной команды воспользуйтесь порошковым огнетушителем.

Первая помощь при несчастных случаях

В лаборатории бывают случаи, требующие неотложной медицинской помощи, – порезы рук стеклом, ожоги горячими предметами, кислотами, щелочами. В особо серьезных случаях необходимо немедленно обратиться к врачу.

Для оказания первой помощи в лаборатории имеется аптечка. Основные правила первой помощи сводятся к следующему:

1.  При ранении стеклом удалите осколки из раны, смажьте края раны раствором йода и перевяжите бинтом.

2.  При ожоге рук или лица реактивом смойте реактив большим количеством воды, затем либо разбавленной уксусной кислотой (в случае ожога щелочью), либо раствором соды (в случае ожога кислотой), а затем опять водой.

3.  При ожоге горячей жидкостью или горячим предметом обожженное место обработайте свежеприготовленным раствором перманганата калия, смажьте обожженное место мазью от ожога или вазелином. Можно присыпать ожог питьевой содой и забинтовать.

4.  При химических ожогах глаз обильно промойте глаза водой, используя глазную ванночку, а затем обратитесь к врачу.

§2. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ТЕХНИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Мерная химическая посуда

Мерной называют посуду, применяемую для измерения объемов жидкости. К ней относятся цилиндры, пипетки, бюретки и мерные колбы.

При измерении объемов необходимо, чтобы глаз наблюдателя находился на одной горизонтальной линии с нижним мениском жидкости. Нижний мениск жидкости должен быть на одном уровне с меткой.

Цилиндры применяют в тех случаях, когда измерение объема жидкости не требует большой точности. Мерные цилиндры – стеклянные сосуды с нанесенными на наружной стенке делениями, указывающими объем в миллилитрах. В системе СИ объем выражают в кубических метрах или его кратных долях (см3, дм3), Мерная посуда градуирована в миллилитрах (мл) или литрах (л) (1 мл соответствует 1 см3; 1 л – 1 дм3).

Вместимость цилиндров бывает от 5–10 мл до 1 л и больше. Чтобы отмерить нужный объем жидкости, ее наливают в мерный цилиндр до тех пор, пока нижний мениск не достигнет уровня нужного деления.

Пипетки служат для отмеривания и переноса определенного объема жидкости. Обычные пипетки представляют собой стеклянные трубки небольшого диаметра с расширением посредине.

Нижний конец пипетки слега оттянут, и имеет диаметр около 1 мм. Пипетки бывают вместимостью от 0,1 до 100 мл. В верхней части пипетки имеется метка, до которой набирают жидкость. Широко применяют также градуированные пипетки с делениями.

Для наполнения нижний конец пипетки опускают в жидкость до дна сосуда. С помощью груши набирают жидкость, следя, чтобы кончик пипетки все время находился в жидкости.

Жидкость набирают так, чтобы она поднялась на 2–3 см выше метки, затем быстро закрывают верхнее отверстие указательным пальцем, придерживая в то же время пипетку большим и средним пальцами. Затем ослабляют нажим указательного пальца, в результате чего жидкость медленно вытекает из пипетки; как только нижний мениск жидкости опустится до метки, палец снова прижимают. Если на конце пипетки остается капля, ее следует осторожно удалить. Введя пипетку в сосуд, в который нужно перенести жидкость, отнимают указательный палец и дают жидкости стечь по стенке сосуда. После того как жидкость стечет, пипетку держат еще несколько секунд прислоненной к стенке сосуда, слегка поворачивая её. Выдувать жидкость из пипетки не следует, так как пипетка отградуирована с учетом оставшейся в ней капли.

Бюретки позволяют точно отмерить любой объем жидкости в пределах ее вместимости.

Объемные бюретки представляют собой стеклянные градуированные трубки, снабженные притертым краном или стеклянным капилляром, присоединенным к бюретке с помощью резиновой трубки. Внутрь резиновой трубки закладывают стеклянную бусину, закрывающую выход жидкости из бюретки. Для вытекания жидкости резиновую трубку оттягивают от бусины. Бюретку заполняют жидкостью через воронку, при этом должен быть заполнен и стеклянный капилляр. Если в капилляре остается пузырек воздуха, резиновую трубку изгибают так, чтобы кончик капилляра был направлен вверх, и вытесняют жидкостью весь воздух.

Перед началом работы уровень жидкости в бюретке должен быть установлен на нулевом делении. Для этого наливают жидкость в бюретку на 2–3 см выше нулевого деления, а затем снимают воронку и сливают избыток жидкости.

Уровень прозрачных растворов устанавливают по нижнему краю мениска, непрозрачных – по верхнему.

При отсчете по бюретке глаз наблюдателя должен находиться в одной плоскости с уровнем жидкости.

Мерные колбы применяют для приготовления заданного объема раствора. Они представляют собой плоскодонные сосуды различной вместимости. На горлышке колбы имеется метка, а на самой колбе указана ее вместимость в миллилитрах при определенной температуре.

Для приготовления раствора в колбу наливают немного воды, вносят вещество и растворяют его в этой воде. Потом наливают ее на 0,5–1,0 см ниже метки, после чего доводят до метки, добавляя воду по каплям из пипетки. Затем плотно закрывают колбу пробкой и тщательно перемешивают раствор, переворачивая колбу несколько раз.

Весы и взвешивание

Взвешиванием называют сравнение массы данного тела с массой гирь.

В зависимости от точности взвешивания весы разделяют на следующие группы:

1) технические – для грубого взвешивания (точность до 1 г);

2) технические – для точного взвешивания (точность до 0,01 г);

3) аналитические (точность 10-4–10-6 г);

4) специальные (пробирные, торзионные).

Технические весы для точного взвешивания, так называемые технохимические весы (рис. 1), состоят из коромысла 2, на котором укреплены три стальные или агатовые призмы: две на концах, обращенные ребром вверх, и одна посередине, обращенная ребром вниз. Коромысло своей средней призмой опирается на подушку, укрепленную на центральной колонке весов.

Чашки весов 4 посредством серег подвешены на концевые призмы. Для определения состояния равновесия служит длинная стрелка 8 и шкала с делениями 6.

Весы имеют арретир 7, т. е. приспособление, дающее возможность прекращать качания коромысла и связанной с ним стрелки. Арретир приподнимает коромысло и чашки весов и тем самым освобождает призмы от контакта с пластинками, что предохраняет призмы от преждевременного изнашивания. Неработающие весы всегда должны быть арретированы.

Рис. 1. Технохимические весы: 1 – балансировочные гайки; 2 – коромысла; 3 – отвес; 4 – чашки; 5 – установочные винты; 6 – шкала; 7 – ручка арретира; 8 – стрелка

Рис. 2. Разновес:

а – гнезда для граммовых гирь; б – форма миллиграммовых разновесок

Для взвешивания на технических весах применяют стограммовый разновес, представляющий собой набор граммовых и миллиграммовых гирь-разновесок, расположенных в определенном порядке в гнездах специального ящика (рис. 2).

Приступая к взвешиванию, нужно убедиться, что весы правильно установлены. Для этого ручку арретира медленно поворачивают вправо и наблюдают за качанием стрелки. Если весы установлены правильно, то стрелка отклоняется от нулевого деления шкалы вправо и влево на одинаковое число делений. Если отклонение от нулевого деления шкалы в одну сторону больше, чем в другую, то весы нужно арретировать и обратиться к лаборанту с просьбой отрегулировать весы. Вещества взвешивают охлажденными до комнатной температуры. Взвешиваемое вещество помещают на левую чашку весов, а на правую – разновески в нисходящем порядке, начиная с самых крупных. Снимать и класть на чашки весов взвешиваемое вещество и разновески следует только при арретированных весах.

При взвешивании рекомендуется использовать специальную посуду: часовые стекла, тигли, бюксы.

Когда взвешивание закончено, не снимать разновески с чашки весов до того, как масса тела будет подсчитана (по пустым гнездам в ящике). Проверить массу, помещая разновески обратно в ящик.

Если в одной работе нужно сделать несколько взвешиваний, то необходимо пользоваться одними и теми же весами и набором разновесок.

Титрование

Титрование – один из методов определения концентрации, основанный на измерении объемов растворов, вступающих в реакцию веществ.

Зная концентрацию одного из растворов и их объемы, по закону эквивалентов рассчитывают концентрацию другого раствора.

Для титрования в бюретку наливают раствор известной концентрации и устанавливают бюретку в рабочее положение. Пипеткой отбирают точный объем раствора, концентрацию которого надо определить, и переносят его в коническую колбу. Если конец титрования определяют по индикатору, в колбу добавляют 2–3 капли индикатора. Титрование проводят на фоне белого листа бумаги.

При титровании по каплям приливают раствор с известной концентрацией из бюретки в колбу с анализируемым раствором, который непрерывно перемешивают. Конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора. Результат титрования (объем раствора, пошедшего на титрование) записывают. Если результаты двух титрований отличаются друг от друга более чем на 0,1 мл, титрование повторяют.

Взятие реактивов. Реактивы для опытов, проводимых полумикрометодом, берут в очень малых количествах. Сухие вещества следует брать микрошпателем, растворы – пипеткой.

Категорически запрещается брать разные реактивы одним и тем же микрошпателем или одной и той же пипеткой.

Внося сухие вещества или растворы в рабочую пробирку, не следует опускать конец микрошпателя или пипетки глубоко в пробирку, а также касаться ее внутренних стенок во избежание загрязнения исходных реактивов. После того как реактив перенесен в рабочую пробирку, микрошпатель или пипетку возвращают в пробирку с соответствующим реактивом и ставят ее в гнездо штатива, из которого она была взята.

Измельчение твердого вещества производят пестиком в фарфоровой ступке.

§3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

рН-метр – милливольтметр

рН-метр – милливольтметр предназначен для определения водородного показателя среды (рН) и окислительно-восстановительного потенциала электрода.

Действие прибора основано на измерении разности потенциалов (ЭДС) двух электродов – измерительного и вспомогательного, помещенных в испытуемый раствор.

В качестве измерительного электрода при определении рН раствора используют стеклянный электрод.

Поверхность стекла является полиэлектролитом, отвечающим формуле

где К – катионы (Na+, K+, Li+, Н+).

При соприкосновении поверхности стекла с раствором кислоты на ней происходит реакция ионного обмена

и устанавливается ионное равновесие. При этом на границе возникает скачок потенциала, величина которого зависит от активности ионов водорода:

,

где Е0 – стандартный потенциал электрода; R – молярная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); Т – абсолютная температура; F – постоянная Фарадея, равнаяКл/моль (~Кл/моль); а – активность ионов водорода.

В качестве вспомогательного электрода обычно применяют проточный хлорсеребряный электрод.

Правила работы на рН-метре

1.  Перед каждым погружением электродов в анализируемый раствор их необходимо тщательно промыть дистиллированной водой и удалить с них избыток воды фильтровальной бумагой.

2.  Переключатели <Виды работ> и <Пределы измерения> установить соответственно в положения <рН> и <–1–14>.

3.  Включить прибор в сеть 220 В. При этом на передней панели прибора загорается контрольная лампочка.

4.  Провести ориентировочное измерение рН, после чего переключить тумблер в положение, соответствующее диапазону измеряемого рН, и провести точное измерение.

5.  После измерения промыть электроды и погрузить их в дистиллированную воду.

Раздел I. Основные понятия и законы химии

Лабораторная работа № 1

Определение молекулярных масс газов и эквивалентов металлов

Цель работы: определение молекулярной массы двуокиси углерода (СО2), кислорода и эквивалентов металлов методом вытеснения водорода из кислоты.

Опыт 1: Определение молекулярной массы двуокиси углерода

Сущность работы заключается в установлении массы собранного объема двуокиси углерода, которую получают в аппарате Киппа (рис. 1) при взаимодействии мрамора и соляной кислоты.

Навеску мрамора помещают в средний резервуар аппарата Киппа и через верхний резервуар наливают 10 % раствор соляной кислоты, которая по трубке переходит в нижний резервуар, а оттуда через сужение в средний и реагирует с мрамором по схеме:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O.

Получающаяся двуокись углерода выходит через открытый кран К, освобождается от примеси HCl пропусканием её через раствор гидрокарбоната натрия и высушивается концентрированной серной кислотой. Если закрыть кран К, то СО2, не имея выхода, начинает давить на кислоту, вытесняя её обратно в нижний резервуар и далее через трубку в верхний шар. Когда вся кислота будет вытеснена из среднего шара, соприкосновения кислоты с мрамором не будет, реакция прекратится.

Рис. 1. Установка для определения молекулярного веса углекислого газа.

1 – аппарат Киппа; 2 – склянки Дрекселя.

Порядок выполнения опыта

1. Сухую чистую колбу, емкостью 250 мл, плотно закрыть резиновой пробкой. Уровень, до которого пробка входит в горло колбы, отметить либо карандашом по стеклу, либо резиновым кольцом.

2. Взвесить колбу с пробкой с точностью до 0,01 г. Массу колбы с воздухом записать (m1).

3. Опустить трубку, идущую от аппарата Киппа, до дна колбы и наполнить её в течение 5–7 минут двуокисью углерода.

4. Закрыть колбу пробкой, чтобы она вошла до отмеченного уровня, взвесить ее. Массу колбы с двуокисью углерода записать (m2).

5. Наполнение колбы и взвешивание можно повторить, чтобы убедиться в полноте вытеснения воздуха из колбы. Расхождение в массе должно быть не более 0,01 г.

6. Наполнить колбу до метки водой и с помощью мерного цилиндра измерить объем колбы, равный объему воды (V1). Отметить и записать по барометру давление (Рбар) и по термометру температуру (t °С), при которых производится определение.

7. Привести найденный объем (V1) к объему при нормальных условиях (V0) по уравнению: , где: Т0 = 273 К; Р0 =1 атм = 101,3 кПа = 760 мм рт. ст.; Т1 = t° + 273.

8. Вычислить массу воздуха в объеме колбы (mвозд), зная, что при нормальных условиях 1 л воздуха весит 1,293 г.

1,293 г. – 1000 мл;

mвозд. – V0.

Масса колбы с воздухом – m1; Масса пустой колбы = m1 – m возд.

9. Вычислить массу двуокиси углерода:.

10. Рассчитать молекулярную массу двуокиси углерода, исходя из: ,

где: Д – плотность двуокиси углерода по воздуху; – молекулярная масса СО2, М возд. = 29 у. е. – средняя молекулярная масса воздуха.

11. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.

Таблица 1

Масса колбы, г	Объем колбы, мл	Давление по барометру, кПа	Температура, °С	Масса воздуха, г	Масса СО2, г
с воздухом	с СО2
m1	m2	V1	Pбар	t	mвозд

12. Сравнить найденную молекулярную массу двуокиси углерода с её теоретическим значением, т. е. определить абсолютную и относительную ошибку опыта:

Абс. ош. = │Мт – Моп│(у. е.), Отн. ош. = ,

где Моп – найденное значение молекулярной массы СО2 (у. е.);

Мт – теоретическое значение молекулярной массы СО2 (у. е.).

Опыт 2: Определение молекулярной массы кислорода

Молекулярную массу газа можно определить различными методами: пользуясь уравнением состояния идеального газа, по плотности газа и другими методами. Если вещество находится в газообразном состоянии, то его мольная масса может быть найдена с помощью закона Авогадро. Многие вещества при нагревании способны выделять газы. Например, при термическом разложении перманганата калия выделяется кислород.

Реакция протекает по схеме: 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.

Очень важно полностью собрать газ и, зная температуру, давление водяного пара (т. к. газ собирается над водой), высоту водяного столба в цилиндре, произвести расчеты по определению его молекулярного веса.

Данные эксперимента заносят в табл. 2.

Таблица 2

Масса пробирки с KMnO4 , г	Масса О2, г	Объем в цилиндре, мл	Темпера-тура, °C	Давление, кПа	Высота воды, мм
До разложения	После разложения
m1	m2	= m1 – m2	V	t	P, по барометру	h водяных паров	Нв

Порядок выполнения опыта