УГЛЕРОД и КРЕМНИЙ. Часть 1

    Простой в исполнении и важный опыт. Так работают практически все фильтры для воды и воздуха. В домашних воздухоочистителях и картриджах фильтров для воды главный компонент – активированный уголь. С такой же целью его используют и в медицинских целях при отравлениях. Необходимо пояснить, что так можно извлечь растворённые в воде вещества молекулярного строения. Поэтому выбран лакмус в качестве красителя. А растворимые в воде соли, т.е. вещества ионного строения, так извлечь нельзя. Для этого используют иониты.

   Наглядно показать адсорбцию газов можно только, используя окрашенные газы. А это – или хлор, или бурый газ.  Оба газа ядовиты. Это надо помнить при демонстрации этого опыта. Можно вспомнить про изобретение противогаза. Первый эффективный армейский противогаз разработал в 1915 году выдающийся русский химик Николай Дмитриевич Зелинский. Именно он впервые в мире предложил использовать в качестве защиты от отравляющих газов активированный берёзовый или липовый древесный уголь. Простота и надёжность его изобретения оказались столь поразительными, что уже к концу 1916 года все воюющие страны взяли на вооружение русский противогаз Зелинского. Однако позже выяснилось, что не все газы способны адсорбироваться. Например, угарный газ, имеющий очень низкую точку кипения, не адсорбируется активированным углём. Равно как и другие низкокипящие газообразные вещества.

Надо понимать, что адсорбционная способность угля высока, но имеет ограничение по времени. «Старые» противогазы могут не работать, в них надо заменять  адсорбент.

   Очень важный опыт. Восстановительную способность угля, как, впрочем, и водорода, показывают на примере оксида меди главным образом потому, что ярким является признак реакции – металлическая медь красного цвета. Важно понимать, что без водяного затвора (в опыте эту роль играет раствор известковой воды) признака реакции можно не дождаться. Так как получающаяся мель будет окисляться кислородом воздуха до оксида, ведь она же горячая. Уместно повторить два эти опыта восстановления металлов из оксидов водородом и углём в 11 классе, перед экзаменами.

   Показан лабораторный способ получения угарного газа. Следует обратить внимание на способ собирания угарного газа – вытеснением воды, ибо он не растворим в воде из-за своей не полярности. Можно напомнить, что собрать его вытеснением воздуха практически невозможно, так как его плотность, да и он сам по физическим свойствам такой же, как молекулярный азот, что и понятно, исходя из строения. Угарный газ не адсорбируется углём из-за низкой точки кипения (-191,5ºС). Спасти (защитить) от угарного газа может только противогаз с так называемым гопкалитовым патроном, содержащим диоксид марганца. Последний окисляет угарный газ (MnO2 + CO= MnCO3). В опыте хорошо видна горючесть угарного газа, его голубое пламя. Следует отметить главное химическое свойство угарного газа – способность к окислению, активное его участие в восстановлении металлов из оксидов. Опыт непременно надо показать в темах: «Углерод», «Свойства муравьиной кислоты», «Свойства щавелевой кислоты». (Щавелевая кислота декарбоксилируется до муравьиной. Эти реакции встречаются в ЕГЭ.)

   Даже если данная работа будет проводиться школьниками как практическая, уместно показать это видео, как классический вариант получения и обнаружения углекислого газа. Показан в действии аппарат Киппа, заряженный на углекислый газ. Полезно напомнить школьникам, что толстостенный  аппарат Киппа можно использовать для проведения гетерогенных реакций, идущих при обычных условиях, без нагревания. Показаны промывалки, используемые для очистки углекислого газа от примесей. Это делается в тех случаях, когда важно, чтобы углекислый газ не содержал примесей других газов или паров. Например, если получают углекислый газ для определения молекулярной массы диоксида углерода. Очевидно, что примеси хлороводорода и паров воды, имеющих более низкое значение молекулярной массы по сравнению с углекислым газом, могут сильно изменить результат в сторону его снижения. Будет правильным обратить внимание учеников на тот факт, что помутнение известковой воды происходит довольно быстро по времени в отличие от другой реакции, растворения карбоната кальция в избытке углекислого газа. 

   Опыт можно показать также и при изучении реакций обмена, при изучении получения кислых солей, при изучении свойств солей. (Нерастворимые в воде соли реагируют только с кислотами!)

   Аппарат Кирюшкина – это уменьшенный в размерах и максимально упрощённый аппарат Киппа. Он сохраняет способность регулировать протекание гетерогенной реакции: при перекрывании газоотводного резинового шланга выделяющийся газ вытесняет кислоту с поверхности мрамора, и реакция останавливается. Если открыть выход для газа, реакция возобновится. Важно показать, почему для опыта выбраны именно эти вещества. Почему именно мрамор, а не пищевая сода, мел или известняк? Известно, что ВСЕ карбонаты реагируют с сильной кислотой с образованием диоксида углерода. Тем не менее, удобнее всего пользоваться именно мрамором, который более структурирован и однороден, чем порошок соды или мела, и можно контролировать скорость реакции, которая идёт именно на поверхности мрамора. Более того, мрамор гораздо чище, чем мел. При использовании мела имеющийся в нём нерастворимый в воде тальк будет существенно мешать протеканию реакции, сильно тормозить. Не говоря уже об эстетике. И кислота берется соляная не просто так. Серная кислота дешевле и доступнее, но она даёт с ионами кальция плохо растворимый в воде сульфат, тормозящий процесс.

   Далее. Говорят, что соляная кислота разбавленная. 1:1. На самом деле, она достаточно крепкая. Если учесть, что самая концентрированная соляная кислота – это 32-34%, значит, 1:1 – это 15-17%-ная кислота, или почти 5М!! (Грубо: 17 г – 0,5 моль в 100 г раствора, значит, в 1 л  будет примерно 5 моль). Важно, чтобы школьники понимали эти тонкости, они спрашиваются.

  Этот опыт важен не только потому, что несёт конкретную информацию про свойства углекислого газа, его точку кристаллизации. Он важен, как демонстрация вещества молекулярного строения, т.е. имеющего молекулярную кристаллическую решётку, и при этом эти молекулы неполярны, хотя образованы ковалентными полярными связями. Хорошо видно, что углекислый газ более плотный по сравнению с воздухом.  Опыт уместно показать при изучении типов кристаллических решёток (параллельно с демонстрацией растворимости аммиака и хлороводорода в воде), типов химических связей, типов гибридизации атома углерода. Опыт элегантен и  эстетичен. Сухой лёд – не рядовой реактив в лаборатории.

    Чрезвычайно простой и эффектный опыт. Но так получается, только если колба «хорошо» заполнена углекислым газом, я использовала сухой лёд. Обращаю внимание, что и в этом случае второй стакан сознательно взяла чуть меньшего объёма, ибо газ, даже такой плотный как углекислый, всё-таки рассеивается. Хотя известно, что лучинка уже гаснет, если в воздухе углекислого газа около 12-15 %. При такой же концентрации СО₂ в воздухе человек тоже очень плохо себя чувствует (вплоть до обморока). Об этом надо помнить располагаясь спать в туристической палатке (положение головы должно быть выше, чем ног), а также находясь в подвалах, погребах, пещерах…

    Пожалуй, переливание газа можно наглядно показать только на этом примере. Хорошо переливается и водород (из-за большой разницы в значениях молекулярных масс с воздухом), но он ОЧЕНЬ легко рассеивается и может не загореться.

    В связи с изложенным в предыдущем опыте очевидно, что у свечи нет никаких шансов. Полезно напомнить здесь про устройство и применение огнетушителей.

   Важно подчеркнуть, что кислые соли, как правило, хорошо растворимы в воде. Во всяком случае, лучше растворимы, чем средние. Опыт также показывает высокую термическую неустойчивость кислых солей угольной кислоты, по сравнению со средними солями. Более того, он иллюстрирует появление накипи при кипячении природной (не дистиллированной) воды, а значит, и способ умягчения воды. Можно обсудить, как освободить чайник от накипи, если известен её состав. «Старая» накипь растворяется не быстро в соляной кислоте, а свежая в лимонной кислоте. Уксусная тоже подходит – растворит накипь, но останется ее характерный запах.

   Кроме как способ борьбы с жёсткостью воды, будет уместно обсудить свойство кислых солей, а именно их способность реагировать со щелочами. Опыт полезно показать и при изучении реакций ионного обмена. Например, показать опыт и попросить записать уравнение реакции в ионном виде.

   Этот опыт – редкая удача экспериментатора! Всё сложилось: хорошая концентрация углекислого газа (потому что было  много сухого льда); кусок магния, как оказалось, правильной массы и формы (не порошок, и не стружка). Важно обратить внимание на то, что магний горит в углекислом газе даже ярче, чем на воздухе. Большая удача этого опыта – наглядность признаков реакции. Хорошо виден и белый оксид магния, и чёрный уголь. Конечно, этот опыт следует показать и в теме «Углерод», и в теме «Магний», как особое свойство магния, и как особое свойство углекислого газа. Можно дополнить, что горящий магний можно тушить только землёй, песком. Потому что и в воде, и в углекислом газе он горит лучше, чем на воздухе.

 Такой вариант исполнения опыта иллюстрирует свойство гидроксида натрия поглощать углекислый газ, или свойство углекислого газа поглощаться щёлочью. Видно, что реакция проходит легко, но не мгновенно. Если опыт делать «вживую», надо его поставить в начале урока, тогда к концу можно увидеть признаки реакции.

   Опыт показывают: при изучении свойств щелочей; при изучении свойств кислотных оксидов;  при изучении параллельных реакций (продуктом этих реакций может быть средняя соль, кислая соль, смесь солей, можно обсудить, от чего это зависит); при изучении щёлочных металлов, реакций обмена.

  Также рекомендуем прочитать коментарии к аналогичному опыту 4.6 из альбома "8 класс. Вода, растворы, основания"