Открытое заседание химического кружка "Алхимик"

Тамбовское областное государственное бюджетное
образовательное учреждение
среднего профессионального образования
"Котовский индустриальный техникум"
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
НА ТЕМУ:
Открытое заседание химического кружка
"Алхимик"
Город Котовск
2012 год
ЦЕЛИ:
1. Закрепить знания по теме "Растворы".
2. Показать роль русских и зарубежных ученых в развитии теории
растворов.
3. Показать связь изученного материала с практикой.
4. Развитие интереса к изучаемому предмету.
ОФОРМЛЕНИЕ КАБИНЕТА:
Стенд "В мире растворов".
Название портов и кораблей для участников викторины.
Плакат "Практике наука путь открывает, практика науке пищу дает!"
ДИДАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ:
Таблицы растворимости, ПСХЭ, калькуляторы, карточки с индивидуальными
заданиями, реактивы, пробирки, катиониты и аниониты,
ТСО:
Мультимедийный проектор (слайды)
План занятия.
1. Вступительное слово руководителя кружка.
2. Ионный обмен и его применение.
3. Викторина "Путешествие в страну растворов".
Вступительное слово руководителя кружка (постановка цели, значение
I.
темы и т.д.).
Растворы широко применяются в различных сферах деятельности
человека. Они имеют большое значение для живых организмов. Человек,
животные и растения усваивают питательные вещества в виде растворов.
Сложные физико-химические процессы в организмах человека и животных
протекают в растворах. Природная и минеральная вода являются растворами.
В различных производственных и биологических процессах большую
роль играют растворы электролитов. Свойства этих растворов объясняет теория
электролитической диссоциации. Знание ТЭД является основой для изучения
свойств неорганических и органических соединений, для глубокого понимания
химических реакций в растворах электролитов.
II.
Выступления членов кружка.
Краткое содержание выступлений.
1. Ионный обмен
Впервые ионный обмен при очистке воды был использован в 1903 г. Для
разделения и очистки веществ русским ботаником М.С.Цветом, создавшим
новый вид химического анализа, названный хроматографическим, с помощью
которого он выяснил состав хлорофилла. Историю ионитов можно начинать с
работ этого ученого.
Очень большая заслуга в деле создания ионитов принадлежит выдающемуся
советскому почвоведу К.К.Гедройцу, впервые объяснившему, как происходит
ионный обмен в почвах. Созданная им и другими учеными теория позволила
начать изготовление первых искусственных ионитов для промышленности
вначале из торфа и каменного угля, а потом и из алюмосиликатов. Открытие
способов получения синтетических смол позволило сделать следующий шаг—
перейти к созданию ионообменных смол—ионитов.
Как видно из этой исторической справки, своими успехами в этой области
наука и техника обязаны в первую очередь трудам русских ученых.
2. Иониты – что это такое?
Кто же создал эти чудесные смолы, которые дают возможность науке и
технике успешно решать все новые и новые задачи?
Можно ли очищать воду от растворѐнных в ней солей фильтрованием без
перегонки?
«Конечно, нет! — скажете вы.—Фильтрованием можно очищать
жидкости только от нерастворимых примесей. Сколько ни фильтруй, например,
солѐную воду, дистиллированной от этого она не станет!»С давних пор в этом
были убеждены все, пока не появились синтетические смолы, названные
ионообменными, или ионитами.(демонстрация ионитов)
Иониты — твѐрдый зернистый материал, в Зависимости от вида могут
быть окрашены в тѐмный или светлый цвет, обладают способностью набухать в
воде. Если взять прибор из двух стеклянных трубок, наполненных такими
зѐрнами, и пропускать через них солѐную воду, то в подставленный стакан
будет стекать совершенно безвкусная и прозрачная жидкость.
Как
же
можно
объяснить
это
превращение
солѐной
воды
в
дистиллированную с помощью фильтрования?
Растворение — явление более сложное, чем представляется на первый
взгляд. Молекулы многих веществ при растворении в воде распадаются
(диссоциируют) на электрически заряженные частицы — ионы. Одни из них
оказываются положительно заряженными и называются катионами, другие —
отрицательно
заряженными
и
называются
анионами.
Например,
при
растворении поваренной соли в воде образуются катионы натрия —
положительно заряженные частицы натрия Na+ и анионы — отрицательно
заряженные кислотные остатки соляной кислоты С1- . Процесс диссоциации
поваренной соли, происходящий при этом, можно записать так:
NaCl ↔Na+ + Сl-
Иониты, попадая в воду, тоже подвергаются диссоциации. Одни из них
образуют очень сложные анионы , кроме того, катионы водорода Н+ . Эти
иониты называются катионитами. Другие, диссоциируя, образуют очень
сложные катионы и, кроме того, анионы ОН- , т. е. отрицательно заряженные
гидроксильные группы. Эти иониты называются анионитами.
Секрет действия ионитов на растворы солей и других веществ состоит в
том, что они могут поглощать из растворов этих веществ образуемые ими
ионы, а вместо них отдавать, например, ионы водорода Н+ и гидроксильных
групп ОН- .
При прохождении солѐной воды через первую трубку прибора в
приведѐнном выше примере находящийся в ней катионит поглощает из воды
ионы натрия Na+, а вместо них отдаѐт ионы водорода Н+. Анионит же,
помещѐнный во второй трубке, поглощает из солѐной воды кислотные остатки
соляной кислоты С1- и отдаѐт ионы ОН- . Солѐная вода в результате такого
обмена нонами очищается от поваренной соли и становится такой же чистой,
как дистиллированная.
Достоинство ионитов заключается в том, что их можно многократно
использовать и активность при этом почти не изменяется. Это достигается тем,
что насыщенный поглощѐнными ионами катионит промывают слабыми растворами минеральных кислот (или солей), аниониты — растворами едких
щелочей с последующей промывкой водой.
III.
Викторина "Путешествие в страну растворов"
( по материалам презентации)
Мы отправляемся в страну растворов на 4-х кораблях (4 команды по 4
человека): Бригантина, Фрегат, Крейсер и Парусник. В каждом порту мы будем
знакомиться с его достопримечательностями и в конце путешествия вернемся в
наш родной порт "КИТ". Счастливого плавания!
Порт "История"
1. Сванте Аррениус
Сванте-Август Аррениус родился 19 февраля 1859 года в
старинном шведском городе Упсале. В гимназии он был
одним из лучших учеников, особенно легко ему давалось
изучение физики и математики.
В 1876 году юноша был принят в Упсальский университет.
И уже через два года (на шесть месяцев раньше срока) он
сдал экзамен на степень кандидата философии.
Однако впоследствии он жаловался, что обучение в университете велось по
устаревшим схемам: например, "нельзя было услышать ни единого слова о
менделеевской системе, а ведь ей было уже больше десяти лет"…
Хотя Сванте Аррениус по образованию - физик, он знаменит своими
химическими исследованиями и стал одним из основателей новой науки физической химии. Больше всего он занимался изучением поведения
электролитов в растворах, а также исследованием скорости химических
реакций.
Работы Аррениуса долгое время не признавали его соотечественники, и
только когда его выводы получили высокую оценку в Германии и Франции, он
был
избран
в
Шведскую
академию
наук.
За
разработку
теории
электролитической диссоциации Аррениусу была присуждена Нобелевская
премия1903года.
Веселый и добродушный великан Сванте Аррениус, настоящий "сын
шведской сельской местности", всегда был душой общества, располагал к себе
коллег и просто знакомых. Он был дважды женат; его двух сыновей звали Олаф
и Свен. Он получил широкую известность не только как физикохимик, но и
автор множества учебников, научно-популярных и просто популярных статей и
книг
по
геофизике,
астрономии,
биологии
и
медицине.
Но путь к мировому признанию для Аррениуса-химика был совсем не прост.
У теории электролитической диссоциации в ученом мире были очень серьезные
противники. Так, Д. И. Менделеев резко критиковал не только саму идею
Аррениуса о диссоциации, но и чисто "физический" подход к пониманию
природы растворов, не учитывающий химических взаимодействий между
растворенным веществом и растворителем. Сам он считал процесс растворения
физико-химическим.
Впоследствии выяснилось, что и Аррениус, и Менделеев были каждый посвоему правы, и их взгляды, дополняя друг друга, составили основу новой протонной - теории кислот и оснований.
2. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907 г)
Работы
Д.И.Менделеева
относятся
ко
многим
разделам химии. Это периодический закон и ПСХЭ,
уравнение состояния идеального газа. Но большой
вклад
Д.И.Менделеев
внес
в
развитие
теории
гидратации, впервые развивший в 1865-1887 гг.
представления
о
взаимодействии
растворенного
вещества с растворителем.
3. Вильгельм-Фридрих Оствальд (1853-1932)
Немецкий физикохимик Вильгельм-Фридрих Оствальд
(1853-1932), сын немецкого бондаря, выходца из России,
родился в Риге. Там же он учился в университете и начинал
работать в должности профессора. В 1888 году он принял
немецкое гражданство и переехал в Лейпциг, где тоже
преподавал в университете и возглавлял Физикохимический институт.
Десятью годами раньше Оствальд женился на племяннице своего знакомого доктора Райера. Вильгельм и и Элен прожили всю жизнь счастливо, у них
родились три сына и две дочери. Одна из них, Грета, в 1953 году написала
книгу о своем знаменитом отце, и описала там многие его чудачества.
В возрасте сорока лет Оствальд имел весьма эффектную внешность:
совершенно седые волосы, высокий лоб, огненно-рыжие борода и усы, живые
выразительные глаза… Оствальд испытывал отвращение к примерке одежды и
обуви, стрижке волос, не терпел зубных врачей и никогда не лечил зубов, а с
секретарем
общался
с
помощью
велосипедного
звонка,
который
собственноручно установил на двери своего кабинета. Свои статьи, записки и
письменные поручения он складывал в корзину, выставлял за дверь и звонил.
Секретарь забирал корзину в свою комнату и выполнял работу, а потом
возвращал
корзину
на
место.
С 1906 года, оставив государственную службу, Оствальд поселился с семьей
на даче в Гроссботене близ Лейпцига. Там он организовал свою лабораторию
"Энергия",
где
и
продолжил
физико-химические
исследования.
Вильгельм Оствальд изучил законы химического равновесия, в том числе в
растворах, занимался электрическими свойствами растворов и открыл "закон
разбавления", названный его именем. Оствальд основал первую в мире
кафедру физической химии в Лейпцигском университете, много занимался
историей химии, переводом и изданием редких книг выдающихся химиков
мира. Ему была присуждена Нобелевская премия по химии за 1909 год.
4. Иван Алексеевич Каблуков (1857-1940 г.)
Теория гидратации была разработана молодым тогда
русским ученым Иваном Алексеевичем Каблуковым,
впоследствии знаменитым химиком. В 1891 г. Он
впервые высказал предположение, что в растворе
происходит гидратация ионов растворенного вещества
и образуются «непрочные соединения». Это дополняло
представления Аррениуса, который считал, что никакого
взаимодействия между растворителем и веществом не
происходит и что молекулы распадаются на свободные ионы.
Итак,
в
водных
растворах
сначала
гидратированные
молекулы
растворенного вещества распадаются на ионы, которые в свою очередь тоже
гидратируются. Каждому иону соответствует определенное число молекул
гидратной воды, причем катионы гидратируются в большей степени, чем
анионы;к примеру: медный купорос содержит пять молекул воды—из них
четыре связаны с катиокатионом меди и одна—с анионом SO42- (CuSO4 ·5H2O);
железный купорос: шесть молекул воды из семи находятся у катиона железа, а
одна у сульфат-аниона (FeSO4 ·7H2O).
Т.о. И.А.Каблуков объединил ТЭД Аррениуса с гидратной теорией
растворов Д.И.Менделеева.
Порт "Всезнайка"
(конкурс капитанов)
Задание №1.
Прочитайте описание действий ученика и представьте эту информацию в виде
уравнений реакций в молекулярном и ионном виде.
Выполняя практическую работу, ученик прилил к раствору карбоната
калия раствор хлорида кальция, затем последовательно добавлял в эту
пробирку соляную кислоту, растворы нитрата серебра, сульфата железа (III)
и гидроксида натрия. Потом он попытался понять, что же у него в пробирке?
Какие вещества оказались в пробирке?
Напишите уравнения соответствующих реакций.
Задание №2.
В конце ХIХ века молодые ученые И.А.Каблуков и, независимо от него,
В.А Кистяковский пришли к выводу, что ионы при движении увлекают с собой
некоторое количество воды, и чем меньше радиус иона, тем большее
количество воды он может удержать вокруг себя, следовательно его размеры
увеличиваются. Как называется явление, которое описали Каблуков и
Кистяковский?
Порт "Математическая экспертиза"
Задача №1.
Для соления огурцов применяют 5%-ный раствор поваренной соли.
Определите массы соли и воды, которые надо взять для приготовления 50 кг
этого раствора.
Задача № 2.
Для покрытия деталей слоем меди путем электролиза готовят раствор
медного купороса: 60 г купороса растворяют в 1 л воды. Вычислите массовую
долю вещества в растворе.
Задача №3.
Для подкормки комнатных растений применяют 0,2%-ный раствор
натриевой селитры. Определите массу данного вещества, которую нужно взять
для приготовления 5 кг раствора.
Порт "Незнайкины вопросы"
1.Лампочка прибора для определения электропроводности загорится, если
электроды поместить
1. в воду
2. в гидроксид меди (II)
3. в азот
4. в расплав хлорида калия.
2.Вклад Аррениуса в науку заключается в том, что он
а) сформулировал основные положения теории электролитической
диссоциации
б) выдвинул идею о гидратации ионов в растворе
в)экспериментально определил размер некоторых ионов в растворе.
3. Гидратация – это
а) процесс растворения вещества в воде
б) реакция обмена, в которой участвует вода
в) взаимодействие атомов или ионов с молекулами воды.
4. Вклад Д.И.Менделеева в науку о растворах заключается в том, что он
а) сформулировал основные положения теории электролитической
диссоциации
б) открыл химическую сущность процесса растворения
в) выдвинул идею о гидратации ионов в растворе
г) объединил теорию растворов с представлениями об электролитической
диссоциации.
5. Кристаллогидратами называют твердые вещества
а) в состав которых входит химически связанная вода
б) растворимые в воде
в)реагирующие с водой
6. Верно утверждение
а) анионы движутся в растворе хаотично
б) анионы заряжены отрицательно
в) анионы не имеют заряда
7. Не могут находиться в растворе одновременно ионы
а) Н+ и SO42б) Ва2+ и SO42в) Н+ и NO3г) Na+ и SO428. Выражение "Степень диссоциации кислоты равна 25% " означает, что
а) 25% всех молекул кислоты не диссоцирует на ионы
б) 25% всех молекул диссоциирует на ионы
в) 25% всех частиц в растворе – молекулы
9.Больше всего ионов образуется при диссоциации вещества, формула которого
а) СаСl2
б) HCl
в) Al2 (SO4)3
г) H2SO4
10. Правильное уравнение диссоциации азотной кислоты записано в пункте
а) HNO3 = H+ + 3NOб) HNO3 = H- + NO3+
в) HNO3 = H+ + NO3г) HNO3 = H+ + NO311. Хлорид-ион можно обнаружить в растворе после добавления к воде
вещества, формула которого
а) BaCl2
б) AgNO3
в) H2S
г) HNO3
12. С образование осадка реагируют между собой растворы веществ
а) Fe(OH)3 и HCl
б) Na2SO4 и ВаCl2
в) FeCl3 и AgNO3
г) K2CO3 и HCl
ОТВЕТЫ: 1.- Б; 4. - Г; 7. - Б; 10. - В;
2. -Б; 5. - А; 8. - В; 11.- Б;
3. -В; 6. - Б; 9. - В; 12.- Б.
Порт "Экспериментальный"
Задание №1.
Даны реактивы: растворы сульфата меди (II), гидроксида натрия, хлорида
бария, серной кислоты, хлорида железа (III). Используя выданные вам
вещества, получите:
а) три осадка – голубой, белый и бурый;
Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.
Задание №2.
Даны реактивы: соляная кислота, растворы сульфата меди (II), гидроксида
натрия, хлорида бария, серной кислоты, фенолфталеина. Используя выданные
вам вещества, получите:
а) бесцветный раствор – раствор малинового цвета – бесцветный раствор –
осадок белого цвета;
Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.
Порт "Иониты"
Есть такое выражение: "Практике науке путь освещает, практика науке
пищу дает". Ни одно изобретение, ни один закон не имели бы значения, если
бы они не нашли свое применение в практике, в нашей жизни. Где же
применяется ионный обмен? Выступления членов кружка.
Применение ионитов
Очищенная
1.
ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИЯ ВОДЫ
от растворѐнных солей (деминерализованная)
вода
необходима не только для лабораторий и аптек. Огромные количества еѐ
потребляются
для
получения
различных
веществ
в
химической
промышленности. Она употребляется для зарядки аккумуляторов, для никелирования и хромирования металлических изделий, в фотографии и в
кинопромышленности и для многих других целей. Получение еѐ с помощью
ионитов обходится значительно дешевле, чем в перегонных аппаратах.
По-иному будет решѐн вопрос о воде для паровых котлов. Современная
крупная теплоэлектростанция расходует до 1 500 000 м3 воды в сутки. Если
питать паровые котлы водой, в 1
3
M'
которой содержится всего 10—15 г солей
кальция и магния, в котлах образовывалось бы ежедневно 15—20 т накипи. В
течение нескольких дней они бы вышли из строя.
В паровые котлы следовало бы заливать воду, вовсе не содержащую
каких-либо примесей, особенно солей кальция и магния. А где еѐ взять? Нельзя
же получать еѐ в таких огромных количествах для производства дешѐвого пара
при помощи дорогостоящей перегонки! Поэтому воду для паровых котлов
обычно не перегоняют, а лишь «умягчают» содой и щѐлочью, а в больших
водоочистительных установках — при помощи пермутитов — искусственно
приготовленных сплавов каолина, кварца и соды. При прохождении жѐсткой
воды через слой пермутита содержащиеся в ней соли кальция и магния
поглощаются и заменяются солями натрия или калия, которые не образуют
накипи на стенках котлов. Но и эти соли в воде для паровых котлов тоже
нежелательны, так как они постепенно разъедают стенки котлов и этим
сокращают сроки их службы.
С помощью ионитов можно получать неограниченные количества воды,
полностью очищенной от солей и достаточно дешѐвой и для паросиловых
установок.
Интерес представляет использование ионитов и для опреснения морской
воды. Например, спасаясь с тонущего корабля, экипаж его не всегда может
захватить с собой в шлюпки необходимое количество пресной воды, тем более
громоздкий перегонный куб и топливо для него. Небольшой по размеру и весу
опреснитель с ионитами можно поместить в любую шлюпку. Коробочку с
порошком ионитов может иметь при себе каждый матрос и пассажир. Если в
кружку с морской водой высыпать немного этого порошка, она вскоре станет
вполне пригодной для питья.
2.
ИОНИТЫ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Способность ионитов очищать растворы от солей без изменения качеств
изучаемого продукта находит всѐ более широкое применение и в сахарной
промышленности. В извлекаемом из сахарной свѐклы соке, кроме сахара,
содержатся
и
соли,
ухудшающие
качество
получаемого
сахара.
Деминерализация этого сока с помощью ионитов значительно упрощает
производство сахара и даѐт возможность улучшить качество и сахара, и
сахарной патоки.
Ещѐ не так давно необходимую для пищевой промышленности лимонную
кислоту получали только из сока лимонов, ц она обходилась очень дорого. И
сейчас получают еѐ из сахара довольно дорогим способом. В то же время
содержащаяся в отходах винной и консервной промышленности лимонная
кислота не извлекалась и терялась безвозвратно. Извлекать же еѐ известными
уже способами обходилось бы слишком дорого. А опыты показали, что из этих
отходов с помощью ионитов можно легко и выгодно получать не только
лимонную, но и винную и аскорбиновую (витамин С) кислоты.
3.
СЕРЕБРО ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
В фотолабораториях и на кинофабриках в промывные воды попадает
много
серебра.
Улавливать
его
известными
техническими
способами
невыгодно, поэтому оно обычно теряется безвозвратно. На других заводах и
фабриках в сточные воды попадают и теряются медь, хром, никель и многие
другие ценные вещества. В одну только Волгу ежегодно сбрасывается около 3
млн. м3 сточных вод. А сколько сбрасывается их во все водоѐмы страны?!
Произведѐнные испытания показали, что с помощью ионитов можно не
только хорошо очищать и обезвреживать сточные воды, но и извлекать из них и
возвращать промышленности многие ценные вещества. Серебро, например, уже
начали получать не только из серебряных руд, но и ... из сточных вод. В
недалѐком будущем мощные, экономически выгодные водоочистительные
установки с ионитами не только положат конец загрязнению водоѐмов, но и
будут возвращать стране огромные количества разнообразных ценных веществ.
IV.
Подведение итогов. Награждение победителей
V.
Заключительное слово учителя.