МІНІСТЕРСТО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Абраменко В.Л.

ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ

З ЗАГАЛЬНОЇ ТА НЕОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

Луганськ 2011

УДК 54

ББК 24

Рекомендовано Вченою радою

Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля

В і д п о в і д а л ь н и й р е д а к т о р :

Кривоколиско С.Г., доктор хімічних наук, професор кафедри хімії та природничих дисциплін Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Р е ц е н з е н т и :

Дяченко В.Д., доктор хімічних наук, професор Луганського національного університету імені Т.Шевченка, завідувач кафедри хімії;

Кривоколиско С.Г., доктор хімічних наук, професор кафедри хімії та природничих дисциплін Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Абраменко В.Л.

А 13 Лабораторні роботи з загальної та неорганічної хімії: Навчальн. посібник. – Луганськ: вид-во СНУ ім. В.Даля, 2011. – 132 с., табл. 21, іл. 5.

У навчальному посібнику наведено лабораторні роботи з загальної і неорганічної хімії з урахуванням основних розділів програми курсу хімії для нехімічних спеціальностей вузів, включаючи будову речовин, закономірності перебігу хімічних процесів, теорію розчинів, окисно-відновні та електрохімічні процеси, властивості неметалів і найважливіших конструкційних металів і їх сполук, полімерні матеріали.На початку кожної теми надані короткі рекомендації до вивчення теоретичного матеріалу, зразки типових задач та методи їх розв’язування, задачі для самостійної роботи.

Для студентів нехімічних спеціальностей вузів.

УДК 54

ББК 24

© Абраменко В.Л.

© Східноукраїнський національний

університет імені Володимира Даля, 2011

ВСТУП

Хімічна освіта необхідна для плідної творчої діяльності інженера будь-якої галузі промисловості і повинна бути спрямовананаформуванняпоглядівінавичокусвітоглядномуіприкладномуаспектах.Сучаснийфахівецьповсякденнозіштовхуєтьсязіскладнимифізико-хімічнимипроцесами,ізвластивостямиконструкційних,інструментальнихііншихтехнічнихматеріалів.Томудлякожноїспеціальностінехімічногопрофілюповиненбутизнайденийоптимальнийваріант,щопоєднуєфундаментальніуявленняпрохімічнуформурухуматеріїітіконкретнізнанняпроречовиниіперетворення,щопов'язанізмайбутньоюпрофесійноюдіяльністю.

Ефективність освоєння курсу хімії значною мірою залежить від змісту і постановки лабораторного практикуму. Даний практикум є посібником до підготовки і виконання лабораторних робіт із загальної і неорганічної хімії і має своєю метою познайомити студентів з основними експериментальними методами вивчення хімічних явищ, а також властивостями найбільш розповсюджених і широко використовуваних у промисловості і техніці елементів та їх сполук. Лабораторний практикум покликаний дати студенту правильне розуміння взаємозв'язку теорії і практики експерименту, закріпити теоретичні знання і сформувати навички в науковій праці. Тому при вивченні ряда тем нами передбачені нескладні експериментальні роботи з елементами НДРС.

Даний посібник написаний з урахуванням основних розділів програми курса хімії для технічних напрямків і спеціальностей вузів, включаючи будову речовини, основні закономірності протікання хімічних процесів, теорію розчинів, окисно-відновні й електрохімічні процеси, властивості елементів і їх сполук. Для спеціальності «Матеріалознавство» наведена лабораторна робота з одержання і дослідження властивостей полімерних матеріалів.

При написанні даного посібника частково використано матеріал, написаний безпосередньо автором при підготовці до друку посібника: Абраменко В.Л., Арданова Л.І. «Лабораторний практикум з загальної та неорганічної хімії» - Луганськ: вид-во СНУ ім. В.Даля, 2003. – 172 с. У переважній більшості тем повністю перероблено розділи «Рекомендації до вивчення теоретичного матеріалу», замінені деякі задачі, доповнено список літератури і таблиці до відповідних тем. Автор вважає за доцільним, навіть в умовах дуже обмеженого часу, який надається програмою курсу на виконання лабораторних робіт, включити в практикум лабораторні роботи з хімії неметалів VII-IVгруп, а також лабораторну роботу «Властивості металів VВ групи (підгрупа ванадію)» , які можуть виконуватися як на лабораторних заняттях студентами деяких спеціальностей, так і на факультативах найбільш встигаючими студентами і при підготовці їх до хімічних олімпіад.

У кожній роботі практикуму по кожній темі наведені лише короткі теоретичні вступи – рекомендації до вивчення теоретичного матеріалу, приведені типові задачі, їхні рішення і задачі для самостійного рішення (по задачнику Глінки М.Л.). Природно тому, що при підготовці до занять студент зобов'язаний вивчити відповідні розділи підручників і навчальних посібників. З метою активізації самостійної роботи студентів у рамках діючої рейтингової системи навчання і контролю знань нами розроблені і приведені індивідуальні задачі приблизно однакової складності по кожній темі. При необхідності ці завдання можуть бути використані при проведенні аудиторних контрольних робіт для студентів усіх форм навчання, включаючи заочну. По двох найбільш складних і важливих розділах курсу хімії – «Будова речовини» і «Електрохімічні процеси» передбачено проведення колоквіумів (дивися додаток). Проведення колоквіуму (практичне заняття) є контрольним заходом, який дозволяє в ході співбесіди звернути увагу на недоліки в проробленні теми, що позитивно позначається на її правильному розумінні і засвоєнні. При здачі колоквіуму цілком моделюється екзаменаційна обстановка, тому колоквіум має найбільш високий рейтинг. В умовах ліміту часу питання, що виносяться на колоквіум, можна розглянути на консультаційних заняттях.

Автор вдячний викладачам і співробітникам кафедри хімії Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, чий багатий досвід і цінні зауваження були враховані при написанні даного практикуму.

М о д у л ь 1. Основні поняття і закони хімії т е м а 1 (вступна). Основні поняття і закони хімії.

1. Рекомендації до вивчення теоретичного матеріалу

Хімія є однією з природничих наук, яка вивчає речовини та процеси їх перетворення, що супроводжуються зміною їх складу і структури. Тому серед значної кількості понять, які використовуються в хімії, у першу чергу слід звернути увагу на поняття речовини як форми існування матерії, в якій вона виявляє себе у вигляді елементарних частинок (електрони, протони, нейтрони), атомів, молекул, агрегатів молекул, кристалів, рідини тощо. Слід ще раз уважно розглянути такі фундаментальні поняття, як атом, молекула, іон, елемент, атомні і молекулярні маси, кількість речовини, валентність, ступінь окиснення, а також основні закони хімії.

Атом– найменша, хімічно неподільна електронейтральна частинка речовини, що складається з позитивно зарядженого ядраі електронів.

Молекула – мікрочастинка, утворена з двох і більшого числа атомів, здатна до самостійного існування, і яка зберігає хімічні властивості цієї речовини. Має постійний якісний і кількісний склад і сукупність властивостей, що дозволяють відрізняти одну молекулу від інших за допомогою відповідних реакцій.

Іон – атом або молекула, які одержують електричний заряд у результаті віддачі чи приєднання електронів.

Атомна одиниця маси (а.о.м.) – це 1/12 маси ізотопу карбону ¹²С ; дорівнює 1,6605·10^-24 г . Молекулярна (формульна) маса – маса сукупності атомів у хімічній формулі, виражена в а.о.м.

Молярна маса – маса в грамах одного моля речовини. Чисельні значення молярної (г/моль) і молекулярної (а.о.м.) мас збігаються. Моль – кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул, іонів, електронів і інших частинок або груп частинок), скільки атомів містить нуклід карбону ¹²С масою 12 г. Це число атомів дорівнює 6,0221·10²³ (число Авогадро).

Ступінь окиснення – формальній заряд на атомі в молекулі в припущенні, що всі зв’язки в ній іонного типу. Валентність – число зв’язків атома елемента в молекулі.

Знання основних понять і законів хімії є обов'язковою умовою успішного вивчення усіх

наступних розділів цієї науки. Серед значної кількості законів у першу чергу слід звернути

увагу на наступні.

Закон збереження маси й енергії:сумарна маса й енергія речовин, що вступили в реакцію, дорівнюють сумарній масі й енергії продуктів реакції. Треба відзначити, що закон збереження маси, сформульований М.В. Ломоносовим (1748 р.), для хімічних реакцій виконується тільки умовно. Це випливає з рівняння Ейнштейна (1905 р.), яке зв'язує масу й енергію:E=c²m. Отже, маса повинна змінюватися, оскільки будь-які хімічні реакції супроводжуються енергетичними ефектами. Величина останніх не перевищує звичайно 10³кДж, тому розрахованаза рівнянням Ейнштейна зміна маси складає 10^-11кг, що не фіксується жодним з відомих на сьогоднішній день приладом. Дефект маси (сумарна маса вихідних речовинсумарній масі продуктів реакції), застосовується до ядерних реакцій, що супроводжуються колосальними тепловими ефектами.

Закон сталості складу (Ж.Пруст, 1801 р.): якісний і кількісний склад сполуки з молекулярною будовою (СО₂, Н₂О, органічні речовини) не залежить від методу його одержання. Зверніть увагу, що у випадку сполук з атомною й іонною будовою закон не виконується (переважна більшість неорганічних сполук складається з іонів, відсоток вакантних позицій у структурі яких досить високий, що і приводить до відхилень від стехіометрії). Речовини, для яких закон виконується, називаютьсядальтонідами, а ті, для яких не виконується, –бертолідами.

Закон кратних відношень (Дж.Дальтон, 1803 р.): якщо два елементи утворюють між собою кілька сполук з молекулярною будовою, то маси одного з елементів, що приходяться на однакову масу другого, відносяться як невеликі цілі числа.

Закон Авогадро (1811 р.): у рівних обємах різних газівзаоднакових умов (Р,Т) міститься однакове число молекул. З цього закону можна одержати кілька наслідків:

- молярний обєм різних газів (V_m)заоднакових умов – величина постійна (за нормальних умов (н.у.) [T= 273K, Р = 101325 Па]V_m= 22,4 л/моль);

- відносна густина одного газу по іншому дорівнює відношенню їхніх молярних мас;

- обєми газів, що беруть участь у реакції, відносяться між собою як невеликі цілі числа (закон об'ємних відносин);

- мольні й об'ємні частки для суміші газів однакові.

Необхідно пам'ятати, що закон Авогадро і його наслідки виконуються тільки для ідеальних газів, у яких відсутні межмолекулярні взаємодії і молекули не мають власного обєму. Стан ідеального газу описується за допомогою трьох параметрів: тиск, обєм, температура.

Закон Бойля-Маріота.Для даної маси газу при ізотермічних процесах (Т=const) : Р₁V₁=P₂V₂.

Закон Гей-Люсака. Для ізобарних процесів (Р =const): Т₁V₂= Т₂V₁.

Закон Шарля.Для ізохорних процесів (V=const): Т₁Р₂= Т₂Р₁.

Об'єднаний газовий закон: Р₁V₁ / T₁=P₂V₂/T₂.

Якщо в об'єднаному газовому законі використовувати параметри нормальних умов для одного моля газу, то можна одержати універсальну газову постійну R. Рівняння Клапейрона-Менделєєва для будь-якої кількості речовини записується таким чином:

РV = RT. Оскільки=m/M, то в розгорнутому виді воно записується так:

РV=mRT/M.

Закон Дальтона:загальний тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів: Р = Р_А+ Р_В+ Р_С+…+Р_і.

Парціальний тиск– це тиск, що робив би компонент газової суміші, якби він займав обєм, який дорівнює обєму всієї суміші.

До основних законів хімії відносяться також закон еквівалентів і періодичний закон, що будуть розглянуті далі окремо.

2. Приклади розвязування типових задач

Перш, ніж вирішувати задачі, необхідно згадати методи розрахунку кількості молей різними способами (у залежності від конкретної умови задачі). Якщо в умові дана маса, то =m/M; якщо обємгазу, то=V/22,4 (н.у.) чи=PV/RT; якщо кількість молекул, то=N_мол../N_А. Використовуючи стехіометрічні співвідношення в рівняннях реакцій, можна вирішувати задачі в молях.

Задача 1.Яку масу оксиду кальцію можна одержати при термічному розкладі 20 г вапняку, що містить 20% домішки?

Розв’язок. Знаходимо масу чистого карбонату кальцію:m(CaCO₃) = 200,8 = 16 (г).

Обчислюємо число моль: (CaCO₃)=16/100=0,16 (моль). З рівняння реакції: СаСО₃СаО + СО₂визначаємо, що число моль СаСО₃і СаО однакове:= 0,16 моль. Знаходимо масу оксиду кальцію:m(СаО) = 0,1656 = 8,96 (г).

Задача 2. Скільки молекул міститься в 1 мл будь-якого газу за н.у.?

Розв’язок. Знайдемо кількість речовини, що міститься в 1 мл будь-якого газу:= 1/22400 = 4,510^-5(моль). Тоді число молекул у 1 мл дорівнює:N_{молекул}=N_A= 4,510^-56,0210²³= 2,710¹⁹(молекул).

Задача 3.До 50 гкальцій карбонату додали розчин, що містить 54,75 г НСl. Визначте маси речовин у розчині, що утворився, і обєм газу, що виділився (t = 27^о C, P = 0,7 атм.).

Розв’язок. Якщо в умові задачі є дані для кількох речовин, то треба з'ясувати, які з цих речовин містяться в надлишку:

 (СаСО₃) = 50 : 100 = 0,5 (моль);(НСl) = 54,75:36,5 = 1,5 (моль) – вихідні кількості речовин.

З мольного співвідношення 0,5:1,5 = 1:3 видно, що кислота міститься в надлишку.

Рівняння має вид: СаСО₃+ 2НСlСаСl₂+CO₂ +H₂O, тобто,на 1 моль карбонату приходиться 2 моль кислоти, а за умовою на 0,5 моль карбонату витрачається 1 моль кислоти, надлишок кислоти в розчині складає 0,5 моль, а його маса: 0,536,5 = 18,5 (г).

Число моль кальцій хлориду і вуглекислого газу рівні між собою і збігаються з числом молів СаСО₃– 0,5 моль (за рівнянням),m(CaCl₂) = 0,5111 = 55,5 (г). Використовуючи рівняння Клапейрона-Менделєєва, знаходимо обєм вуглекислого газу: V=RT/P= 0,50,082(273+27):0,7 = 17,57 (л).

2. Задачі для самостійного рішення: 53, 63, 121