Лабораторный практикум по курсу химии для технических университетов. Часть 1 / lab_met_part1.doc

Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КУРСУ ХИМИИ

ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УНИВЕРСИТЕТОВ

ЧАСТЬ I

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2004г.

Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КУРСУ ХИМИИ

ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УНИВЕРСИТЕТОВ

Методические указания к лабораторным работам

по курсу общей химии для технических университетов

Под редакцией

Проф. Г.Н. Фадеева

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2004

СОДЕРЖАНИЕ

Методические указания к лабораторным работам

по курсу общей химии для технических университетов

ЧАСТЬ I

Методика проведения лабораторного практикума по химии

Блок-модуль № 1

Лабораторная работа №1. Определение молярной массы эквивалента металла объёмным методом.

Лабораторная работа №2. Определение точной концентрации растворов титриметрическим методом.

Лабораторная работа №3. Окислительно-восстановительные реакции.

Блок-модуль № 2

Лабораторная работа №4. Кинетика гомогенных реакций.

Лабораторная работа №5. Кинетика гетерогенных реакций.

Лабораторная работа №6. Каталитические реакции.

Блок-модуль № 3

Лабораторная работа №7. Растворы электролитов.

Лабораторная работа №8. Химическое равновесие.

Методические указания к лабораторным работам

по курсу общей химии для технических университетов

ЧАСТЬ II

Блок-модуль № 1

Лабораторная работа №1. Свойства s-металлов. Жесткость воды.

Лабораторная работа №2. Свойства p-элементов.

Блок-модуль № 2

Лабораторная работа №3. Свойства d-элементов. 1-я часть

Лабораторная работа №4. Свойства d-элементов. 2-я часть

Блок-модуль №3

Лабораторная работа №5. Коррозия металлов и сплавов.

Лабораторная работа №6. Защита металлов от коррозии.

Блок-модуль № 4

Лабораторная работа №7. Гальванические элементы.

Лабораторная работа №8. Электролиз.

УДК 541 (075.8)

ББК 24.1

Г67

Рецензент - к.х.н. доцент Шаповал В.Н.

Г67. Лабораторный практикум по курсу химии для технических университетов -М.:Изд-воМГТУим.Н.Э. Баумана, 2003, -00 с., 00 ил.

Ответственный редактор-составитель проф. Г.Н. Фадеев

Авторы: Березина С.Л., Голубев А. М., Горшкова В.М., Горячева В.Н., Двуличанская Н.Н., Елисеева Н.М., Ермолаева В.И., Машьянов М.Н., Овчаренко Л.П., Погромская Н.Н., Татьянина И.В., Фадеев Г.Н., Хмарцева Л.П.

Лабораторный практикум по курсу химии для технических университетов включает экспериментальные работы, выполняемые студентами всех факультетов при изучении химии на первом курсе Московского технического университета им. Н.Э. Баумана.

Проводимые исследования охватывают основные разделы курса и знакомят студентов с основными законами химии и прививают им навыки исследовательской экспериментальной работы.

Следует обратить внимание на предварительную подготовку к лабораторной работе, заполнению лабораторного журнала и самостоятельной работе по самоконтролю, заключающемуся в письменном ответе на вопросы, относящиеся к пониманию и выполнению лабораторной работы.

Рекомендован для студентов приборостроительных, машиностроительных и других родственных специальностей технических университетов.

Авторы лабораторного практикума

по курсу химии для технических университетов

Часть 1

Бадаев Ф.З.,

Березина С.Л.,

Голубев А. М.,

Горшкова В.М.,

Горячева В.Н.,

Гуров А.А.,

Двуличанская Н.Н.,

Елисеева Н.М.,

Ермолаева В.И.,

Машьянов М.Н.,

Погромская Н.Н.

Овчаренко Л.П.,

Татьянина И.В.,

Фадеев Г.Н.,

Хмарцева Л.А.

Методика проведения лабораторного практикума по химии

На кафедре химии МГТУ им. Н.Э.Баумана принята рейтинговая система баллов. Во-первых, такая система, позволяет студентам постоянно контролировать результаты своих усилий. Во-вторых, стимулирует ритмичную работу в течение всего семестра и всего курса обучения химии. В-третьих, делает открытым процесс получения оценки. В-четвертых, облегчает трудности обучения, помогает равномерно и добросовестно работающим студентам получить зачет сразу по окончании лабораторного практикума и даже экзаменационную оценку по окончании семестра.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии подготовленного лабораторного журнала, включающего название лабораторной работы, цель, краткие теоретические сведения, практическую часть (название опытов, таблицы и пр.) и ответы на предлагаемые вопросы.

Студент, не подготовившийся к выполнению лабораторной работы, готовится к ней во время занятия под наблюдением преподавателя и допускается к работе, если остается достаточно времени для ее выполнения. Если времени на выполнение лабораторной работы недостаточно, то студент направляется на отработку пропущенной работы в другую группу по расписанию работы преподавателя (или направляется в другую группу по договоренности с преподавателем). Сумма баллов, выделенная на подготовку работы, при этом снижается на 50%.

Студент выполняет лабораторную работу, внося в практическую часть отчета необходимые сведения: уравнения реакций, наблюдения, расчеты, графики, делает необходимые выводы. В конце занятия преподаватель оценивает работу определенной суммой баллов и ставит свою подпись.

Преподаватель в конце занятия выдает каждому студенту 3-4 индивидуальных задачи, решение которых студент представляет преподавателю на следующем занятии. Правильное решение задач оценивается определенной суммой баллов и засчитывается преподавателем как защита выполненной лабораторной работы.

Студенты, не защитившие лабораторные работы в срок и не набравшие необходимой суммы баллов, защищают все выполненные лабораторные работы на занятии, выделенном как защита блока лабораторных работ. Студенты, уже защитившие часть лабораторных работ, защищают последнюю из выполненных работ. Защита выполненных лабораторных работ допускается не более двух раз и оценивается при этом минимальным количеством баллов.

Лабораторный практикум считается выполненным, если студент отработал и защитил все лабораторные работы, набрав при этом минимально необходимую сумму баллов.

Химическая реакция при микрометоде проводится либо в микропробирке, либо на стеклянной пластине или специальном планшете.

При проведении реакции в микропробирке необходимое количество реактива вводится в пробирку по каплям с помощью капилляра или пипетки.

В случае необходимости (указано в опыте), перемешивание раствора производится легким встряхиванием пробирки, при этом не допускается разбрызгивания раствора.

Проведение реакций на стеклянной пластине предусматривает высушивание тщательно вымытой пластины для предотвращения растекания капель по ее поверхности.

При нанесении реактивов во избежание их загрязнения капилляр или кончик пипетки не должны касаться пластины или ранее нанесенных капель. Последовательность и количество наносимых капель указывается в опыте.

Реакция осуществляется путем простого совмещения капель всех реагентов. Перемешивание раствора при необходимости производится стеклянной палочкой в течение нескольких секунд до слияния капель.

Опыты могут выполняться на затемненной стеклянной пластине для лучшего наблюдения выпадения осадка (указано в опыте).

По окончании проведения опытов, указанных в практической части методического пособия, стеклянные пластины промываются водопроводной и дистиллированной водой и тщательно высушиваются.

Домашнее задание выдается студенту на 5-6 неделе и представляет индивидуальный набор задач. Номера выданных задач записываются преподавателем в лабораторный журнал.

Решение домашнего задания студентом выполняется в отдельной тонкой тетради или на отдельных листах, при этом на титульном листе указывается группа, ФИО студента и преподавателя, № варианта и №№ задач. Решение каждой задачи выполняется на отдельном листе с обязательным наличием условия задачи. Решение задачи должно быть подробным с подстановкой числовых данных и указанием размерности в ответе.

Полностью выполненное домашнее задание принимается на 12-14 неделе с обязательным собеседованием (защитой) и оценивается определенной суммой баллов. При неправильном первоначальном решении задач (незачете) домашнее задание возвращается студенту для доработки и в дальнейшем оценивается минимальной суммой баллов.

Студент допускается к зачету после выполнения лабораторного практикума и сдачи домашнего задания при условии набора определенной суммы баллов.

Зачет проводится в форме письменной работы, которая включает вопросы и задачи, соответствующие содержанию лабораторных работ и домашнего задания. Если студент выполнил зачетную работу не полностью, то он может получить зачет после собеседования с преподавателем или переписав зачетную работу повторно. Зачетная работа оценивается определенной суммой баллов.

Студент может получить зачет при определенной сумме баллов, набранной в семестре, без выполнения письменной работы, при этом к набранному им рейтингу прибавляется 2/3 от суммы баллов, выделенных на итоговую зачетную работу.

Рейтинг 1-ого семестра составляет 100 баллов, из них на лабораторные работы и домашнее задание отводится 60 баллов, зачетную работу - 40 баллов. Минимальная сумма допуска к зачетной работе - 36 баллов. Сумма баллов, дающая право получить зачет без написания письменной работы, составляет 55 баллов.

Рейтинг 2-ого семестра также составляет 100 баллов, из них на лабораторные работы отводится 60 баллов, домашнее задание или рубежный контроль - 40 баллов. Минимальная сумма допуска к экзамену составляет 70 баллов.

Студент может получить экзаменационную оценку досрочно, набрав определенную сумму баллов, которая определяется как среднее арифметическое рейтинга 1- и 2-ого семестров и составляет 95 баллов - «отлично» и 90 баллов - «хорошо».

Лабораторная работа № 1

Определение молярной массы эквивалента металла объемным методом

Цель работы: Усвоение понятий эквивалент, молярная масса эквивалента, расчет эквивалентов простых и сложных веществ, знакомство с простейшим экспериментальным методом определения эквивалента элемента.

Теоретическая часть

Немецкие химики Венцель и Рихтер установили (1793г.), что вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах.

Современная формулировка закона эквивалентов: массы реагирующих веществ относятся между собой как эквиваленты этих веществ

Эквивалент Э - условная химическая частица в Z раз меньшая соответствующей формульной единицы ФЕ вещества, участвующего в реакции. Под формульной единицей понимается химическая формула вещества. Для реакции:

2Al(OH)₃ + 3 H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6 H₂O

Формульное количество 2 моль 3 моль 1 моль 6 моль

Эквивалентное количество 6 моль 6 моль 6 моль 6 моль

Эквивалентное число Z 3 2 6 1

Фактор эквивалентности

f = 1/Z 1/3 1/2 1/6 1

По аналогии с молярной массой вещества M вводится понятие молярной массы эквивалента вещества M_экв:

M_экв = = f ·M .

Эквивалент может быть также определен как количество вещества, равноценное в химической реакции 1 молю атомов водорода или 1 молю электронов.

1 моль атомов водорода имеет молярную массу М ≈ 1 (точнее 1,008) г/моль; 1 моль электронов эквивалентен количеству электричества F, известному как число Фарадея:

q = 1,6·10¹⁹Кл·6,02·10²³моль = 96484 Кл/моль = F.

Эквивалентное число Z численно равно валентности элемента для простого вещества или сумме степеней окисления катиона или аниона (по модулю) для сложного вещества.

Примеры расчета эквивалентов веществ.

а) Fe + H₂SO_{4 (разб.)} = FeSO₄ + H₂;

б) 2Fe +6H₂SO_{4 (конц.)} = Fe₂(SO₄)₃ +3 SO₂ + 6H₂O.

Для реакции (а) Fe - 2e = Fe⁺² и эквивалентное число Z=2. Эквивалент железа равен Э = ½ ФЕ, молярная масса эквивалента железа равна

М_экв = ½ М = 55,85 : 2 = 27,925 г/моль.

Для реакции (б) Fe - 3e = Fe⁺³ и эквивалентное число Z=3. Эквивалент железа равен Э = ⅓ ФЕ, молярная масса эквивалента железа равна

М_экв = ⅓ М = 55,85 : 3 = 18,617 г/моль.

Для кислоты эквивалентное число определяется количеством ионов водорода, замещающихся ионами металла, т.е. основностью кислоты:

а) H₃PO₄ + NaOH = NaH₂PO₄ + H₂O, Z(H₃PO₄) =1

б) H₃PO₄ + 2 NaOH = Na₂HPO₄ + 2H₂O, Z(H₃PO₄) =2

в) H₃PO₄ + 3 NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O, Z(H₃PO₄) =3

Для основания эквивалентное число определяется количеством ионов гидроксида, замещающихся анионами кислоты, т.е. кислотностью основания:

а) Al(OH)₃ + HCl = Al(OH)₂Cl + H₂O, Z [Al(OH)₃] = 1

б) Al(OH)₃ + 2HCl = Al(OH)Cl₂ + 2H₂O, Z [Al(OH)₃] = 2

в) Al(OH)₃ + 3HCl = Al(OH)₃ + 3H₂O, Z [Al(OH)₃] = 3

Для соли эквивалентное число определяется произведением валентности (степени окисления) катиона (или аниона по модулю) n на количество катионов (или анионов) m: Z = n·m

а) NaCl , Z =1·1=1; б) Na₂SO₄ , Z = 1·2=2; в) Al₂(SO₄)₃, Z=3·2=6;

г) Na[HSO₄], Z=1·1=1; д) [Al(OH)]Cl₂, Z=2·1=2;

e) [Cu(NH₃)₄](OH)₂, Z=2·1=2.

Эквивалентное число окислителя и восстановителя в окислительно-восстановительной реакции определяется количеством принятых или отданных электронов.

3 H₂S + K₂Cr₂O₇ + 4 H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3 S + K₂SO₄ + 7 H₂O

восстановитель: H₂S - 2e = S + 2H⁺, Z = 2, М_экв = ==17 г/моль;

окислитель: Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6e = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O, Z = 6,

М_экв = == 35,99 ≈ 36 г/моль

Экспериментально эквивалент элемента может быть определен химическим путем - определением количества присоединяемого или замещаемого элементом водорода, кислорода или другого элемента, эквивалент которого известен, или электрохимическим путем на основании закона Фарадея, согласно которому при прохождении 96494 Кл электричества через раствор электролита на электродах превращается один эквивалент вещества.

В данной работе использован наиболее простой и доступный способ определения эквивалента активного металла, основанный на измерении объема водорода при реакции вытеснения его из раствора соляной кислоты:

Me + n HCl = MeCl_n + H₂

Согласно закону эквивалентов, один эквивалент металла вытесняет один эквивалент водорода, имеющий молярную массу эквивалента 1 г/моль.

Используя закон Авогадро, можно определить объем, который занимает один эквивалент водорода при определенных физических условиях. При нормальных физических условиях ( р = 1,013·10⁵ Па или р=760 мм рт. ст., Т= 298 К ) 1 моль водорода, имеющий массу 2 г/моль, занимает объем

V = 22,4 л, тогда 1 моль эквивалента водорода, имеющий массу 1 г/моль, должен занимать объем V_экв = 11,2 л. Таким способом можно рассчитать эквивалентный объем любого газа при нормальных условиях.

Вопросы для предварительной подготовки лабораторной работы

а) Fe₂O₃,б) HClO₄ , в) NaHS, г) MgOHCl, д) Ca(OH)₂.

а) соль; б) окислитель, превращающийся в MnO(OH)₂ ;

в) окислитель, превращающийся в MnSO₄.

газообразного вещества: а) кислорода, б) хлора; в) углекислого газа?

углерода (II), который потребуется для восстановления железа из 1 кг

оксида железа (III) при нормальных условиях.

Практическая часть

1. Описание прибора.

Определение молярной массы эквивалента металла выполняется на приборе, изображенном на рисунке. Прибор состоит из штатива (1), на котором закреплены бюретки (2) и (3), соединенные шлангом. Бюретки имеет поперечное сечение, равное 1 см², и градуированы с точностью 0,1 см, причем нулевая отметка находится в верхней части бюретки. К бюретке (3) при помощи стеклянных трубок, соединенных резиновым шлангом (4), присоединена пробирка (5) с отводной трубкой (6). Бюретки заполнены водой, пробирка (5) - концентрированной соляной кислотой. В отводную трубку помещают образец металла с известной массой и , переводя пробирку из положения (6) в положение (7), сбрасывают металл в кислоту. При взаимодействии металла с кислотой в пробирке (5) выделяется водород, который, поступая в бюретку (3), вытесняет воду из нее в бюретку (2). Измерения проводят при одинаковом положении уровней воды в обеих бюретках, что определяет одинаковое давление.