О.С.ЗАЙЦЕВ

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 24, 29, 30, 31, 34, 35, 39, 41, 42, 45/2004;
2, 3/2005

(продолжение)

Лабораторные исследования

1. Вытесение водорода металлами из раствора кислоты.

Это задание можно выполнять малыми группами. В каждой группе следует распределить обязанности между участниками исследования.

Налейте в отдельные пробирки по 1–2 мл 0,1–1М раствора соляной кислоты и опустите в каждую пробирку пластинку, проволоку или кусочек железа, цинка, меди, алюминия или другого металла, имеющегося в лаборатории. В каких случаях выделяется водород? Соберите результаты, полученные участниками исследования. Разделите металлы на два класса – вытесняющие водород и не вытесняющие его.

Напишите уравнения реакций и рассчитайте их ЭДС для приведенных ниже электродных потенциалов.

Сравните результаты вашего исследования с величинами ЭДС. Попытайтесь объяснить причины возможных несоответствий опытных результатов вычисленным.

2. Вытеснение металлов из растворов их солей.

Это задание также можно выполнять малыми группами, распределив обязанности между участниками исследования.

Налейте в отдельные пробирки по 1–2 мл растворов солей цинка, железа, кальция, меди, магния, натрия, калия, свинца или других солей, которые имеются в лаборатории. Опустите в каждую пробирку по пластинке (или кусочку) цинка, предварительно очистив его поверхность от загрязнений. Соберите сведения у других участников исследования о том, какие металлы выделяются на поверхности цинка.

Напишите уравнения реакций. Рассчитайте эдс реакций, воспользовавшись стандартными электродными потенциалами.

Аналогичным путем проведите опыты, опуская в растворы проволочки или пластинки из других металлов – меди, алюминия, магния, железа, олова, свинца.

Сведите результаты наблюдений в таблицу, отмечая те сочетания «ион–металл», при которых металлы вытеснялись из растворов их солей.

Расположите металлы в такой последовательности, чтобы каждый металл мог вытеснить все следующие за ним металлы из растворов их солей. Сравните ваши результаты с последовательностью металлов, расположенных по их электродным потенциалам.

Изготовление простого гальванического элемента. В стакан с разбавленной (0,5М) серной кислотой опускается медная пластинка размером 5х3 см. Другим электродом могут быть пластинки из магния, цинка, железа, никеля или свинца. Электродный потенциал этих металлов оценивается по яркости лампочки на 1–1,3 В. Ее можно заменить гальванометром. Вместо кислоты можно взять раствор соли. Поверхность металла следует тщательно очистить наждачной бумагой. Как влияет расстояние между электродами на яркость горения лампочки?

3. Изучение марганцево-цинкового источника электрического тока.

Возьмите новую или почти полностью использованную цилиндрическую батарейку, большую или маленькую «пальчиковую», или одну секцию от плоской батарейки. Убедитесь, что это не литиевая батарейка и не аккумулятор. Зачем на некоторых батарейках указано, что в них нет кадмия и ртути? Осторожно разберите батарейку. Ничего не выбрасывайте – вам скоро все вещества пригодятся.

Плоскогубцами выдерните центральный стержень. Докажите, что он сделан из графита. Удалите отверткой и плоскогубцами наружную металлическую защитную оболочку, которая предохраняет батарейку от вытекания электролита. Острым ножом снимите изоляцию (бумага или полимерная пленка), сделайте продольный надрез на второй металлической оболочке и снимите ее. Докажите, что это цинк.

У вас останется влажная рыхлая масса, которая состоит из диоксида марганца, порошка графита, хлорида аммония, хлорида цинка и воды. Опустите ее в стакан с небольшим количеством воды и хорошо размешайте. Подождите несколько минут, пока на дне не образуется черно-коричневый осадок. Извлеките шпателем немного осадка и докажите, что это диоксид марганца MnО₂ (вспомните, в каком опыте вы пользовались диоксидом марганца).

Было бы очень хорошо, если бы вы смогли доказать, что жидкость в стакане представляет собой раствор хлорида аммония NH₄Cl и хлорида цинка ZnCl₂. (Вам следует определить присутствие в растворе ионов цинка, хлорид-ионов и ионов аммония.)

Теперь познакомьтесь с реакциями в марганцево-цинковом элементе (элемент Лекланше), который используют для питания радиоприемников и карманных фонарей. Название этого элемента не совсем точно, т.к. в элементе используется не металлический марганец, а диоксид марганца MnО₂. Отрицательным электродом в этом элементе служит цинк, играющий роль батарейного сосуда
(рис. 8.17). В него помещают пасту из желатинированной смеси диоксида марганца, тонко измельченного графита, хлорида аммония в качестве электролита и воды. В пасту вставляется графитовый стержень – положительный электрод.

Рис. 8.17. Разрез марганцево-цинкового элемента (батарейки)

В батарейке протекают следующие процессы:

на аноде: Zn – 2e = Zn²⁺,
на катоде: MnO₂ + 2H₂O + e = Mn(OH)₃ + OH^–.

Эти и суммарное уравнение

Zn + 2MnO₂ + 4H₂O = Zn²⁺ + 2Mn(OH)₃ + 2OH^–

не описывают всех протекающих реакций.

Гидроксид-ионы взаимодействуют с ионами аммония, и образуется аммиак:

+ OH^– = NH₃ + H₂O.

Аммиак (или гидроксид аммония) взаимодействует с ионами цинка, и образуется комплексный ион:

Zn²⁺ + 4NH₃ = [Zn(NH₃)₄]²⁺.

При работе с гальваническими элементами следует научиться определять их полюса. Один из способов состоит в том, что полоску фильтровальной бумаги пропитывают раствором хлорида натрия или сульфата натрия с несколькими каплями фенолфталеина. К такой полоске приложите на некотором расстоянии друг от друга концы проводников от элемента или батарейки. Пурпурное пятно появится у катода – отрицательного полюса, где образуются гидроксид-ионы.

Снимите с батарейки обертку, на которой указаны ее полюса. Обертку не выбрасывайте. Определите полюса батарейки и проверьте правильность вашего опыта, воспользовавшись оставшейся оберткой.

Напишите уравнение реакции, вызвавшей окраску фенолфталеиновой бумаги.

Попытайтесь создать элемент, имея кусочек цинка, диоксид марганца и хлорид аммония.

В продаже можно встретить батарейки с индикатором заряженности. Индикатор работает так. По металлизированной пленке пропускается ток батарейки. Пленка нагревается и изменяет цвет тонкого слоя из жидкого кристалла. У некоторых батареек черный слой становится прозрачным и под ним видно слово «GOOD». Если батарейка после эксплуатации стала маломощной, ток не нагревает пленку, цвет не изменяется и надпись не видна.