Анализ распределения физических сил
при использовании химических приборов

Демонстрационный эксперимент и многие практические работы основаны на использовании простых химических приборов. Кроме знакомства с химическими превращениями веществ, учащиеся должны разобраться в физической сущности того, что происходит, и уметь по рисунку прибора объяснить суть происходящего: что куда движется и что где происходит.

Один из приборов в кабинете химии – газометр. На рис. 1 изображен газометр, наполненный газом. Это может быть кислород, как указано на рисунке, углекислый газ или просто воздух. Краны 1 и 2 в этот момент закрыты. Газ в соответствии с законом Паскаля оказывает давление на стенки сосуда и воду. Открываем кран 1, столб воды из воронки оказывает давление на газ, поджимая его, но т.к. внутреннее давление газа и давление воды уравновешены, ничего не происходит. Открываем кран 2, газ устремляется в выходное отверстие (скорость потока регулируется осторожным поворотом крана). Давление внутри сосуда падает – и вода из воронки поступает в газометр. После закрытия крана 2 отбор газа прекращается, уровень воды устанавливается на более высокой отметке, т.к. наступает новое равновесие сил. Для прекращения давления воды перекрывается кран 1.

Рис. 1. Отбор газа (кислорода) из газометра

Второй прибор, сходный с газометром, – аппарат Киппа (рис. 2). В этом приборе можно получать водород из цинка и соляной кислоты (см. рис. 2), сероводород из сернистого железа, углекислый газ из мрамора. В позиции а прибор находится в рабочем состоянии, кран открыт. Крепкий раствор соляной кислоты устремляется в нижнюю часть прибора, заполняет его и смачивает металлический цинк, лежащий на медной сетке. Цинк растворяется в кислоте, реагирует с ней, образующийся водород устремляется в среднюю сферу прибора, вытесняет воздух, смешиваясь с ним. Поэтому выходящий газ надо проверить на чистоту. Распределение физических сил в приборе показано на рис. 2 при помощи стрелок.

Рис. 2. Работа аппарата Киппа: а – начало работы; б – остановка

Закрываем кран. Водород продолжает образовываться, его количество увеличивается. Поскольку выход газу перекрыт, внутри сферы увеличивается давление. Оно и выдавливает кислоту из средней сферы до тех пор, пока кислота перестанет покрывать поверхность цинка. Химическая реакция прекращается (смоченный кислотой цинк продолжает некоторое время реагировать с ней). Внутреннее давление в приборе, создаваемое водородом, и давление, создаваемое гидравлическим затвором, уравновешиваются.

Рассмотрим методы собирания газов. На рис. 3 показано, как собирать газ методом вытеснения воздуха. Если газ токсичный, эта операция проводится в вытяжном шкафу. Газы, которые тяжелее воздуха, – СО₂, О₂, HCl, SO₂, поступая в банку или химический стакан, вытесняют воздух.

При изучении углекислого газа: его физических свойств и неспособности поддерживать горение органических веществ – демонстрируется занимательный опыт гашения горящей на воздухе парафиновой свечи (рис. 4). Углекислый газ, как более тяжелый, под действием силы тяжести опускается вниз. Он заполняет емкость и вытесняет воздух, который в ней содержится. Свеча в атмосфере углекислого газа гаснет.

Рис. 4. Переливание углекислого газа из сосуда в сосуд и гашение пламени свечи

Прибор, изображенный на рис. 5, учащиеся собирают на практической работе «Получение кислорода и изучение его свойств». Этот прибор иллюстрирует метод собирания газа путем вытеснения воздуха (физическое обоснование понятия «относительная плотность»).

Рис. 5. Получение и собирание кислорода

Другой способ собирания газов связан с вытеснением воды из сосуда. Таким путем можно собирать газы, мало растворяющиеся в воде, в частности оксид азота(II) (рис. 6). Газ из реактора 1 поступает в газоотводную трубку 2, подведенную под перевернутый вверх дном цилиндр 3. Проходя через толщу воды, газ собирается в зоне дна цилиндра. Под давлением газа вода выталкивается из цилиндра.

Если газ плохо растворяется в воде, то этим газом мож

Рис. 6. Получение оксида азота(II) и собирание его методом вытеснения воды

но насыщать воду, как показано на рис. 7. В таком приборе можно получать хлор (см. рис. 7) или сернистый газ, добавляя к кристаллам сульфита натрия концентрированную серную кислоту. Газ, получаемый в колбе Вюрца, поступает в газоотводную трубку, концом погруженную в воду. Частично газ растворяется в воде, частично заполняет пространство над водой, вытесняя воздух.

Рис. 7. Получение хлора и его поглощение водой

Если газ хорошо растворяется в воде, то его нельзя собирать методом вытеснения воды. На рис. 8 и 9 показано, как собирают хлороводород и аммиак методом вытеснения воздуха. На тех же рис. 8 и 9
(cм. c. 22) изображено растворение газов при погружении пробирок с HCl и NH₃ отверстием в воду.

Если насыщать хлороводородом из пробирки (с реагентами) с газоотводной трубкой, опущенной в воду (рис. 10), то первые порции газа мгновенно растворяются в воде. В 1 л воды растворяется около 500 л хлороводорода, следовательно, поступающий газ не создает избыточного давления. На рис. 10 отмечено последовательное изменение давления газа p_внутр в реакционной пробирке по отношению к атмосферному давлению p_атм. Давление внутри прибора становится меньше внешнего давления, и вода стремительно заполняет газоотводную трубку и сам прибор. Кроме того, что эксперимент испорчен, еще и пробирка может треснуть.

При изучении химических свойств металлического натрия (рис. 11) важно не только наблюдать его поведение в реакции с водой, но и объяснять наблюдаемые явления. Первое наблюдение – натрий остается на поверхности воды, следовательно, его плотность меньше единицы (плотность воды). Второе наблюдение – натрий «мечется» по воде по причине отталкивающего действия выделяющегося газа. Третье наблюдение – натрий плавится и превращается в шарик. Реакция взаимодействия натрия с водой – экзотермическая. Выделяющейся теплоты достаточно, чтобы расплавить натрий, следовательно, он – легкоплавкий металл. Четвертое наблюдение – реакция сопровождается вспышками, следовательно, теплоты реакции достаточно и для самовозгорания натрия, и для микровзрыва водорода. Если реакцию проводить в узком пространстве (в пробирке), да еще и с крупным кусочком натрия, то взрыва водорода не избежать. Чтобы не было взрыва, реакцию проводят в кристаллизаторе или в большом по диаметру химическом стакане и с использованием маленького кусочка натрия.

Необходимо уделить большое внимание правилу растворения концентрированной серной кислоты в воде (рис. 12). Кислота, как более тяжелая жидкость, устремляется на дно круглодонной колбы. Все остальное показано на рис. 12.

Рис. 12. Растворение серной кислоты в воде

Формированию физико-химического мышления способствует изучение кислорода (как в начальном курсе химии, так и в курсе органической химии). Речь идет об использовании кислорода и ацетилена при сварке и автогенной резке металла (рис. 13). При сварке высокотемпературное пламя горящего в кислороде ацетилена (до 2500 °С) направляется на металлический провод и свариваемое место. Металл плавится, получается шов. При автогенной резке пламя подплавляет металл, а избыток кислорода его выжигает.

Рис. 13. Сварка и резка металлов

Не в каждом кабинете химии имеется кремний как простое вещество. Проверим его на электропроводность при помощи простейшего прибора: щуп с упругими удлиненными железными концами, лампочка (смонтированная на подставке), и электропровод с вилкой (рис. 14). Лампочка светится, но не ярко – видно, что кремний проводит электрический ток, но оказывает ему значительное сопротивление.

Рис. 14. Исследование электропроводности кремния (простого вещества)

Химический элемент кремний – аналог углерода, но радиус его атомов больше, чем радиус атомов углерода. Кремний, как простое вещество, имеет такую же (как алмаз) кристаллическую решетку (атомную) с тетраэдрической направленностью химических связей. В алмазе ковалентные связи прочные, он не проводит электрический ток. В кремнии, как показывает даже грубый эксперимент, какая-то часть электронных пар распаривается, что обусловливает некоторую электропроводность вещества. Кроме того, кремний разогревается (у некоторых учащихся есть возможность в этом убедиться), что тоже свидетельствует о сопротивлении вещества электрическому току.

С большим интересом учащиеся наблюдают за исследованием физических и химических свойств бензола (рис. 15). К небольшому количеству воды приливаем слой бензола толщиной ~2 мм (см. рис. 15, а). Видно, что две бесцветные жидкости не смешиваются. Интенсивным встряхиванием перемешиваем эту расслоенную смесь, получаем «седую» эмульсию. Фиксируем пробирку в вертикальном положении. Учащиеся наблюдают постепенное расслоение бензола и воды, причем сначала прозрачным становится нижний уровень содержимого, и через непродолжительное время получаем исходное распределение. Молекулы воды легче молекул бензола, но ее плотность несколько больше. Взаимодействие между неполярными молекулами бензола и полярными молекулами воды незначительное, очень слабое, поэтому большая часть бензола выталкивается на поверхность воды (см. рис. 15, б).

Рис. 15. Исследование поведения двух несмешивающихся жидкостей: а – бензол, вода; б – бензол, бромная вода

Теперь приливаем бензол к нескольким миллилитрам бромной воды (небольшой интенсивности окрашивания) (см. рис. 15, б). Жидкости не смешиваются. Интенсивно перемешиваем содержимое пробирки и даем возможность системе отстояться. Бром, прежде растворенный в воде, экстрагируется в слой бензола, что видно по изменению окраски и увеличению ее интенсивности.

К содержимому пробирки прильем несколько миллилитров слабого раствора щелочи
(см. рис. 15, б). Бром вступает в реакцию со щелочью. Слой бензола обесцвечивается, а образовавшиеся неорганические вещества и вода переходят в нижний (водный) слой.

В данной статье мы ограничились примерами, которые иллюстрируют не просто связь преподавания химии с физикой, а компенсируют недостаток учебников, в которых названные физические явления, как правило, не находят отражения.

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