Научные основы школьного курса химии. методика изучения растворов
дной из важнейших коллоидных систем являются аэрозоли – системы, в
которых жидкие или твердые частицы дисперсной фазы свободно перемещаются в
газообразной дисперсионной среде. Для разрушения аэрозолей в промышленности
используются электрофильтры. Между электродом и стенкой создается высокое
напряжение – в несколько тысяч вольт. При электрическом разряде газа
возникает большое число ионов, которые абсорбируются на частицах аэрозоля.
Последние движутся под влиянием электрического поля к электродам, где
коагулируют, а затем осаждаются на дне фильтра.
Наука о коллоидах, созданная в последние десятилетия, позволяет
решать многие научно-технические и экологические проблемы, начиная от
создания материалов с небольшим сочетанием свойств и кончая предотвращением
взрывов в каменноугольных шахтах. Таким образом, растворы многообразны и
играют большую роль в жизни и деятельности человека. Правильное отношение к
веществам, растворам, их использованию и экологии необходимо воспитывать со
школьной скамьи.
Глава 3. Реакции взаимодействия металлов с растворами солей.
Эксперимент по коллоидным растворам.
Большую роль в формировании знаний учащихся о веществе играет так же
понятие о растворах.
В современном школьном курсе химии изучение растворов на начальном
этапе обучения производится с целью ознакомления учащихся со средой, в
которой протекают многочисленные химические реакции. Затем с растворами
школьники встречаются при изучении вопросов электролитической диссоциации
(растворы – электролиты), элементов главной подгруппы IV группы (коллоидные
растворы). Обобщение знаний о растворах проводят в курсе химии 11-го
класса.
Если говорить о классификации растворов, то можно выделить:
1. По гемогенности – это однородные системы.
2. По числу компонентов. Двухкомпонентные системы состоят из растворителя и
растворенного вещества.
3. По агрегатному состоянию различают: газообразные, жидкие и твердые
растворы.
Теория растворов достаточно хорошо изложена в научной и методической
литературе. В первой главе мы коснулись вопроса создания проблемных
ситуаций при изучении реакций в растворах на примере реакций металлов с
солями и гидролиза. Тема «Гидролиз» раскрыта полностью. Реакциям металлов с
солями и эксперименту по коллоидным системам повещена данная глава.
Часть 1. Реакция металлов с растворами солей.
Школьникам была поставлена задача:
В раствор сульфата меди внесите небольшой кусочек металлического лития
и объясните причину образования осадка черного цвета.
Решение можно выразить следующей схемой:
Схема 1.
Решение проблемного эксперимента.
В общем изучаемый процесс вместе со школьниками изображаем условно:
CuSO4 + Li ( CuO( + H2(
исходные вещества наблюдаемые экспериментально продукты
Вспоминаем, какие химические свойства металлов характеризует ряд
стандартных электродных потенциалов:
1. Чем более отрицателен электродный потенциал металла, тем больше его
восстановительная способность.
2. Каждый металл, имеющий более отрицательный потенциал, способен вытеснять
(восстанавливать) из раствора солей те металлы, которые имеют более
положительный потенциал.
Вспоминаем, что исключение составляют лишь щелочные и щелочноземельные
металлы, которые не восстанавливают ионы других металлов из растворов их
солей, что связано с тем, что скорость их взаимодействия с водой, т.е.
гидратация значительно превышает скорость вытеснения иона металла.
3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал,
т.е. находящиеся в ряду напряжения металлов левее водорода, способны
вытеснять его из растворов кислот. К этому добавляем, что самые активные
металлы вытесняют водород и из воды.
Таким образом, в систему введены - сульфат меди, вода и литий.
Исследуем какие возможны процессы:
- литий реагирует с водой, при этом выделяется водород, что согласуется с
наблюдаемыми признаками реакции:
2Li + 2H2O ( 2LiOH + H2(
Образовавшийся гидроксид лития, должен реагировать с сульфатом меди с
образованием осадка гидроксида меди голубого цвета:
CuSO4 + 2LiOH ( Cu(OH)2( + Li2SO4
Образование осадка черного, а не голубого, цвета вызвало удивление у
школьников. Проделываем опыт по взаимодействию лития не с солью, а с водой
и измеряем выделившуюся при этом температуру (70(С):
2Li + 2H2O ( 2LiOH + H2( + Q
Выдвигаем гипотезу, что выделившейся при реакции гидратации лития
теплоты, достаточно для разложения образовавшегося гидроксида меди:
t(
Cu(OH)2 ( CuO + H2O ( t( разложения 50(С)
осадок осадок
голубого черного
цвета цвета
Часть 2. Эксперимент по коллоидным системам.
Прежде всего, на наш взгляд, крайне интересным является вопрос о
начале коллоидной науки.
Поздним осенним вечером [27] в лаборатории Британского монетного
двора работали два человека. Один из них заведующий лабораторией Томас
Грэм, а другой – директор монетного двора Вильям Робертс.
Меня интересует один серьезный вопрос – заговорил Грэм, это
непонятные свойства кремниевой кислоты – иногда она не выпадает в осадок и
остается в растворе. Я хочу заняться их изучением.
Грэм подошел к большому шкафу, достал несколько склянок и поднес их к
свече. Растворы были прозрачными. Он наклонил одну из склянок, чтобы
удостовериться, что на дне нет осадка. Однако раствор был неподвижен, он
превратился в прозрачную желеобразную массу.
- И это раствор кремниевой кислоты? – произнес удивленный Робертс.
- Да! Посмотрите, какое желе получилось! Как будто я сварил крахмал и
оставил его остывать. Постойте-постойте! Крахмал… по гречески крахмал
называется «колла», т.е. клей. Не следует ли назвать этот раствор
коллоидным? Это будет указывать на то, что они похожи на раствор
крахмала.
Именно в тот вечер Грэм пришел к убеждению, что существуют два вида
растворов – истинные и коллоидные. Грэм исследовал свойства коллоидных
растворов, показал, что они неустойчивы и растворенное вещество может легко
выделяться в виде осадка. Этот процесс был назван коагуляцией.
Исследования Грэма показали, что коагуляция вызывается не только
добавлением в раствор солей, кислот или оснований, но и повышением
температуры, продолжительным перемешиванием или иногда просто длительным
отстаиванием.
Итак, появилось понятие коллоидные растворы.
Не менее интересна другая история.
На одном из заседаний Лондонского химического общества в 1867 г. к
Грэму подошел Джон Тиндаль и заговорил о волновавшем его вопросе [27]:
- Я с некоторых пор изучаю рассеяние света при прохождении через
мутные растворы. Коллоидные растворы тоже меня заинтересовали, и я буду
просить у вас каких-либо практических указаний о получении чистых
коллоидных растворов.
Скоро Тиндаль имел в своем распоряжении очищенные путем диализа
коллоидные растворы и начал свои опыты.
Тиндаль наполнил стеклянную ванну коричневым раствором золя
гидроокиси железа. Раствор был совершенно прозрачным и не отличался по
цвету от раствора дихромата калия, например. Плотным экраном Тиндаль
прикрыл лампу. Только тонкий пучок лучей пробивался через небольшое
отверстие в центре экрана. Профессор направил эти лучи на ванну с
коллоидным раствором. Вместо ожидаемого четко ограниченного пятна на экране
появился размытый, неясноочерченный светлый круг. Тиндаль был поражен.
Прошло несколько минут, а он все не мог оторваться от этой красоты, как
будто в ванну было погружено какое-то тело, излучающее свет. Лучи входили в
раствор, образуя круг небольшого диаметра, который постепенно увеличивался
к противоположной стене ванны, образуя светящийся конус.
Эта история об открытии известного в науке эффекта Тиндаля.
Результаты опытов подтвердили его первоначальные наблюдения. Попадая в
коллоидный раствор пучок лучей рассеивался, образуя светящийся конус.
В 1899 г. английский физик Джон Вильям Рэлэй нашел объяснение
двойному цвету коллоидных растворов и вывел формулу, которая представляла
собой закон рассеивания света.
Белый свет состоит из лучей разной длинны волн: от синих – с
наименьшей длинной волн, до красных – с наибольшей длинной. Когда сложный
световой луч встречается с маленькой коллоидной частицей, красные лучи не
изменяются, а продолжают свой путь, потому, что длинна их волн на много
больше размеров частицы. А для синих лучей эта же частица является
непреодолимым препятствием, потому, что ее размеры больше длинны волн синих
лучей. Поэтому синие лучи отражаются от коллоидных частиц. Это приводит к
обогащению проходящего через раствор света красными лучами и к отражению
синих лучей.
В курсе химии средней школы с коллоидными растворами школьники
встречаются в 11-ом классе при обобщении знаний по теме «Растворы», но на
более высоком уровне [25].
Авторы отмечают, что коллоидные растворы имеют размер от 1 до 100 нм
и относятся к тонкодисперсным системам (например, раствор яичного белка в
воде). Они прозрачны, отдельные частицы обнаруживаются только при помощи
ультрамикроскопа, осаждаю
| |  скачать работу |
Научные основы школьного курса химии. методика изучения растворов |
