Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №17/2008
ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ

 

Проведение практических работ
в форме количественного
химического эксперимента

Мы постоянно говорим, утверждаем и доказываем, что химия – наука экспериментальная, точная (количественная). Программой обучения химии предусмотрено решение задач определенного содержания, проведение лабораторных и практических работ, демонстрационных экспериментов (все это в идеале!).

Одна из разновидностей количественных задач школьного уровня – расчет выхода продукта реакции (исходные данные могут быть разными). Обычно эти задачи являются комбинированными, т.е. включают расчетные действия, предусмотренные в более простых ситуациях [1, 2].

Есть прекрасная возможность оптимизировать преподавание химии, соединив в единый процесс количественное получение органического вещества и осуществление необходимых расчетных действий. При этом достигаются различные учебные ц е л и: формирование у учащихся представлений о лабораторном химическом синтезе, умений и навыков в проведении химического эксперимента; формирование потребности в химических знаниях, ориентация на химические профессии; и – реализация программных требований – проведение конкретной практической работы.

Проиллюстрируем сказанное на примере практической работы «Получение сложного эфира».

Учащиеся заранее получают задание подготовиться к практической работе (по учебнику Л.А.Цветкова [3], учебникам Г.Е.Рудзитиса и Ф.Г.Фельдмана или Н.Н.Буринской и Л.П.Величко) и решить задачу.

Задача. Смешали 30 г этанола с 30 г уксусной кислоты. Рассчитать массу образовавшегося сложного эфира, если выход продукта составил 85%.

Решение

Уравнение реакции:

Допустив, что кислота полностью вступила в реакцию, рассчитываем по уравнению химической реакции массу спирта:

Анализ показывает, что спирт взят в избытке. По массе кислоты рассчитываем теоретический выход продукта (эфира):

Подставив в формулу относительного выхода продукта имеющиеся физические величины, находим массу эфира, которая составляет практический выход продукта:

откуда

При проверке тетрадей по химии [4] учитель смотрит, как решена эта задача, сверяя ход решения и результат со своими записями в конспекте к уроку.

 

Практическая работа

В устойчивый штатив помещены (заблаговременно, трудами лаборанта) три пробирки. Первая пробирка – реактор с 2 мл ледяной уксусной кислоты – закрыта пробкой с газоотводной трубкой. Во вторую пробирку налито 2 мл изоамилового спирта (использование этого спирта объясняется тем, что он был доступен: в городе функционировал молокозавод; кроме того, упрощалась технология, и не менее важно – получался продукт с очень приятным запахом). Третья пробирка с 1 мл концентрированной серной кислоты закрыта пробкой или плотным комком технической ваты.

Изоамиловый спирт переливают в пробирку-реактор, смесь перемешивают легкими ударами большого или указательного пальца одной руки, при этом другая рука держит у горла пробирку тремя пальцами (учитель все показывает, и только после этого учащиеся повторяют за ним описанные действия – независимо от того, что у учащихся имеется личный опыт, сформированы умения и навыки при обращении с химическим оборудованием).

Аккуратно, по стенке, в смесь приливают серную кислоту, после чего к реактору присоединяют газоотводную трубку (рис. 1). Она выполняет роль воздушного холодильника и служит физическим препятствием при маловероятном, но все же возможном выбросе агрессивной реакционной массы. Теперь уже смесь трех веществ, с еще большей осторожностью, перемешивают, а выделяющуюся теплоту отводят рукой, охватывающей реактор в зоне протекания химической реакции.

Рис. 1. Пробирка-реактор для получения сложного эфира (изоамилацетата)
Рис. 1. Пробирка-реактор для получения
сложного эфира (изоамилацетата)

Далее реактор несколько секунд нагревают в горячей зоне пламени, помешивают при помощи руки и контролируют температуру (около 50 °С). Это прикидка, проверенная многолетней практикой. Если горячо, плотным кольцевым поглаживанием тепло отводится. Если рука чувствует только тепло, нагревание продолжается. Перемешивание – нагревание – охлаждение с непостоянной периодичностью длится 5 мин. Весь этот период пробку с газоотводной трубкой придерживают указательным пальцем руки (если этого не делать, она может отделиться).

В химический стакан вместимостью 100–150 мл на 1/3 объема наливают водопроводную (еще лучше колодезную) воду. Осторожно выливают туда реакционную массу. Для уменьшения потерь продукта реакции в освобожденный реактор наливают воду (не больше половины по высоте пробирки), после чего содержимое пробирки также выливают в химический стакан. (В пробирку из-под серной кислоты наливают небольшое количество дистиллированной воды и затем сливают в специальную емкость – далее полученный раствор находит применение для самых разных целей.)

Содержимое химического стакана перемешивают стеклянной палочкой, после чего системе дают возможность отстояться (рис. 2). Уже на этом этапе ощущается специфический запах (груши) продукта реакции.

Рис. 2. Химический стакан для отстаивания продукта реакции
Рис. 2. Химический стакан
для отстаивания продукта реакции

Для отделения эфирного слоя от остальной части смеси используют делительную воронку. Это очень ответственный этап практической работы, т.к. можно потерять часть продукта реакции этерификации.

Полученный эфир сливают в «мерник» (рис. 3).

Рис. 3. Пробирка-мерник для определения объема полученного эфира
Рис. 3. Пробирка-мерник для определения
объема полученного эфира

Учащиеся работают в па'рах, они подходят к учителю и показывают, какой объем эфира получен; учитель фиксирует их результат в своем конспекте.

На демонстрационном столе стоит склянка с чистым изоамилацетатом. Учитель обращает внимание на цвет продукта синтеза (слабокоричневый) и образца (бесцветный). Различие в окрашивании объясняется осмолением; для получения чистого продукта необходима перегонка.

Результаты опытов учащиеся заносят в информационную таблицу, которая нарисована на доске (табл. 1).

Таблица 1

Данные по процессу получения изоамилацетата

Вещество Плотность,
г/мл
Объем,
мл
Молярная масса,
г/моль
Выход продукта,
%
1. Изоамиловый спирт 0,814 2 88
2. Уксусная кислота 1,049 2 60
3. Изоамилацетат 0,872 ?
опыт
130 ?
расчет

Для осуществления расчетных действий учащиеся записывают уравнение реакции:

Учащимся разрешается пользоваться округленными значениями плотностей. Они должны определить массу исходных веществ и перевести эти массы в количество вещества:

m(кислоты) = V = 1,049•2 = 2,098 г,

(кислоты) = 2,098/60 = 0,035 моль;

m(спирта) = 0,814•2 = 1,628 г,

(спирта) = 1,628/88 = 0,0185 0,02 моль.

Из анализа полученных данных и уравнения реакции вытекает, что кислота дана в избытке. Расчеты выхода продукта реакции ведем по спирту. По уравнению химический реакции теоретически должно получиться 0,02 моль эфира.

mтеор(эфира) = 0,02•130 2,6 г,

V(эфира) = 2,6/0,872 3 мл.

А сколько получилось на самом деле эфира? За каждым столом – свой результат, который во многом зависит от экспериментальных навыков юных химиков.

Практически учащиеся получают приблизительно от 1 мл до 2 мл эфира и более.

По формуле выхода продукта рассчитывают относительный выход продукта в процентах:

Чтобы облегчить себе работу при проверке правильности расчетов, удобно пользоваться таблицей (табл. 2).

Таблица 2

Определение относительного выхода изоамилацетата по его объему

Объем, мл Выход, % Объем, мл Выход, % Объем, мл Выход, %
0,1 ~ 4 1,1 ~ 44 2,1 ~ 84
0,2 ~ 8 1,2 ~ 48 2,2 ~ 88
0,3 ~ 12 1,3 ~ 52 2,3 ~ 92
0,4 ~ 16 1,4 ~ 56 2,4 ~ 96
0,5 ~ 20 1,5 ~ 60 2,5 100
0,6 ~ 24 1,6 ~ 64  
0,7 ~ 28 1,7 ~ 68  
0,8 ~ 32 1,8 ~ 72  
0,9 ~ 36 1,9 ~ 76  
1,0 ~ 40 2,0 ~ 80  

За данную практическую работу учащиеся получают две оценки: одна – за экспериментальную часть, вторая – за знание теории. Во время проведения практической работы соблюдаются все правила поведения на уроке, и поскольку этот урок обучающий, учащиеся не ограничены в использовании информационного материала, в общении с соседом, они могут полностью проявить свою творческую самостоятельность. При проверке тетрадей учитель (в силу своей педагогической зоркости) учитывает все нюансы – все, что позволяет сделать правильное умозаключение, справедливое и объективное.

* * *

Автор знаком практически со всеми публикациями в методической литературе, предназначенной учителю химии, за последние 40 лет, но не встречался с аналогом данного материала. Это дает моральное право претендовать на новизну идеи, которая десятилетиями «прокручивалась» в личном опыте и начиналась с практической работы по получению нитробензола и бромэтана.

Считаю своим долгом публично поделиться опытом. Не исключаю, что этот опыт – не единственное явление в реальном обучении химии.

Л и т е р а т у р а

1. Шмуклер Е.Г. Решение многоходовых количественных задач. Химия (ИД «Первое сентября»), 2004, № 42, с. 10–13.

2. Шмуклер Е.Г. Развитие у учащихся умений и навыков в решении типовых задач в IХ и X классах. Химия в школе, 1989, № 2, с. 64–74.

3. Цветков Л.А. Органическая химия. Учебник для 10 класса средней школы. М.: Просвещение, 1988, с. 137–139, 231.

4. Шмуклер Е.Г. К вопросу об ученических тетрадях по химии. Химия (ИД «Первое сентября»), 2006, № 5, с. 26–29.

Е.Г.ШМУКЛЕР,
заслуженный учитель Украины
(г. Славута, Украина)