В. А. Миронова - Методические указания к выполнению лабораторных работ

УДК

ББК

Рецензенты:

Печатается по решению методической комиссии ФММ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для бакалавров всех направлений очной формы обучения / В. А. Миронова, Л. А. Жереб, М. В. Чижевская; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2013. – с.

Методические указания включают описания лабораторных работ по курсу «Химия», также краткие теоретические сведения, ход выполнения расчетных заданий, предусмотренных рабочим планом дисциплины, а также вопросы и задания для самоконтроля.

Указания предназначены для студентов бакалавриата всех направлений очной формы обучения.

© Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, 2013 © Миронова В. А., 2013 © Жереб Л. А., 2013 © Чижевская М. В., 2013

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Предмет и задачи химии………………………………

Основные понятия…………………………………………………

Общие сведения……………………………………………………

Советы студентам…………………………………………………

Основные правила работы в химической лаборатории…………

Правила техники безопасности……………………………………

Лабораторная работа № 1 Основные классы неорганических соединений…………………

Лабораторная работа № 2 Окислительно–восстановительные реакции……………………

Лабораторная работа № 3 Энергетика химических реакций…………………………………

Лабораторная работа № 4 Скорость химических реакций……………………………………

Лабораторная работа № 5 Растворы электролитов и гидролиз солей………………………

Лабораторная работа № 6 Электрохимические процессы……………………………………

Лабораторная работа № 7 Коррозия металлов и способы защиты от нее……………………

Лабораторная работа № 8 Металлы……………………………………………………………

Заключение…………………………………………………………

Приложения…………………………………………………………

3

Введение. Предмет и задачи химии.

Окружающий нас мир состоит из различных видов материи: вещества и излучений (полей).

Химия – одна из древнейших наук, которая занимается изучением веществ.

Xимия как наука и отрасль промышленности существует недолго (около 400 лет). Однако химическое знание и химическая практика (как ремесло) прослеживаются в глубинах тысячелетий, а в примитивной форме они появились вместе с человеком разумным в процессе его взаимодействия с окружающей средой.

Слово "химия" происходит либо от наименования Древнего Египта "Хем" ("темный", "черный" - очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил; смысл же названия - "египетская наука"), либо от древнегреч. chemeia - искусство выплавки металлов.

Современное название химии производится от позднелат. chimia и является интернациональным, напр. нем. Chemie, франц. chimie, англ. chemistry.

Термин "химия" впервые употребил в 5 в. греческий алхимик Зосима. ХИМИЯ - наука, изучающая строение веществ и их превращения,

сопровождающиеся изменением состава и строения.

Объектом химических исследований являются химические элементы и их комбинации:

-атомы,

-простые (одноэлементные) и сложные химические соединения: молекулы, ионы, радикалы

-химические объединения (ассоциаты, кластеры, сольваты и т. п.)

-материалы и др.

Химические свойства веществ определяются главным образом состоянием внешних электронных оболочек атомов и молекул, образующих вещества; состояния ядер в хим. процессах почти не изменяются.

Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой. На сегодняшний день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций, и каждое из них имеет внутреннее строение. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества.

Современная химия настолько разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования, что многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки.

По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических

4

явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.

Технологические основы современных производств излагает химическая технология – наука об экономичных методах и средствах промышленной химической переработки готовых природных материалов и искусственного получения химических продуктов, не встречающихся в окружающей природе.

Сочетание химии с другими смежными естественными науками представляют собой биохимия, биоорганическая химия, геохимия, радиационная химия, фотохимия и др.

Чрезвычайно интересные результаты получены в области космической химии, которая занимается химическими процессами, протекающими на планетах и звездах, а также в межзвездном пространстве.

Самой молодой областью химии является возникшая буквально в последнее десятилетие математическая химия. Ее задача - применение математических методов для обработки химических закономерностей, поиска связей между строением и свойствами веществ, кодирования веществ по их молекулярной структуре, подсчета числа изомеров органических веществ. Современная химия самым тесным образом взаимодействует со всеми другими областями естествознания. Ни одно серьезное химическое исследование не обходится без использования физических методов для установления структуры веществ и математических методов для анализа результатов.

Основные понятия

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами.

Атом состоит из ядра и "облака" электронов вокруг него.

Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Взаимодействуя, атомы могут образовывать молекулы.

Атом — предел химического разложения любого вещества. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий He) разлагается на атомы одного вида, сложное вещество – на атомы разных видов. Атомы неделимы химическим путем.

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева; каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе. Значение порядкового номера элемента и значение заряда ядра атома того же элемента совпадают, т.е. химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

5

Молекула - частица, состоящая из двух или более атомов, которая может самостоятельно существовать.

Имеет постоянный качественный и количественный состав.

Свойства молекулы зависят от атомов, входящих в её состав, и от характера связей между ними, и от их пространственного расположения (изомерия). Может иметь несколько разных состояний и переходить от одного состояния к другому под действием внешних факторов. Свойства вещества, состоящего из определённых молекул, зависят от состояния молекул и от свойств молекулы.

Вещество - это форма материи, которая имеет массу покоя и характеризуется при определенных условиях постоянными физическими и химическими свойствами.

К веществам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и состоящие из них газы, жидкости и твердые тела.

Чистое вещество — элементы или соединения, их растворы, сплавы, смеси и т. д. характеризующиеся содержанием примесей ниже определенного предела. Этот предел, как правило, составляет доли процента и менее. Современная наука и техника предъявляют к чистоте вещества большие требования.

От чистых веществ следует отличать смеси веществ, которые могут состоять из двух или большего числа чистых веществ, сохраняющих присущие им свойства.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные).

Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твердых веществ, например сплавы. В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном состоянии на микроуровне.

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз.

Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсионную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсионной среде вещество).

Ион - это заряженная частица, атом или молекула, которая имеет неодинаковое количество протонов и электронов. Если у частицы больше электронов, чем протонов, то она заряжена отрицательно и называется анион. Например — Cl-.

Если в частице электронов меньше, чем протонов, значит, она заряжена положительно и называется катион. Например — Na+.

6

Радикал - это частица (атом или молекула), содержащая один или несколько неспаренных электронов. Частица, имеющая неспаренный электрон, очень активна и легко образует связи с другими частицами. Поэтому время жизни радикала в среде, как правило, очень мало.

Радикалы образуются, как правило, под действием внешних воздействий, например, ионизирующего излучения:

-разложение воды и образование водорода: гидроксильный радикал

-образование пероксида водорода:

Химическая связь - удерживает атомы или группы атомов друг около друга. Различают несколько видов химической связи: ионную, ковалентную (полярную и неполярную), металлическую, водородную.

Химические реакции - процессы, протекающие в химическом веществе, или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции. При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества.

Врезультате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка).

Входе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства данного вещества.

Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами, а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, – продуктами реакции.

Вобщем виде химическая реакция изображается так:

Реагенты → Продукты

7

Общие сведения

Лабораторный практикум имеет большое значение при изучении химии. На лабораторных занятиях по химии студенты имеют возможность с помощью собственных экспериментальных результатов ознакомиться со свойствами веществ, исследовать основные закономерности химических процессов и проследить влияние на них различных факторов. Лабораторные занятия формируют у студентов навыки проведения эксперимента и обработки полученных результатов, организации рабочего места, соблюдения правил техники безопасности.

Представленный сборник описаний лабораторных работ составлен в соответствии с рабочими программами по химии для студентов Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева.

Выполнение лабораторных работ связано с использованием полумикрометода, в связи, с чем студенты обеспечиваются компактным набором всех реактивов, посуды и приборов. Это позволяет проводить опыты, почти не отходя от рабочего места. Применение малых количеств веществ сводит к минимуму опасность и вредность, связанные с проведением любого химического эксперимента, способствует меньшему загрязнению воздуха в лаборатории, приучает к аккуратности, сокращает расход химических реактивов.

При проведении лабораторных занятий опыты могут выполняться как одним, так и двумя студентами. В отдельных случаях опыты могут быть демонстрационными. Но отчет по лабораторной работе каждый студент готовит самостоятельно (в приложениях 8 и 9 представлены титульный лист и форма отчета по лабораторной работе).

Краткие теоретические сведения, приведенные в начале каждой лабораторной работы, способствуют пониманию основных положений темы, но успешная подготовка отчета по лабораторной работе и его защита требуют дополнительной самостоятельной работы студентов с учебной литературой.

При описании опытов ставится цель привить студентам навык самостоятельного обобщения результатов эксперимента. Для этого в описаниях опытов приведены вопросы и даны указания, на что следует обратить внимание.

В конце каждой работы имеются контрольные вопросы и задачи, а также рекомендуемый библиографический список с указанием страниц, относящихся к каждой конкретной работе.

8

Советы студентам

При работе в химической лаборатории студент должен приобрести экспериментальные навыки, необходимые как для будущего исследователя, так и для инженера-производственника, и научиться делать анализ проведенной работы. Каждая лабораторная работа связана с определенным теоретическим материалом из курса общей химии. Одно из основных условий достижения поставленной в работе цели - предварительное знакомство с теорией и описанием лабораторной работы и затем активное участие в ее проведении. А самостоятельно полученные результаты опыта способствуют более прочному закреплению знаний в процессе последующего изучения химии.

После получения экспериментальных результатов на лабораторном занятии каждому студенту необходимо оформить отчет (прил. 1,2), в котором должны быть приведены уравнения изучаемых химических реакций, результаты опытов в виде таблиц, графиков и схем. Основное внимание следует уделить формулированию выводов.

Настоятельно советуем каждому студенту мобилизовать себя на активное участие в работе и на получение от нее максимального результата.

Основные правила работы в химической лаборатории

Приучите себя работать аккуратно, внимательно, без спешки. Содержите свое рабочее место в чистоте. Если пролиты реактивы или

вода, быстро вытрите стол, но будьте осторожны, чтобы не повредить руки и одежду. Разбитое стекло, куски бумаги, испорченные сухие реактивы и прочее не оставляйте на столах, а выбрасывайте в специальную мусорницу, ни в коем случае не в водопроводную раковину!

Не загрязняйте реактивы. Каждая склянка с реактивом должна иметь собственную пипетку или шпатель, при взятии реактивов нельзя пользоваться пипетками или шпателями из других склянок. Не ссыпайте и не сливайте обратно взятые в избытке реактивы, они могут испортить весь реактив.

Берите реактивы в количествах, указанных в руководстве. Горячие предметы ставьте только на асбестированную сетку. Поставленные на стол, они портят его поверхность.

Не загромождайте стол ненужными в данный момент предметами, книгами. Личные вещи убирайте в ящик лабораторного стола.

Реактивы и приборы общего пользования не уносите на свои столы. Они должны находиться всегда на отведенном для них месте.

Все наблюдения записывайте в лабораторный журнал непосредственно после каждого опыта. Не делайте записи в черновиках и на отдельных листочках.

По окончании работы приведите рабочее место в порядок.

9

Правила техники безопасности

1.Аккуратно обращайтесь с концентрированными кислотами и щелочами, остерегайтесь пролить их на руки, на одежду, на стол. Если кислота или щелочь попали на кожу или одежду, быстро смойте их большим количеством воды и обратитесь за помощью к преподавателю.

2.С ядовитыми и сильно пахнущими веществами работайте в вытяжном шкафу.

3.Не берите пробирки с реактивами за пробку или пипетку, а только за горловину пробирки.

4.Перед тем, как зажечь спиртовку, проверьте исправность фитиля. Зажигайте спиртовку только спичкой; гасите, накрывая колпачком.

5.При нагревании жидкостей в пробирках держите их отверстием в сторону от себя и от товарищей, горячие предметы берите специальными щипцами.

6.Сливайте растворы, содержащие ядовитые соединения, не в раковину,

ав специальную посуду.

7.После работы в лаборатории обязательно вымойте руки.

10