О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5/2009

§ 3. ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Цель. Познакомить учащихся со строением кристаллогидратов, с каталитическими свойствами воды, отметить их практическое значение.

Форма занятия. Рассказ, индивидуальная, групповая работа, демонстрационный эксперимент, домашний эксперимент.

Оборудование и реактивы. Пробирки, спиртовка; образцы кристаллогидратов (сульфата меди(II), алюмокалиевых квасцов, хлорида кобальта(II)), порошки алюминия, магния, цинка, кристаллический йод.

План занятия

• Кристаллогидраты.
• Вода – катализатор.
• Химический эксперимент и анализ его результатов.

Кристаллогидраты

Учитель. Многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих так называемую кристаллизационную воду, причем на каждую формульную единицу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Предположение о существовании водных гидратов высказал Д.И.Менделеев в 1887 г. в разработанной им гидратной (химической) теории растворов.

Гидраты – это, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Однако некоторые из них настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав кристаллов (схема 1).

Схема 1

Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета?

При растворении в воде сульфата меди(II) происходит его диссоциация на ионы. Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды. При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди(II) – СuSO₄•5Н₂О (схема 2).

Схема 2

 

Демонстрационный эксперимент
«Образование кристаллогидратов»

После объяснения теоретического материала учителем его ассистент – ученик у демонстрационного стола подтверждает сказанное несложным экспериментом по растворению безводного сульфата меди(II) и выпариванием раствора. Прокаленный сульфат меди(II) лаборанту следует заранее приготовить и поместить в герметичную склянку.

Очень эффектно выглядят кристаллы медного купороса, выращенные на шелковой нитке. К ней привязывается маленький кристаллик – затравка, далее нить помещается на 2–3 недели в пересыщенный раствор медного купороса. Если взять шерстяную нитку, то появится целое ожерелье кристаллов, но их форма будет далека от идеальной, т.к. каждый волосок нити послужит центром кристаллизации.

Опыт по выращиванию кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов поручается школьникам за две недели до занятия. Они оформляют коллекцию полученных кристаллов и демонстрируют ее в классе.

Учитель. Эти красивые вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Она может испаряться при нагревании или при длительном солнечном освещении. По этой причине выращенные кристаллогидраты следует покрыть бесцветным лаком, например маникюрным или мебельным. Хороший эффект достигается при распылении лака для волос из баллончика.

Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат на одну формульную единицу соли. Например:

СuSO₄ • 5Н₂О – медный купорос;

FeSO₄ • 7H₂O – железный купорос;

Na₂SO₄ • 10H₂O – глауберова соль (мирабилит);

Na₂CO₃ • 10H₂O – кристаллическая сода;

MgSO₄ • 7H₂O – горькая (английская) соль.

Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Так, прозрачные кристаллы соды (Na₂CO₃ • 10H₂O) легко выветриваются, теряя кристаллизационную воду при обычной температуре. Они становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.

Ученикам несложно подсчитать, сколько денег будет затрачено на покупку воды, которая входит в состав одной упаковки кристаллической соды. (Массовая доля воды в кристаллической соде более 60 %.)

Демонстрационный эксперимент
«Обнаружение кристаллизационной воды»

Некоторые прокаленные соли, присоединяя воду, изменяют цвет, а при выпаривании избытка воды образуют окрашенные кристаллогидраты. Такие соли используются в химии как своеобразные индикаторы на присутствие паров воды в газовых смесях, например в воздухе.

Внесите в сухую термостойкую пробирку на кончике лопаточки кристаллогидрат хлорида кобальта(II), закрепите ее в лапке штатива и нагревайте в пламени спиртовки, наблюдая за изменением цвета кристаллов. Затем охладите пробирку – оставьте ее в открытом виде на столе, через некоторое время цвет кристаллов станет прежним.

Ученики записывают в тетради соответствующие уравнения реакций, учитывая, что конечный продукт является тетрагидратом.

Вода – катализатор

Учитель. В настоящее время накоплено очень много экспериментальных фактов, доказывающих, что вода достаточно активно влияет на физические свойства многих веществ. Выступая в роли катализатора, она увеличивает скорость ряда химических реакций. Природные химические превращения, как правило, осуществляются в присутствии некоторого количества воды, которая есть в атмосфере.

Исследования показали, что даже тщательно высушенные вещества содержат ничтожно малое количество влаги, которое может существенно отразиться на их свойствах. Получение абсолютно сухих веществ является непростой задачей. Специальными опытами было установлено, что после высушивания брома в течение 9 лет температура его кипения оказалась на 59 °С выше той, которая указана в справочниках, а температура кипения ртути, высушенной в тех же условиях, повысилась почти на 100 °С. Установлено также, что после длительного высушивания реагентов: гремучий газ не взрывается при высокой температуре, оксид углерода(II) не горит в кислороде, безводная серная кислота не взаимодействует со щелочными металлами, а последние, в свою очередь, не реагируют с хлором.

В хорошо высушенном кислороде натрий и калий не горят, а уголь, сера и фосфор начинают воспламеняться при более высокой температуре по сравнению с их горением в неосушенном воздухе. Данные факты указывают на то, что влага, содержащаяся в воздухе, играет роль катализатора.

Демонстрационный эксперимент
«Взаимодействие алюминия с йодом, катализируемое водой»

Смешать 0,2 г алюминиевой пудры с 2 г йода, измельченного в ступке до порошкообразного состояния. На дно стеклянной банки емкостью 0,5 л высыпается смесь в виде небольшой горки, в ее вершине нужно сделать углубление, используя обычную пробирку. Банку следует закрыть полиэтиленовой крышкой с отверстием, в которое вставляется пипетка с водой.

Для проведения опыта выдавите несколько капель воды из пипетки и наблюдайте энергичную реакцию йода с алюминием. Поскольку она идет с выделением тепла, часть йода в виде красивых красно-фиолетовых паров испаряется, что хорошо видно на фоне белого экрана.

П р и м е ч а н и е. Вместо алюминия можно использовать порошок магния (0,3 г магния и 2,5 г йода) или цинка (0,6 г цинковой пыли и 2,5 г йода). Следует также учесть, что если порошковый алюминий и цинк хранились достаточно долго, на их крупинках образовалась гидроксидная пленка и опыт может не получиться. В этом случае рекомендуется заново растереть данные порошки в ступке.

Печатается с продолжением