Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 41. Розв'язування експериментальних задач

Пригадайте:

  • класифікацію неорганічних сполук (за § 26);
  • хімічні властивості вивчених сполук (за § 28, 31, 33, 34 та 36);
  • загальні способи добування оксидів (за § 38) та солей, кислот і основ (за § 39).

Експериментальні методи в хімії

Хімія — наука експериментальна. Переважна більшість знань у вигляді теорій та законів були одержані дослідним шляхом, ґрунтувалися на властивостях речовин та кількісних характеристиках, що описують їх взаємодії. Якщо теорія спочатку була висловлена за певними міркуваннями, вона вимагала експериментального доведення. Як кажуть науковці: «Практика — критерій істини».

У сучасних хімічних лабораторіях більшість експериментів проводять із використанням спеціальних інструментів. Для визначення кислотності розчинів замість індикаторів частіше використовують pH-метр (мал. 41.1). Ще 50 років тому для визначення вмісту атомів того чи іншого хімічного елемента в сполуці використовували різні хімічні реакції, деякі з них відбувалися протягом тривалого часу. Сучасний елементний аналізатор (мал. 41.2) дозволяє визначити вміст будь-якого хімічного елемента в зразку речовини за лічені хвилини.

Мал. 41.1. pH-метр визначає наявність кислот та основ у розчинах

Мал. 41.2. Елементний аналізатор миттєво визначає елементний склад речовини

Уже 200 років хіміки користуються відносними атомними масами елементів. Для визначення атомних мас раніше необхідно було провести численні експерименти з визначення масових співвідношень реагентів. Сьогодні для цього використовують мас-спектрометри (мал. 41.3), що дозволяють визначити маси не лише окремих атомів, але й багатьох молекул і йонів.

Мал. 41.3. Мас-спектрометр — прилад для визначення відносних атомних і молекулярних мас

Для висновків щодо властивостей речовин часто необхідно знати оптичні характеристики речовин, зокрема світло якого кольору поглинає речовина. Наприкінці XIX століття німецькі науковці Роберт Бунзен та Ґустав Кірхгоф сконструювали найпростіший спектроскоп (мал. 41.4, с. 223), який за оптичними характеристиками речовин дозволив визначити склад Сонця, відкрити нові речовини, зокрема інертні гази. Сучасні науковці також активно користуються таким приладом, але, звісно, суттєво переробленим (мал. 41.5). Він дозволяє розв’язувати набагато складніші задачі, але принцип його дії багато в чому нагадує спектроскоп Бунзена.

Мал. 41.4. Перший спектроскоп, сконструйований Р. Бунзеном і Ґ. Кірхгофом

Мал. 41.5. Сучасний спектрофотометр

Сьогодні дуже поширеним експериментальним методом є метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР-спектроскопія). Він дозволяє робити висновки щодо будови молекул і став майже незамінним у сучасній хімії.

Без сучасних приладів сьогодні складно уявити роботу хіміків, без нового обладнання неможливий подальший розвиток і накопичення хімічних знань. Але багато задач можна розв’язувати і без приладів, використовуючи звичайні реактиви й виконуючи досліди у звичайних пробірках.

Розв'язування експериментальних задач

І в сучасній лабораторії, і у звичайній шкільній хімічній лабораторії часто виникають задачі, які можна розв’язати лише дослідним шляхом. Наприклад, необхідно визначити склад певної речовини, склянку з якою хтось забув підписати. Або необхідно довести, чи справді вміст певної склянки відповідає надпису на ній.

Для розв’язування таких експериментальних задач потрібно знати візуальні ефекти, що супроводжують ті чи інші реакції. Зокрема, зміна забарвлення індикаторів за наявності тих чи інших речовин, утворення осаду під час взаємодії певних речовин, виділення газів та характер запахів цих газів. Необхідно також пам’ятати, що більшість газоподібних речовин безбарвні, але деякі з них (сірководень або сірчистий газ) мають характерний запах. А наявність інших речовин доводять у хімічний спосіб: кисень підтримує горіння тліючої скіпки, а водень здатний згоряти з характерним звуком.

Для розв’язування будь-якої експериментальної задачі завжди слід дотримуватися певної послідовності дій.

По-перше, необхідно скласти план експерименту, у межах якого визначити, на яке конкретне запитання потрібно відповісти і які досліди необхідно провести для цього.

По-друге, виконати власне експериментальну частину.

По-третє, зробити висновок, чи дозволяють проведені досліди дати відповідь на поставлене питання і які результати дослідів дозволяють зробити висновок про доведення або спростування початкових припущень.

Розглянемо декілька прикладів розв’язування експериментальних задач.

Задача 1. Експериментальним методом доведіть склад хлоридної кислоти.

Розв’язання:

1. Планування експерименту.

Хлоридна кислота складається з атомів Гідрогену та Хлору. Для доведення її складу необхідно провести досліди щодо наявності Гідрогену та Хлору.

Довести наявність Гідрогену можна кількома способами.

Перший: завдяки наявності атомів Гідрогену кислоти змінюють забарвлення індикаторів. Отже, якщо індикатор змінить своє забарвлення на колір, що відповідає кислотному середовищу, то можна стверджувати про наявність Гідрогену у складі кислоти.

Другий спосіб ґрунтується на можливості витиснути атоми Гідрогену з кислоти активними металами.

Довести наявність саме такого кислотного залишку (Сl) можна додаванням до хлоридної кислоти розчину аргентум(І) нітрату, оскільки при цьому має утворитися білий осад аргентум(І) хлориду.

2. Проведення експерименту.

Наллємо виданий розчин хлоридної кислоти в три пробірки. Почергово додаємо необхідні реактиви та записуємо свої спостереження в зошит (лабораторний журнал). Результати експерименту зручніше оформити у вигляді таблиці (див. таблицю на с. 226).

Номер пробірки

Проведені дії

Спостереження

1

Додаємо розчин лакмусу

Лакмус змінює забарвлення на червоне

2

Додаємо гранулу цинку

На поверхні цинку утворюються бульбашки безбарвного газу і виділяються з розчину

Газ, що виділяється, збираємо у пробірку, перевернуту догори дном, і підпалюємо

Газ згоряє з характерним гавкаючим звуком

3

Додаємо розчин аргентум(І) нітрату

Утворюється білий сирнистий осад

Додаємо декілька крапель нітратної кислоти

З осадом нічого не відбувається

3. Аналіз експерименту й формулювання висновків.

Червоним лакмус стає в розчинах кислот, а в усіх кислотах наявний Гідроген. Наявність Гідрогену доводить також другий дослід. В указаний спосіб згоряє лише водень, а він міг утворитися під час взаємодії кислоти із цинком. Отже, у хлоридній кислоті містяться атоми Гідрогену. Білий сирнистий осад, нерозчинний у нітратній кислоті, утворюється в разі додавання аргентум(І) нітрату лише до хлоридів. Отже, розчин є розчином хлориду. Проведені експерименти доводять, що в розчиненій речовині містяться Гідроген і Хлор, тобто ця речовина — гідроген хлорид (хлоридна кислота).

Задача 2. У трьох пронумерованих пробірках містяться розчини хлоридної кислоти, натрій хлориду та натрій сульфіту. Використовуючи мінімальну кількість реактивів, визначте вміст кожної пробірки.

Розв’язання:

1. Планування експерименту.

Серед трьох речовин одна — кислота, наявність якої можна довести індикатором. Отже, першою дією необхідно випробувати вміст пробірок індикатором. Наявність хлоридів можна визначити, використовуючи аргентум(І) нітрат. Але аргентум(І) сульфіт, що має утворитися за наявності натрій сульфіту, також нерозчинний, тож така проба нам не дозволить розрізнити вміст пробірок. Використовуючи таблицю розчинності, визначаємо, що існує реактив, у разі додавання якого до сульфітів осад утворюється, а до хлоридів — ні. Це барій нітрат. Отже, його можна використати для виявлення пробірки з розчином натрій сульфіту. Наявність сульфітів можна також довести додаванням сильної кислоти. Оскільки сульфітна кислота слабка, то сильні кислоти витіснятимуть її із солі. До того ж вона нестійка й розкладатиметься з виділенням сірчистого газу, який можна виявити за характерним запахом.

2. Проведення експерименту.

Оскільки з кожною речовиною необхідно провести щонайменше дві реакції, то вміст кожної пробірки розділяємо на дві порції. Результати дослідів оформлюємо у вигляді таблиці.

Проведені дії

Номер пробірки

1

2

3

1. Додаємо розчин метилового оранжевого

Забарвлення не змінюється

Індикатор змінює забарвлення на червоне

Забарвлення не змінюється

2. Додаємо розчин барій нітрату

Випадає білий осад

Нічого не відбувається

Змін не відбувається

3. Аналіз експерименту й формулювання висновків.

Індикатор змінює забарвлення за наявності кислот, і це відбувається лише в одній пробірці. Отже, у пробірці 2 — хлоридна кислота. Осад утворюється в разі додавання барій нітрату лише до вмісту першої пробірки, отже, пробірка 1 містить натрій сульфіт. Методом виключення робимо висновок, що в пробірці 3 — натрій хлорид.


buymeacoffee