Материал: Разработка интерактивных компонентов для виртуальных лабораторных практикумов

2. Теоретическая часть

2.1 Задачи и содержание практикума по общей химии

Правильно поставленный эксперимент позволяет проследить закономерности химических процессов, исследовать влияние различных факторов на то или другое явление, запомнить свойства веществ, а также способствует выработке методологии химического мышления. В процессе лабораторных занятий по общей химии складываются навыки проведения химического эксперимента, организации рабочего места, сборки несложных приборов, соблюдения правил техники безопасности.

Практикум по общей химии является составной частью практикума по общей и неорганической химии и предназначен для лабораторных занятий по соответствующей дисциплине. Он составлен на основе многолетнего опыта работы кафедры общей и неорганической химии Московского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института имени Д. И. Менделеева (ныне РХТУ имени Д. И. Менделеева). Над разработкой практикума трудились А.Ф. Воробьев, С.И. Дракин, В.М. Лазарев, К.К. Власенко, А.К. Гончаров, А.И. Майер, В.П. Николаев, В.П. Погодин, К.К. Самплавская, Т.Н. Сергеева, Э.В. Скленская, В.Б. Соколов, С.Н. Соловьев, В.В. Щербаков [43].

Лабораторный практикум по общей химии должен научить студента самым первичным и общим элементам деятельности будущего химика. Прежде всего это аккуратность, так как одно необдуманное действие или даже движение может свести на нет результат многочасовой, а то и многодневной работы, и даже стать причиной несчастного случая. По этой причине в обязательном порядке проводится инструктаж по технике безопасности и для ряда работ вводятся дополнительные меры предосторожности.

Прежде, чем приступать к работе, студент обязан самостоятельно проработать соответствующий теоретический материал, а во время работы на лабораторном столе должны находиться только необходимые приборы, реактивы и лабораторный журнал. Необходимо соблюдать чистоту и порядок: уже ненужное - убирать, разлитое - вытирать. К опытам можно приступать, только получив ответы на все вопросы и устранив недопонимания. Необходимо бережно относиться к материалам, реактивам, газу, воде, электроэнергии, окружающей среде. Но при этом неизрасходованные реактивы нельзя возвращать туда, откуда они были взяты. Категорически нельзя проводить незапланированные опыты, а все наблюдения, полученные результаты и выводы необходимо записывать в лабораторный журнал.

С точки зрения психологии изучение химии вообще, а проведение лабораторных работ особенно, формирует ассоциативный тип мышления - очень редкий в настоящее время в научной среде. Аналитический способ мышления доказал свою высокую практическую результативность в прикладной науке и технике, но все великие ученые в совершенстве владели также ассоциативным видом мышления, что позволяло им производить совершенно новые идеи с использованием различных отраслей науки. Многое в реальной деятельности используют ассоциативный тип мышления на интуитивном уровне, но знание химии приводит к способности использовать этот метод мышления сознательно, что значительно сокращает время решения научной задачи.

Лабораторный комплекс по общей химии в описании состоит из 7 работ: взвешивание, приготовление растворов, титрование, перекристаллизация; определение молекулярной массы и эквивалента вещества; окислительно-восстановительные реакции, измерение энергии Гиббса в окислительно-восстановительных процессах; калориметрическое измерение энтальпий различных процессов; электролитическая диссоциация; гидролиз; комплексообразование.

При нагревании многих кристаллогидратов солей получаются не чистые безводные соли, а различные оксо- и гидроксосоли, гидроксиды или оксиды вследствие протекающего параллельно с удалением воды гидролиза. Может образоваться также смесь безводной соли и продуктов гидролиза. Качественный и количественный состав продукта, получаемого в результате термического разложения кристаллогидратов солей, зависит от ряда факторов. Процессы термического разложения кристаллогидратов имеют большое теоретическое и практическое значение.

Растворы являются многокомпонентными гомогенными системами, где одно вещество распределено в среде другого или других веществ. Чаще растворы бывают жидкими. Студенты должны уметь делать растворы заданной концентрации из более концентрированных и определять концентрацию титрованием.

Перекристаллизация - один из методов очистки вещества. При повышенной температуре получают раствор, близкий к насыщенному, затем его охлаждают. Полученные кристаллы содержат меньше примесей.

Один из широко применяемых методов определения молекулярных масс газообразных веществ основан на использовании законов идеальных газов. Студенты определяют среднюю молекулярную массу и состав газовой смеси.

Эквивалентом называется число граммов элемента, способное соединяться с 8 г кислорода или с 1,008 г водорода или замещать эти количества в соединениях. Зная эквиваленты, можно рассчитать, какое количество одного элемента вступит в реакцию с определенным количеством другого элемента. Экспериментально эквиваленты элементов определяются через состав их водородных или кислородных соединений.

Окислительно-восстановительными реакциями называются реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления элементов вследствие смещения или полного перехода электронов от одних атомов или ионов к другим. Количественной характеристикой окислительно-восстановительной способности веществ служат электродные потенциалы. Абсолютные значения этих потенциалов определить нельзя, поэтому находят их по отношению к какому-то электроду сравнения, например, нормальному водородному электроду, который принимают равным нулю. Зная значения электродных потенциалов, можно вычислить э.д.с. элемента и изменение энергии Гиббса.

Тепловые эффекты химических реакций (изменение энтальпии), а также термодинамические состояния каждого их исходных веществ и продуктов реакции принято указывать в термохимических уравнениях. Согласно основному закону термохимии (Гесса) изменение энтальпии определяется только видом и состоянием исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути перехода от начальных веществ к конечным. Это дает возможность оперировать с термохимическими уравнениями как с алгебраическими. Тепловые эффекты измеряют в калориметрах.

Электролитической диссоциацией называется распад молекул в растворе на ионы, вызванный взаимодействием растворенных веществ с растворителем. Количественно процесс электролитической диссоциации характеризуется степенью и константой диссоциации. Студенты изучают электропроводность растворов электролитов, растворимость малорастворимых соединений по электропроводности раствора.

При растворении некоторых соединений в воде, наряду с процессами электролитической диссоциации, протекает обменная реакция между молекулами воды и растворенного вещества, то есть гидролиз. При изучении гидролиза важную роль играет определение pH растворов. Студенты изучают влияние природы соли, концентрации раствора и температуры на гидролиз и определяют термодинамические характеристики процесса.

В структуре комплексных соединений различают комплексообразователь и лиганды. При электролитической диссоциации лиганды практически полностью отщепляются, а изменения в комплексообразователе незначительные. Студенты занимаются получением комплексных соединений и изучением их свойств.

Основной целью всех лабораторных работ является приобретение навыков самостоятельного проведения химического эксперимента, выполнения расчетов по уравнениям и написания уравнений химических реакций.

2.2 Состав виртуального лабораторного практикума по общей химии

В виртуальном лабораторном комплексе лабораторные работы разбиваются на 6 блоков. Рассмотрим их подробнее.

Блок 1. Определение состава кристаллогидрата

Некоторые кристаллогидраты солей имеют свойство при нагревании терять воду и превращаться в безводные соли. Например,

CaSO₄ H₂O  CaSO₄ + 2Н₂0

Зная массу взятого кристаллогидрата и полученной из него безводной соли, можно найти содержание воды в кристаллогидрате и установить его формулу. Обезвоживание кристаллогидрата проводят при температуре, несколько превышающей температуру его разложения. Температура разложения t_разл - это та температура, при которой давление пара Н₂0 над кристаллогидратом равно атмосферному (101,3 кПа). Чтобы убедиться в полноте обезвоживания соли, прокаливание проводят до тех пор, пока результаты двух последних взвешиваний соли не будут равны (с точностью до 0,01 г).

Многие кристаллогидраты при нагревании не только теряют воду, но и разлагаются в результате протекания гидролиза и иных химических реакций. Например,

4Al(NO₃)₃ Н₂O  2Аl₂O₃ + 12NO₂  + 3O₂  + 36Н₂O

Для таких кристаллогидратов нельзя определить содержание кристаллизационной воды по потере массы при нагревании.

Целью работы является определение содержания воды в кристаллогидрате и установление его формулы.

Блок 2. Приготовление раствора заданной концентрации

Например, необходимо разными способами приготовить 175 мл 5,6 % раствора NaCl.

Раствор - это многокомпонентная гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Растворитель - это компонент раствора, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Если раствор образован смешением газа с газом, жидкости с жидкостью, твердого вещества с твердым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.

Концентрация раствора - это величина, характеризующая количественный состав раствора. Концентрацией растворенного вещества называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора (моль/л, г/л).

Способы выражения концентрации:

Процентное содержание (ω, %_масс) - число массовых частей растворенного вещества в 100 массовых частях раствора.

Титр (Т) - число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Молярность (С_м) - число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Нормальность (С_н) - число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора.

Моляльность (m) - число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Мольная доля (х_i) - отношение числа молей i-ro компонента раствора к общему числу молей n веществ в растворе.

Мольное отношение - отношение числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя.

Определение концентрации раствора:

Концентрацию раствора можно определить по его плотности, которую измеряют при помощи ареометра.

Ареометр - это прибор для измерения плотности жидкостей, представляющий собой стеклянную трубку, нижняя часть которой заполнена дробью или ртутью для достижения необходимой массы; в верхней части находится шкала, проградуированная в единицах плотности.

Ареометр опускают в раствор; плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость.

Концентрацию исследуемого раствора находят, пользуясь табличными данными о плотности в зависимости от концентрации раствора. Если в таблице нет значения плотности, точно соответствующего показанию ареометра, концентрацию находят интерполяцией.

Для того, чтобы рассчитать, какое количество исходного раствора необходимо ваять для приготовления указанного объема заданного раствора, нужно найти следующие данные:

)        плотность раствора заданной концентрации;

)        массу заданного раствора;

)        массу сухого вещества, содержащегося в заданном растворе;

4)      массу исходного раствора, содержащего данное количество сухого вещества;

)        объем исходного раствора;

)        массу воды, которую нужно добавить к исходному раствору (она равна разности масс исходного и заданного растворов).

Блок 3. Изучение окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют реакции, в результате протекания которых происходит изменение степени окисления элементов вследствие смещения или полного перехода электронов от одних атомов или ионов к другим.

Степень окисления соответствует заряду иона или формальному заряду атома в молекуле или в формульной единице.

Окисление - процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление - процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Окисление и восстановление - взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно.

Окислители - атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны.

Восстановители - атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны.

Типичные окислители: атомы и молекулы некоторых неметаллов (галогены и кислород); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы элементов в высшей или одной из наиболее высоких степеней окисления (например, Mn⁺⁷О₄^-, S⁺⁶O₄^2-).

Типичные восстановители: почти все металлы и некоторые неметаллы (С, Н₂) в свободном состоянии; отрицательно заряженные ионы неметаллов (I^-, S^2-,P^3-); катионы, степень окисления которых может возрасти (Fe²⁺. Сu⁺); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы в промежуточной степени окисления (S⁺²О₃^2-, N⁺³О₂^2-).

Характер многих окислительно-восстановительных реакций зависит от среды, в которой они протекают. Для создания кислой среды чаще всего используют разбавленную серную кислоту; для создания щелочной среды чаще всего используют растворы КОН и NaOH; для создания нейтральной среды используют дистиллированную воду.

Для составления уравнений ОВР надо знать, от каких атомов, молекул или ионов и к каким атомам, молекулам или ионам переходят электроны и в каком количестве.

Цель работы: составить уравнения ОВР; расставить в них стехиометрические коэффициенты; провести ОВР с участием различных веществ.

Блок 4. Комплексные соединения

Комплексные (или координационные) соединения - это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному атому (или иону), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами.

В структуре комплексных соединений различают координационную (внутреннюю) сферу, состоящую из комплексообразователя (иона или атома) и окружающих его лигандов (молекулы или ионы противоположного знака), и внешнюю сферу (ионы, находящиеся за пределами внутренней сферы). В формулах комплексных соединений координационную сферу заключают в квадратные скобки (например, [Cu(NH₃)₄]SО₄, K₂[Zn(OH)₄]).