Реакции в растворах электролитов

Один из способов повышения интереса к изучаемому предмету – создание различных игровых ситуаций. Обычно дидактические игры используются при изучении или обобщении материала. Но, оказывается, их можно успешно применять и на уроках контроля, оценки и коррекции знаний. Игра дает возможность повторить и закрепить изученный материал. Одновременно удается исправить ошибочные представления, оценить знания учащихся по данной теме, активизировать их мыслительную деятельность, показать взаимосвязь химии с другими предметами общеобразовательного цикла.

Знакомство учащихся с подобной формой занятий нужно провести заранее. Это помогает им более осмысленно отнестись к изучению материала, создает мощный стимул для работы с дополнительной литературой.

Используемый учебник: И.И.Новошинский, Н.С.Новошинская «Химия. 9 класс». Время – 90 мин. Форма урока – игра-путешествие.

Цели. Проверить знания учащихся по электролитической диссоциации; отработать умения использовать знания практически.

Оборудование и реактивы. Пробирки, спиртовка, спички, воронки, фильтр, химические стаканы; карта «Химическая лагуна», таблица растворимости; растворы кислот, оснований и солей.

Девиз урока. «Настоящий ученик учится открывать неизвестное с помощью известного и тем самым приближается к учителю» (В.Гёте).

ХОД УРОКА

Учитель. Любой человек, независимо от возраста, любит читать про тайны и путешествия. Вот и я приглашаю вас заглянуть в тайну Химической лагуны. После долгого путешествия мы попали в Химическую лагуну, где нас встретила одна из жительниц Лагуны – вода. Выслушаем ее рассказ.

Вода. Мы, жители Лагуны, когда-то могли общаться друг с другом, и наша жизнь была интересна химическими превращениями. Однажды нас посетил злой волшебник. Из-за его колдовства мы перестали двигаться и ходить в гости друг к другу. Нам можно помочь, но для этого необходимо выполнить пять желаний злого волшебника. Помогите нам.

Учитель. Поможем жителям Лагуны! Разделимся на 5 команд: А, Б, В, Г и Д. Выберем капитанов команд – мозговые центры и выслушаем задания.

Вода. Перед вами карта Лагуны. Вы видите, у нас пять деревушек: Электролитная, Диссоционная, Кислотная, Осно?вная и Солевая. Расколдовывать их будут ваши знания, которые проявятся при выполнении теоретической и практической части занятия по теме «Электролитическая диссоциация».

Учитель. Все команды должны быть подготовлены к выполнению практического задания. Сначала выполняется теоретическая часть, затем – практическая часть.

Теоретическая часть

В о п р о с 1. Какие вещества называют электролитами?

Команда А. Многие химические реакции протекают в водной среде. Например, в каждом живом организме бесконечно течет по сосудам – артериям, венам и капиллярам – волшебный раствор – кровь. Массовая доля солей в этом растворе такая же, как в первичном океане – 0,9%. Сложные физико-химические процессы, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Усвоение пищи связано с переводом питательных веществ в раствор. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например, получение соды, удобрений, кислот, металлов, бумаги, протекают в растворах. Изучение свойств растворов занимает очень важное место в современной науке.

Из уроков физики мы знаем, что растворы одних веществ способны проводить электрический ток, а других – нет. Чтобы опытным путем проверить эту способность у растворов различных веществ, воспользуемся установкой (рис. 1).

Рис. 1. Установка для определения электрической проводимости веществ

Если раствор, налитый в стакан, проводит электрический ток, то лампочка загорится. Чем выше эта способность, тем ярче горит лампочка. Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот. Вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток, называются электролитами. Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не проводят электрический ток. Такие вещества называются неэлектролитами.

В о п р о с  2. Почему растворы электролитов проводят электрический ток?

Команда Б. Шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, в 1877 г. пришел к выводу, что причиной электропроводности является наличие в растворах ионов, которые образуются при растворении электролита в воде. Процесс распада электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.

Молекулы воды представляют собой диполи (два полюса), т.к. атомы водорода расположены под углом 104,5°, благодаря чему молекула имеет угловую форму (рис. 2).

Рис. 2. Изображение молекулы воды

Как правило, легче всего диссоциируют вещества с ионной связью и соответственно ионной кристаллической решеткой, т.к. они уже состоят из готовых ионов. При их растворении диполи воды ориентируются противоположно заряженными концами вокруг положительных и отрицательных ионов электролита. Между ионами электролита и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате связь между ионами ослабевает, и происходит переход ионов из кристалла в раствор (рис. 3).

Рис. 3. Диссоциация веществ с ионной связью

Очевидно, что последовательность процессов, происходящих при диссоциации веществ с ионной связью (солей, щелочей), будет таковой: а) ориентация молекул – диполей воды около ионов кристалла; б) гидратация (взаимодействие молекул воды с ионами поверхностного слоя кристалла); в) диссоциация (распад) кристалла электролита на гидратированные ионы. Упрощенно происходящие процессы можно выразить с помощью уравнения:

NaCl = Na⁺ + Cl^–.

Аналогично диссоциируют и электролиты, в молекулах которых ковалентная полярная связь (например, молекулы хлороводорода НСl), только в этом случае под влиянием диполей воды происходит превращение ковалентной полярной связи в ионную и последовательность процессов, происходящих при этом, будет такая:

г) диссоциация (распад) молекул электролита на гидратированные ионы (рис. 4).

Рис. 4. Диссоциация веществ с ковалентной полярной связью

Упрощенное уравнение диссоциации соляной кислоты можно выразить с помощью уравнения:

HCl + Н₂O = Н₃О⁺ + Сl^– + Q.

Молекула воды, к которой присоединился протон (Н⁺), превратилась в ион оксония. Распад молекул в растворе, сопровождающийся появлением подвижных ионов, называется электролитической диссоциацией. «Электролитической» – понятно, потому что образуется электролит. Слово «диссоциация» обозначает распад на составные части. Следует учитывать, что в растворах электролитов хаотически движущиеся гидратированные ионы могут столкнуться и вновь объединиться между собой. Этот обратный процесс называется ассоциацией. Также необходимо учитывать свойства гидратированных ионов. Негидратированный Cu²⁺ – белый в безводных кристаллах CuSO₄ и голубой, если он гидратирован.

Электролиты проводят электрический ток не только при растворении в Н₂O, но и в расплавленном виде, т. к. при плавлении кристалла его кристаллическая решетка разрушается и образуется жидкость, состоящая из подвижных ионов. Расплавленный едкий натр – электролит.

В о п р о с  3. Какие процессы протекают при растворении кислот?

Команда B. Запишем уравнения реакций, которые происходят при растворении кислот:

HCl + H₂O = Н₃О⁺ + Сl^– + Q₁,

H₂SO₄ + H₂O = 2Н₃О⁺ + + Q₂,

HNO₃ + H₂O = H₃O⁺ + + Q

и т.д.

Общим для всех кислот при их взаимодействии с H₂O является образование иона оксония (Н₃О⁺), поэтому кислотой называется вещество, которое при взаимодействии с Н₂О образует ионы оксония (Н₃O⁺) или, упрощенно, ионы водорода (H⁺). При этом возможна полная, необратимая диссоциация, когда в растворе молекул нет; в таком случае кислота называется сильной (азотная, серная, соляная). Другие кислоты (угольная, фосфорная, уксусная) – слабые, и в уравнении электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости.

Например:

Кроме того, они диссоциируют ступенчато:

Итак, все кислоты объединяет то, что они при диссоциации обязательно образуют ионы водорода (Н⁺), поэтому общие характерные химические свойства кислот – кислый вкус, изменение окраски индикаторов, реакции с основаниями, с основными оксидами – обусловлены именно катионами водорода:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂,

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂;

CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O,

CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O;

NaOH + HCl = NaCl + H₂O,

H⁺ + OH^– = H₂O.

При написании уравнений реакций, характеризующих свойства электролита, надо помнить, что реакции в растворах электролитов идут до конца, если в результате образуется осадок, газ или малодиссоциирующие вещества.

В о п р о с  4. Что такое основание с точки зрения электролитической диссоциации?

Команда Г. Основанием называется вещество, которое при взаимодействии с H₂O образует гидроксид-ионы (OH^–). Сильные основания (гидроксиды металлов Ia и IIa групп) диссоциируют следующим образом:

NaOH = Na⁺ + OH^– + Q;

Са(ОН)₂ = Ca²⁺ + 2OH^– + Q.

Слабые основания:

Сu(ОН)₂ CuOH⁺ + OH^– (1-я ступень),

СuОН⁺ Cu²⁺ + OH^– (2-я ступень);

NН₃ + H₂O + OH^–.

Общие свойства щелочей – мылкость на ощупь, изменение окраски индикаторов и другие свойства – обусловлены гидроксид-ионами (ОН^–):

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O,

2OH^– + CO₂ = + H₂O;

2NaOH + FeCl₂ = Fe(OH)₂ + 2NaCl,

Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂ .

И здесь, как и во всех реакциях, происходящих в растворах электролитов, необходимым условием протекания реакции является удаление хотя бы некоторых ионов из раствора.

В о п р о с  5. Что происходит с солями в растворах?

Команда Д. При растворении в H₂O (или расплавлении) соли диссоциируют с образованием ионов:

NaCl = Na⁺ + Cl^–, NH₄Cl = + Cl^–,

и т.д.

Эти ионы определяют поведение солей в растворах. Соли могут взаимодействовать с кислотами:

с щелочами:

Na₂СO₃ + Ba(ОН)₂ = ВаСО₃ + 2NaOH,

Ba²⁺ + = BaCO₃;

c другими солями:

NaCl + AgNO₃ = AgСl + NaNO₃,

Ag⁺ + Cl^– = AgCl.

Во всех случаях реакции между ионами идут в сторону образования малодиссоциированных или трудно растворимых веществ.

Практическая часть

Задание 1. Опытным путем определите, в какой из выданных вам пробирок содержится:

а) р-р HCl;

б) р-р NaOH;

в) дистиллированная H₂O.

Решение. Используются индикаторы (табл. 1).

Таблица 1

Окраска индикаторов в различных средах

Задание 2. В одной пробирке находится Mg(ОН)₂, а в другой – Zn(ОН)₂. Определите, в какой пробирке находится каждое из этих веществ.

Решение. В обе пробирки прилить щелочь. Реакция будет только с Zn(ОН)₂:

Задание 3. Вам выдан оксид меди(II) CuO. С помощью химических реакций определите, кислотный он или основный.

Решение. CuO – порошок черного цвета, нерастворим в Н₂О. Взаимодействует с соляной кислотой:

CuO + 2HCl = CuCl₂ + Н₂О,

CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + Н₂О,

т.е. он основный оксид.

Задание 4. В шести пробирках находится р-р CuSO₄. В каждую из пробирок последовательно прилейте следующие растворы:

а) Na₂S;  б) KNO₃; 

в) NaOH;  г) ВаCl₂;

д) HCl; е) H₂S.

Составьте уравнения реакций, протекающих до конца, в молекулярном и ионно-молекулярном видах.

Решение. Наблюдаемые в пробирках реакции (табл. 2):

Таблица 2

Растворы	Na2S	KNO3	NaOH	BaCl2	HCl	H2S
CuSO4	CuS (черный)	–	Cu(OH)2 (синий)	BaSO4 (белый)	–	CuS (черный)

Примеры уравнений реакций:

CuSO₄ + 2NaОН = Cu(ОН)₂ + Na₂SO₄,

Cu²⁺ + 2OH^– = Cu(ОН)₂;

CuSO₄ + Н₂S = CuS + Н₂SО₄ ,

Cu²⁺ + H₂S = CuS + 2H⁺

и т.д.

Задание 5. Осуществите практически следующие превращения:

а) Cu CuO CuCl₂ Cu(OH)₂ CuO;

б)

в) C CO₂ CaCO₃ CaCl₂.

Решение.

а) 2Cu + O₂ CuO;

CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O,

CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O;

CuCl₂ + 2NaOH = Cu(OH)₂ + 2NaCl,

Cu²⁺ + 2OH^– = Cu(OH)₂;

Cu(OH)₂ CuO + H₂O

и т.д.

Задание 6. Осуществите реакции, схемы которых приведены:

а) Ва²⁺ + = BaSO₄;

б) H⁺ + ОН^– = Н₂O;

в) + 2Н⁺ = СО₂ + H₂О.

Решение.

и т.д.

Задание 7. Вам выдана смесь цинковых и медных опилок. Выделите из этой смеси медные опилки химическим способом.

Решение. На смесь действуем соляной кислотой (р-р):

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂,

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂.

Медь с соляной кислотой не реагирует.

Каждая команда записывает свои задания в тетрадь по схеме: что делали; что наблюдали; результаты наблюдений; вывод.

Рефлексия. Оценка

Учитель и лаборант записывают результаты команд в листок учета знаний по форме:

Практическая часть

Оценивается каждое задание и выводится общий балл.

За ответы даются жетоны: – 3 балла;  – 4 балла; – 5 баллов.

Результаты команд и их членов объявляются на следующем уроке.

Домашнее задание

Учитель. Напомню, что все путешественники ведут дневники о своих приключениях. Предлагаю вам придумать сказку, загадку, стихотворение или кроссворд по теме «Электролитическая диссоциация».

О.С.КОНДАУРОВА,
учитель химии школы № 5
(г. Тихорецк, Краснодарский край)