IV. свойства неорганических веществ

4.1. Кислород. Воздух. Горение

Химический эксперимент по получению и изучению физических и химических свойств кислорода позволяет, с одной стороны, иллюстрировать первоначальные химические понятия, классификацию химических реакций, количественные законы химии и т.д. С другой стороны, многие химические элементы и вещества, так или иначе, реагируют с кислородом или образуют многочисленные соединения. В связи с этим усвоение знаний о свойствах кислорода важно, как на первоначальном этапе, так и на протяжении всего процесса обучения химии.

Необходимо отметить, что получение и изучение свойств кислорода, как и других газообразных веществ, в школьных условиях целесообразно проводить одномоментно, так как собирание и хранение газов в газометрах требует сложного дополнительного оборудования, излишних затрат реактивов и времени.

Опыты 1-4. Получение и изучение физических свойств кислорода. Идентификация кислорода. Вариант 1. Поместите 5-7 г перманганата калия в пробирку и соберите установку (рис. 23). Для вытеснения воздуха слегка прогрейте предварительно пробирку с солью и проведите частичное разложение перманганата калия. Установите газоотводную трубку под цилиндр и продолжайте нагревание вещества. Наблюдайте выделение газа:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + О₂.

Рис. 23. Получение и собирание кислорода методами

вытеснения воды и воздуха.

Обратите внимание на цвет газа и на то, что пузырьки газа по мере прохождения через слой воды не уменьшается в размерах. Когда цилиндр заполнится кислородом, опустите газоотводную трубку в колбу (справа), уравновешенную на весах (рис. 24) Наблюдайте, что чашка весов, на которой установлена колба, опускается вниз.

Рис. 24. Доказательство, что плотность кислорода выше плотности воздуха.

Цилиндр с газом закройте под водой пробкой, выньте его из воды, установите на стол и проведите пробу газа с помощью тлеющей лучинки. Для этого внесите в пламя горелки конец длинной сухой лучинки. Когда она загорится, погасите пламя резким движением лучинки (можно сильно дунуть на пламя). Убедившись, что конец лучинки тлеет, внесите его в цилиндр с газом. В кислороде лучинка вспыхивает и продолжает гореть ярким пламенем. Когда кислород в цилиндре израсходуется, яркость пламени резко уменьшится, и лучинка может погаснуть. С целью предотвращения пожара, обгоревший конец лучинки поместите в стакан с сухим песком.

Сделайте выводы и запишите результаты эксперимента, дополнив его данными о физических свойствах из справочника.

Вариант 2. Поместите в колбу унифицированного прибора 3-5 г оксида марганца (IV), а в делительную воронку налейте концентрированный раствор пероксида водорода и соберите установку для собирания кислорода. При добавлении пероксида водорода из делительной воронки в колбу с катализатором образуется кислород:

2H₂O₂ = 2H₂O + О₂.

Далее опыт продолжайте, как описано выше (вариант 1).

Вариант 3. Для демонстрации свойств кислорода удобно использовать кислородную медицинскую подушку или баллон со сжатым кислородом. В этих случаях необходимо обеспечить надежную работу выходного крана или газового редуктора, позволяющих точно регулировать выход (подачу) кислорода. В противном случае возможна утечка газа или неконтролируемая по количеству подача кислорода для проведения опыта, что может привести к несчастному случаю. В остальном опыт проводят, как описано выше (вариант 1).

Опыты 5-13. Химические свойства кислорода. При получении кислорода одним из указанных выше способов собирают газ вытеснением воздуха в широкогорлые склянки (150-200 мл), степень заполнения кислородом проверяют при этом тлеющей лучинкой. а) Заполните заранее несколько склянок кислородом и закройте их во избежание утечки газа пробками.

б) Изучение химических свойств кислорода начните с реакций взаимодействия этого газа со свежеприготовленными растворами и суспензиями сульфата железа (II), хлорида кобальта (II), гидроксида марганца (II), гидроксида железа (II), иодида калия в присутствии крахмала (иодкрахмальный раствор), опуская в них последовательно газоотводную трубку от прибора для получения кислорода. Здесь целесообразнее провести вначале все запланированные реакции, обращая внимание на их признаки и условия течения, а затем обсудить и записать соответствующие уравнения реакций:

4FeSO₄ + О₂ + 2H₂O = 4FeSO₄(ОН);

CоCl₂ + О₂ + 2H₂O = (продолжите самостоятельно);

4Mn(OH)₂ + О₂ = 4MnО(OH) + 2H₂O;

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃.

С раствором иодида калия кислород, в отличие от озона (опыт с озоном будет рассмотрен ниже), не реагирует.

в) Для проведения реакций горения веществ в кислороде поместите в две ложечки для сжигания веществ небольшие порции серы (пример неметалла) и лития (пример металла). Внесите на 2-3 секунды вещество в склянку с кислородом и убедитесь, что сера и литий при комнатной температуре в кислороде не воспламеняются. Подожгите вещество в пламени горелки, обратите внимание на характер его горения и цвет пламени в воздухе и медленно опустите ложечку с горящим веществом в склянку с кислородом. Наблюдайте интенсивность горения веществ в кислороде. Отметьте, что взаимодействие веществ с чистым кислородом и их реакции горения в воздухе чаще всего приводят к образованию одних и тех же продуктов:

S + О₂ = SO₂;

4Li + О₂ = 2Li₂O.

Примечание. Остатки горящих веществ, горящие лучинки и т.д. убирайте после опыта в банку с мелким сухим песком.

г) Внесите в склянку с кислородом огарок горящей парафиновой свечи. Наблюдайте разницу в интенсивности горения свечи в воздухе и в кислороде.

д) Для показа опыта "горения" железа прикрепите маленький кусочек спичинки на конец тонкой стальной проволоки, подожгите его в пламени горелки и немедленно внесите в склянку с кислородом. Пламя горящей древесины ярко разгорается, и от него "загорается" стальная проволока. Наблюдайте яркие искры горящего металла:

4Fe + 3О₂ = 2Fe₂O₃.

Опыты 14-23. Изучение химических свойств кислорода непосредственно при его получении. Катализаторы и ингибиторы. Особенность проведения изучения свойств газообразных веществ в момент их получения состоит в том, что все вещества и оборудование для проведения реакций необходимо готовить заранее. Опыты проводятся быстро один за другим, обращая внимание на существенные условия и признаки реакций. При этом значительно экономятся реактивы и время. Кроме этого у учащихся лучше развиваются внимание, память, речь и другие качества личности. После окончания всех опытов проводится их обсуждение, запись уравнений реакций и оформление соответствующих таблиц или выводов.

а) В большую сухую пробирку поместите 2-3 г перманганата калия и укрепите ее вертикально в штативе над горелкой (рис. 25).

Рис. 25. Изучение химических свойств кислорода

непосредственно при его получении.

б) Заранее приготовьте сухую тонкую лучинку, две ложечки для сжигания веществ с серой и литием, тонкую стальную проволоку на один конец которой прикреплен маленький кусочек спичинки.

в) Зажгите горелку и слегка нагрейте перманганат калия, наблюдайте через несколько секунд первые признаки разложения соли: потрескивание, кристаллы соли приходят в движение, выделяется темный дымок. Скорость реакции регулируйте интенсивностью нагревания вещества в пробирке.

г) Медленно опустите в пробирку тлеющую лучинку, она вспыхивает в кислороде ярким пламенем. Зона, где в пробирке произошло воспламенение лучинки, указывает уровень заполнения сосуда кислородом. Обычно одной пробирки достаточно для всех опытов, однако следует все же иметь запасные пробирки с перманганатом калия.

д) Внесите вещество в пробирку с кислородом и убедитесь, что самовоспламенения не происходит. Затем ложечку с веществом внесите в пламя горелки, когда вещество загорится, обратите внимание на цвет и яркость горения. Внесите горящее вещество в пробирку с кислородом и наблюдайте ход реакции в новых условиях.

е) При получении кислорода из пероксида водорода проведите опыты следующим образом. Налейте в большую пробирку около 5-6 мл концентрированного раствора перекиси, укрепите ее вертикально в штативе и нагрейте. Проведите пробу с тлеющей лучинкой и убедитесь, что кислород при этом не обнаруживается. Добавьте в другую пробирку с пероксидом водорода (осторожно!) щепотку оксида марганца (IV). Наблюдайте интенсивное выделение газа. Докажите с помощью тлеющей лучинки, что здесь выделяется кислород. Другие реакции, иллюстрирующие свойства кислорода проведите, как описано выше.

ж) Для изучения действия ингибитора на ход реакции разложения пероксида водорода, добавьте предварительно в пробирку с раствором перекиси 1 мл ортофосфорной кислоты. Убедитесь с помощью лучинки, что выделение кислорода в этих условиях не происходит.

Опыты 24-25. Определение объемного содержания кислорода в воздухе. а) Налейте в кристаллизатор до половины его объема воды. Установите в него широкую трубку (цилиндр без дна), подберите к ней пробку, в нее вставьте ложечку для сжигания веществ. Примерьте ложечку с пробкой так, чтобы ложка свободно входила в трубку (цилиндр) на уровне ее верхней трети, а пробка плотно закрывала бы трубку (рис. 26).

Рис. 26. Определение объемного содержания кислорода в воздухе (способ I).

Отметьте карандашом по стеклу уровень жидкости в трубке (можно обвязать трубку по уровню воды тонкой нитью). Поместите в ложечку для сжигания веществ немного красного фосфора, подожгите его и внесите в трубочку, плотно закрыв ее пробкой. Дождитесь прекращения горения фосфора и охлаждения системы и отметьте новый уровень воды в трубке (цилиндре). Сделайте вывод о содержании кислорода в воздухе.

Почему вместо красного фосфора для данного опыта нельзя брать серу, свечу и некоторые другие вещества? Какие еще вещества, кроме фосфора, можно использовать в этом эксперименте? Каковы на ваш взгляд достоинства и недостатки этого опыта?

б) Поместите в большую пробирку или цилиндр два–три очищенных от загрязнения железных гвоздя длиной равной длине пробирки или чуть меньше. В пробирку налейте до половины раствор поваренной соли (2%), закройте отверстие пальцем и опустите отверстием вниз в стакан с таким же раствором так, чтобы уровни жидкости в пробирке и в стакане были одинаковыми. Отметьте карандашом по стеклу уровень жидкости в пробирке (можно обвязать пробирку по уровню воды тонкой нитью) и оставьте при комнатной температуре на несколько дней (рис. 27).

Рис. 27. Определение объемного содержания кислорода в воздухе (способ II).

Кислород воздуха будет реагировать с железом, образуя ржавчину, а жидкость поднимется в пробирке до определенного уровня, пока не израсходуется весь кислород в пробирке. Отметьте новый уровень раствора в пробирке и определите объемное содержание кислорода в воздухе.

Какие еще вещества, кроме железа, можно использовать в этом эксперименте? Каковы на ваш взгляд достоинства и недостатки этого опыта?

Опыты 26-32. Условия возникновения и прекращения горения веществ. (Опыты проводите на несгораемой подставке). а) В фарфоровый тигель налейте 8-10 мл растительного масла и поднесите к маслу горящую лучинку. Масло не загорается, а лучинка, если ее окунуть в масло, гаснет. Тигель с маслом сильно нагрейте и поставьте на несгораемую поверхность. К горячему маслу (осторожно!) поднесите горящую лучинку. Масло вспыхивает. Горящее масло накройте листом асбеста или куском брезента. Горение прекращается. Повторно подожгите масло в тигле, затем с помощью тигельных щипцов (осторожно!) поставьте сосуд с горящим маслом в снег или в холодную воду (не заливать масло водой). Пламя гаснет.

б) Для предотвращения возгорания брезентовых палаток, деревянных балок и других предметов их пропитывают специальными растворами, в состав которых часто входит силикат натрия (жидкое стекло). Разбавьте 20 мл силикатного клея до 100 мл водой, окуните в раствор носовой платочек или кусочек хлопчатобумажной ткани и отожмите его. Налейте в чашечку 20-25 мл спирта, смочите в нем обильно платочек, удерживая его длинным пинцетом или тигельными щипцами. Внесите свисающий конец ткани в пламя горелки (осторожно!) и наблюдайте воспламенение этанола. Спирт быстро выгорает, и пламя гаснет, платочек остается невредимым. Таким образом, вы получили "несгораемый платочек".

в) Пары и мелко измельченные вещества и материалы (пыль) часто являются причиной взрывов и пожаров. Поместите в фарфоровую чашку кусочек парафина, расплавьте его над пламенем горелки и сольно нагрейте. Расплав тонкой струйкой (осторожно!) вылейте с высоты 45-50 см в кристаллизатор с водой. Пары парафина воспламеняются и сгорают бледно-голубым пламенем.

г) Наберите на кончик шпателя немного порошка алюминия или цинка и с высоты 30-40 см (осторожно!) сыпьте порошок в пламя горелки. Частицы металла воспламеняются и сгорают в виде красивых ярких искр.

Какие на ваш взгляд меры при тушении пожаров более эффективны, - прекращение доступа кислорода к горящим предметам, их охлаждение или другие мероприятия и действия?

Опыты 33-36. Эксперименты со свечой. а) Внутри пламени свечи образуется газ. Из тонкой жести сверните трубку длиной до 15 см и диаметром 3 мм (при наличии подобной готовой трубки из несгораемого материала, воспользуйтесь ею). Введите внутрь пламени (осторожно!) свечи вблизи фитиля один конец трубки и с помощью жесткой проволоки установите ее так, чтобы второй конец был немного выше первого (рис. 28).

Рис. 28. Внутри пламени свечи образуется газ.

Скоро вы увидите, как из верхнего конца трубки выходит газ. Подожгите его. Зарисуйте опыт и объясните его сущность.

б) Самодельный огнетушитель. Налейте в пластмассовый флакон из-под шампуня до половины насыщенный раствор соды. Добавьте в раствор чайную ложку стирального порошка и тщательно перемешайте. В пузырек из-под пенициллина или другого антибиотика налейте (до 1/3 объема) раствор какой-либо кислоты (10-20%) и закройте неплотно бумажным тампоном. В крышке флакона проделайте отверстие и вставьте гибкий шланг, чтобы он плотно входил в него. Осторожно опустите пузырек с кислотой в раствор соды (пузырек должен плавать) и завинтите крышку со шлангом, чтобы он доходил до дна флакона. Если теперь резко повернуть флакон вверх дном, то кислота вступит в контакт с раствором соды, образуется углекислый газ, который будет вместе с пеной выходить через наружный конец шланга. Направьте пену на горящую свечу. Пламя гаснет.

в) Охлаждение приводит к прекращению горения. Зажгите свечу и определите примерно диаметр пламени. Найдите стержень, ручку или карандаш, диаметр которого чуть больше, чем у пламени. Намотайте на стержень 5-10 витков толстой медной проволоки, чтобы общая длина спирали равнялась высоте пламени. "Оденьте" спираль на пламя свечи, оно гаснет. Медь, обладая высоким значением теплоемкости, вызывает резкое охлаждение воздуха и газов пламени, в результате свеча гаснет. Нагрейте предварительно медную спираль в пламени горелки и повторите опыт. Свеча продолжает гореть. Почему?

г) Для горения свечи нужен воздух. Насыпьте на противень равномерным слоем песок и поставьте на лист на некотором расстоянии друг от друга небольшие огарки свечи. Свечи зажгите и накройте одновременно стеклянными банками различной емкости. Первой гаснет свеча, накрытая самой маленькой баночкой; последней – свеча, накрытая самым большим сосудом. Почему? Выразите зависимость продолжительности горения свечи от объема банки в виде графика и определите по нему, через сколько времени погаснет свеча, накрытая банкой объемом 5 или 10 л.

Опыт 37. Медленное окисление. Проделайте шилом или тонким гвоздем по кругу в нижней половине пластмассовой бутылки на 0,5 л множество отверстий. Обрежьте верх бутылки и заполните ее гигроскопической ватой, слегка смоченной растительным или машинным маслом. Вставьте в ватный ком термометр, чтобы шкала его от 20 ^оС и выше была свободной для обзора. Для большей устойчивости и термоизоляции поместите бутылку в стеклянную банку или другой сосуд. Фиксируйте изменение температуры через каждые 5 минут и постройте график повышения температуры при медленном окислении в зависимости от времени.

Можно ли ожидать воспламенение ваты в бутылке?

Опыт 38. Получение и свойства озона. В колбу унифицированного прибора насыпьте 15-20 г пероксида бария. В делительную воронку налейте охлажденную концентрированную серную кислоту. Прибор установите в кристаллизатор со снегом или охлаждающей смесью. Газоотводную трубку опустите в раствор иодида калия с добавкой раствора крахмала (иодкрахмальный раствор). Приливайте кислоту к пероксиду бария и наблюдайте в иодкрахмальном растворе явления, обусловленные реакциями:

3BaО₂+ 3H₂SO₄ = 3BaSO₄ + 3H₂O + O₃;

2KI + O₃ + H₂O = 2KOH + I₂ + О₂;

I₂ + 2KOH = KI + KIО + H₂O;

3I₂ + 6KOH = 5KI + KIО₃ + 3H₂O;

I₂ + 5O₃ = 2HIО₃ + 5О₂.

Опишите наблюдаемые явления и определите, какие реакции вызывают соответствующие изменения в растворе.

Вопросы и задания

1. Дан перечень веществ и материалов: белый фосфор, нефть, древесина, бензин, диэтиловый эфир, бумага. Укажите, что, по вашему мнению, из данного перечня является наиболее пожароопасным. Выясните по справочнику температуры воспламенения названных веществ и материалов и расположите их названия в порядке уменьшения значения этого показателя.

2. Проведите простейшие опыты, доказывающие, что горение веществ – это химические явления.

3. Во всех ли реакциях горения участвует кислород? Можно ли привести примеры реакций горения без кислорода?

4. Медную пластинку взвесили, прокалили в пламени горелки, остудили и вновь взвесили. Изменилась ли масса пластинки? Дайте обоснованный ответ. Подобный же эксперимент провели с платиновой пластинкой. Каковы результаты этого опыта? Сделайте прогноз о результатах таких же опытов с применением других веществ.

5. Насыпьте на тлеющую лучинку (осторожно!) порошок перманганата калия (нельзя брать руками!) и проведите наблюдение. Опишите и объясните эксперимент. Учтите, что опыты с горящими веществами необходимо проводить над несгораемой поверхностью с соблюдением всех правил техники безопасности.

6. В сосуд Дьюара налили жидкий воздух. К отверстию сосуда поднесли горящую лучинку. Она тут же погасла. Через некоторое время к отверстию сосуда поднесли тлеющую лучинку. Она вспыхнула ярким пламенем. Объясните результаты данного опыта.

7. Почему массовая доля кислорода в атмосфере относительно больше, чем значение его объемной доли?

8. Почему важно соблюдать Закон об охране атмосферного воздуха? Как можно охранять воздух в вашем населенном пункте?

9. Прочтите роман А. Беляева "Продавец воздуха". Возможны ли в принципе манипуляции с воздухом, описанные писателем-фантастом?

10. Почему вещества горят в кислороде ярче, чем при горении в воздухе? Можно ли ориентировочно прогнозировать за какое время сгорит в кислороде порция серы, если в воздухе такая же навеска вещества сгорает за 5 минут?

11. Приведите примеры применения кислорода в различных областях деятельности человека.

Blog

IV. свойства неорганических веществ

Содержание

IV. СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

4.1. Кислород. Воздух. Горение

Вопросы и задания