Изучение химии в Саратовском железнодорожном техникуме

Химия как учебный предмет изучается в техникуме в рамках реализации полного общего среднего образования и в качестве базовой дисциплины для лучшего усвоения специальных дисциплин.

В соответствии с этим изучаемые темы рассматриваются нами в виде трех модулей: теоретический материал, учебный химический эксперимент и прикладное значение изучаемого материала в железнодорожном хозяйстве. Последний модуль, как показали наши исследования настолько мощно мотивируют студентов к изучению химии, что знания, полученные при изучении предмета, действительно становятся существенной базой для более осознанного восприятия тех разделов специальных дисциплин, которые имеют тесные межпредметные связи с химией.

Рассмотрим это на примере темы "Теория электролитической диссоциации" в виде краткого изложения всех модулей.

Модуль I. Теоретическая часть. В теоретической части (в связи с ограничением объема статьи здесь не приводится) студенты углубляют ранее полученные знания и усваивают новые понятия темы. Важнейшие из них: электролитическая диссоциация, ее механизм и степень диссоциации; электролиты и их классификация; реакции ионного обмена; гидролиз солей; окислительно-восстановительные реакции, их классификация и методика установления коэффициентов в уравнении; электролиз, законы электролиза.

Модуль II. Экспериментальная часть. Для проведения эксперимента по теме необходим прибор для определения электропроводимости веществ (ПЭВ). К сожалению, приборы заводского изготовления небезопасны в эксплуатации из-за возможности поражения электрическим током. Поэтому лучше изготовить самодельные приборы по следующим схемам.

1. Прибор для регистрации электропроводности веществ с помощью измерительной шкалы. <Рисунок 1>.

Рисунок 1

2. Более простым прибором для регистрации электропроводности веществ является прибор с чувствительным светодиодом <Рисунок 2> .

Рисунок 2

Прибор позволяет вещества разделить на электролиты, то есть проводящие электрический ток и неэлектролиты - непроводящие электрический ток. При помещении электродов в исследуемый раствор электролита загорается лампочка, не загорается - неэлектролит. Недостаток этого прибора в том, что он не способен дифференцировать сильные или слабые электролиты.

3. При отсутствии светодиода можно воспользоваться в качестве индикатора электрической проводимости лампочкой на 6-12 вольт (прибор III) <Рисунок 3>. Лучший эффект наглядности могут дать приборы, позволяющие одновременно определять электропроводность нескольких веществ (растворов) – приборы IV <Рисунок 4>и V<Рисунок 5>.

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Приборы лучше всего для обеспечения полной безопасности работы с ними подключать к источнику тока 6-12 вольт; в соответствие с этим подбирают лампочку. Вместе с лампочкой можно подключить в схему электроизмерительный прибор. При отсутствии в лаборатории понижающего трансформатора можно в качестве источника использовать электробатарейки, к которым подбираются лампочки. Не исключается возможность изготовления ПЭВ и под сеть напряжением 220 вольт, однако в этом случае следует особо неукоснительно соблюдать правила техники безопасности; допускать студентов до работы в этом случае категорически запрещается. После каждого тестирования электропроводности вещества электроды необходимо промывать водой и протирать насухо (обязательно при отключенном от сети приборе).

Практическая работа

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

Примечания.

1. Практическую работу студенты выполняют в течение 2-х часов половинным составом группы.

2. В тексте работы приняты условные обозначения:

  - Специальная информация для студентов-железнодорожников.

- Вопросы, тесты и упражнения.

Цель работы: С помощью эксперимента закрепить знания студентов по вопросам и понятиям теории электролитической диссоциации; отработать умения правильно обращаться с приборами и реактивами при проведении практической работы, соблюдая правила техники безопасности; показать практическое значение положений теории электролитической диссоциации на объектах железнодорожного хозяйства.

Реактивы и оборудование: соляная кислота (10%), серная кислота (5%), уксусная кислота (100%, 5%), фосфорная кислота (10%), калия гидроксид (10%), натрия гидроксид (10%), натрия хлорид (5%), натрия сульфат (5%), калия нитрат (тв.), калия хлорид (тв.), калия иодид (тв.), калия карбонат (тв.), алюминия хлорид (тв.), металлы (железо, алюминий и др.), неметаллы (графит, сера и др.), сложные вещества (пластмассы, древесина, стекло, сахар, поваренная соль и др.), водный раствор аммиака, этанол, ацетон, сахароза (10%), индикаторы, вода дистиллированная, вода водопроводная; прибор для определения электропроводности веществ (ПЭВ); железный штатив с зажимом и кольцом, стаканы, пробирки.

Выполнение работы

Опыт 1. Определение электропроводности твердых веществ. С помощью ПЭВ установите, проводят ли электрический ток неметаллы (сера, графит и др.), металлы (железо, алюминий и др.), сложные вещества (пластмассы, древесина, стекло, сахар, поваренная соль и др.). Оформите ваши наблюдения в виде таблицы и обсудите результаты эксперимента.

Опыт 2. Определение электропроводности воды и растворов. Определите с помощью ПЭВ, проводят ли электрический ток дистиллированная вода, водопроводная вода, водный раствор сахара, водный раствор иодида калия, ацетон, водный раствор ацетона, раствор иодида калия в ацетоне, ледяная уксусная кислота, водный раствор уксусной кислоты. Оформите ваши наблюдения в виде таблицы и обсудите результаты эксперимента в зависимости от природы растворенного вещества и полярности растворителя.

Таблица 1. Электропроводность веществ и растворов

Опыт 3. Определение электропроводности расплава. В фарфоровую чашку насыпьте сухой нитрат калия массой 20-30 г, установите на кольцо лабораторного штатива и нагрейте до плавления соли (334 °С). Проверьте электропроводность расплава, не дожидаясь разложения соли при дальнейшем ее нагревании. Вместо нитрата калия для данного опыта можно взять другие легкоплавкие вещества: NaOH (температура плавления 326 °С); NaNO₃ (307 °С); удобно воспользоваться некоторыми кристаллогидратами, которые при нагревании плавятся в кристаллизационной воде при весьма низких температурах: Na₂SO₃S•5H₂O (56 °С); Na₂SO₄•10H₂O (33 °С); различные квасцы и др.

Опыт 4. Зависимость электропроводности (степени диссоциации) от природы электролитов. Для опыта удобно воспользоваться ПЭВ для одновременного определения электропроводности нескольких веществ. Налейте в стаканчики растворы H₂SO₄, Н₃РО₄, Na₂SO₄, NН₃•H₂O одинаковой концентрации, проверьте их электропроводность, о которой можно судить (относительно) по яркости свечения лампочки. Однако лучший результат в обучении достигается при подключении к установке электроизмерительного прибора. Опишите результаты наблюдений и обсудите результаты эксперимента.

Опыт 5. Зависимость электропроводности (степени диссоциации) от концентрации электролита. Приготовьте два стакана с растворами слабого электролита (СН₃СООН, NH₃•H₂O или др.) и два стакана с растворами сильного электролита (H₂SO₄, NaOH, NaCl или др.) различной концентрации. Проверьте их электропроводность, как указано в опыте 4. Опишите результаты наблюдений и обсудите результаты эксперимента.

Опыт 6. Зависимость электропроводности (степени диссоциации) от температуры раствора электролита. Приготовьте два стакана с растворами слабого электролита (СН₃СООН, NH₃•H₂O или др.) и два стакана с растворами сильного электролита (H₂SO₄, NaOH, NaCl или др.) одинаковой концентрации. По одному стакану с раствором каждого электролита нагрейте до 60-70 °С. Проверьте электропроводность всех растворов, как указано в опыте 4. Опишите результаты наблюдений и обсудите результаты эксперимента.

Опыт 7. Движение ионов в электрическом поле. Стеклянное предметное стекло или пластмассовую пластинку размером 3х10 см обверните несколькими слоями фильтровальной бумаги. С помощью резиновых колечек прикрепите поперек пластинки на расстоянии 2 см два графитовых электрода (можно вынуть из круглых отработанных батареек). Подсоедините электроды к источнику постоянного тока напряжением 12-24 вольт. Обильно смочите фильтровальную бумагу между электродами раствором сульфата натрия (20 %).

Далее на бумагу между электродами положите 1-3 крупных кристаллов KMnO₄ или другой окрашенной соли. Включите ток и наблюдайте образование окрашенных в виде язычков зон, которые тянутся в сторону соответствующего электрода <Рисунок 6>.

Рисунок 6

Опыт 8. Гидролиз солей. Растворите в стаканчиках небольшие порции нитрата калия, карбоната калия, сульфата алюминия, карбоната аммония, сульфида алюминия. Наблюдаются ли внешние изменения при растворении этих веществ? Определите с помощью универсальных индикаторных бумажек величину рН растворов и сделайте соответствующие выводы. Запишите уравнения реакций гидролиза, где они имеют место:

Для установления зависимости гидролиза солей от температуры и концентрации проведите следующие опыты. Раствор ацетата натрия (2%) испытайте раствором фенолфталеина (1-2 капли). Отметьте цвет раствора при обычной температуре, затем при нагревании и последующем охлаждении.

По результатам всех опытов сделайте соответствующие выводы.

 Модуль III. Прикладное значение теории электролитической диссоциации. На объектах железнодорожного транспорта применяют многие электролиты – кислоты, основания и соли. Кроме того, различные электролиты перевозят по железной дороге в огромных количествах. Вот несколько примеров.

Соляная кислота (HCl) используется для травления (процесс удаления окалины с поверхности) металла; едкое вещество, относящееся к 8-му классу опасных грузов, на воздухе она дымит, раздражая верхние дыхательные пути и слизистую оболочку глаз. Хранят и перевозят в герметичной таре: полиэтиленовых бочках, стеклянных бутылях, упакованных в ивовые или полиэтиленовые корзины.

Серная кислота (H₂SO₄) применяется в составе электролита свинцовых аккумуляторов в тяговом подвижном составе. В местах хранения серной кислоты должны быть предупредительные знаки “Опасно”; “Кислота”. Хранят и перевозят в герметически закрытой таре из стали или спецстали (нержавеющей) и в стальных гуммированных емкостях. Аккумуляторную кислоту, кроме того, поставляют и хранят в стеклянных бутылях, упакованных в ивовые или полиэтиленовые корзины.

Гидроксид натрия (NaOH) и гидроксид калия (КOH) используют для химического обезжиривания поверхностей; токсичные вещества, относящиеся к 3 классу опасных грузов. Перевозят щелочи в емкостях из стали или стекла в крытых грузовых вагонах.

Тетраборат натрия (бура) (Na₂B₄O₇•10H₂O) применяется как дезинсекционное средство и флюс при термической обработке металла, пыль буры слаботоксична.

Бихромат калия (хромпик) (K₂Cr₂O₇) служит ингибитором в охлаждающих жидкостях систем дизелей с алюминиевыми блоками; токсичное вещество, относящееся к 1-му классу опасных грузов.

Нитрит натрия (NaNO₂) служит антикоррозионной добавкой к воде для охлаждения дизелей с чугунными блоками; ядовитое вещество; способствует самовозгоранию горючих материалов.

Фосфат натрия (Na₃PO₄ •12H₂O) обладает ингибирующими свойствами, поэтому его добавляют в воду, заполняющую систему охлаждения дизелей; обладает сильными щелочными свойствами; среднетоксичен, пожаро- и взрывобезопасен.

Кремнефтористый натрий (Na₂SiF₆) применяется в качестве антисептика для пропитки шпал; обладает высокой токсичностью.

Фторид натрия (NaF) применяют для антисептирования древесины внутренних конструкций железнодорожных объектов. Для защиты от огня их пропитывают хлоридом аммония (NH₄Cl), гидрофосфатом аммония ((NH₄ )₂HPO₄).

Сульфид молибдена (MoS₂) из-за высоких антифрикционных свойств используют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала подшипников скольжения, втулок, пружинящих контактов железнодорожного транспорта.

Антифриз марки 65 (цифра показывает максимальную температуру замерзания) содержит в качестве антикоррозионного компонента 3,0–3,5% гидрофосфат натрия (Na₂HPO₄), а антифриз марки 40 – от 2,5 до 3,5% Na₂HPO₄, которые обеспечивают сохранность резиновых деталей системы охлаждения.

Основный карбонат свинца (2PbCO₃•Pb(OH)₂) применяется для наружных покрытий, в том числе и для металлоконструкций железнодорожных мостов.

Сульфаты цинка (ZnSO₄) и бария (BaSO₄) применяют для внутренней отделки помещений.

Мрамор (CaCO₃), гипс (CaSO₄•2H₂O) используют при строительстве железнодорожных станций и узлов, и как стеновой облицовочный материал станций метрополитена, вокзалов <Рисунок 7>.

Рисунок 7

На железнодорожном транспорте реакции ионного обмена применяются для умягчения воды (снижение концентрации ионов Са²⁺ и Мg²⁺) в системах охлаждения тепловозных двигателей и дизель-поездов. При использовании жесткой воды на поверхности теплообменных аппаратов, котлов и холодильников образуется накипь, приводящая к образованию вздутий и трещин на стенках металла, снижению коэффициента полезного действия (КПД) установок и повышению расхода топлива.

Известно, что накипь толщиной в 1 мм на поверхности теплообменных аппаратов вызывает перерасход топлива от 1,5 до 2,5%. Если учесть, что теплосиловые установки железнодорожного транспорта потребляют около 13 млн. т топлива в год, то недопущение образования накипи на стенках теплообменников приведет к снижению расхода топлива на сотни тысяч тонн.

Метод ионного обмена применяют и для полного или частичного опреснения воды.

Гидролиз на предприятиях железнодорожного транспорта протекает при очистке воды и химическом обезжиривании поверхности металлов перед нанесением на них защитных покрытий от коррозии.

Окислительно-восстановительные процессы лежат в основе работы химических источников тока и аккумуляторов, сгорания топлива в дизелях тепловозов, процессов коррозии металлов и т.д.

В тяговом подвижном составе применяют кислотные и щелочные аккумуляторы, соединенные в аккумуляторные батареи <Рисунок 8>, отличающиеся друг от друга материалом пластин и составом электролита. Первые используются в стационарных и напольных условиях для питания устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, а также на железнодорожных путях и сортировочных горках, имеющих электрическую и диспетчерскую централизацию; являются комплектующей составляющей вагонных батарей. Вторые применяются в подвижном составе (тепловозы, пассажирские вагоны, электрокары, погрузчики, рудничные электровозы) <Рисунок 9> и переносной аппаратуре.

Рисунок 8

Рисунок 9

Аккумуляторные батареи электровозов и электропоездов предназначены для питания цепей управления, освещения и сигнализации при опущенном токоприемнике, а также для поднятия токоприемника. Аккумуляторные батареи тепловозов и дизель-поездов предназначены для питания током генераторов или стартер-генераторов при пуске дизелей, а также для питания цепей управления и освещения при неработающем дизеле.

Гальванотехника (техническое применение электролиза) подразделяется на: гальваностегию (покрытие) и гальванопластику. Гальваностегия используется на вагоно-, тепловозно- и электровозоремонтных заводах и в ремонтных мастерских. Методами электролиза хромируют, цинкуют, никелируют поверхности металлов, и проводят электрохимическое полирование. Например, хромирование используется для придание высокой поверхностной твердости, износостойкости, термостойкости и химической устойчивости изделиям; цинкование изделий из чугуна и стали используют для защиты узлов и деталей машин от окисления (цинком покрывают крепежные детали, фасонные изделия, арматуру, трубы); никелирование применяют для придания изделиям высокой поверхностной твердости и износостойкости, устойчивости к растворам щелочей и органических кислот (никелем покрывают слесарно-монтажный инструмент, детали, узлы, поручни вагонов); железнение применяют для восстановления дорогостоящих деталей, получения коррозионностойких покрытий (коленчатые валы компрессоров вагонов-ресторанов, рефрижераторных секций, вентиляторов-охладителей, дизелей рефрижераторных поездов и секций); алюминиевые изделия служат анодом, на поверхности которого происходит образование оксида алюминия, пленка последнего имеет высокую твердость и окрашивается во всевозможные цвета.

Гальванопластика используется для получения металлических рельефных узлов и деталей (радиотехнические схемы, матрицы для тиснения кожи, бумаги, детали подвижного тягового состава) <Рисунок 10>.

Рисунок 10

 

1. Как называют вещества, растворы и расплавы, которых проводят электрический ток?
2. Как называют вещества, растворы и расплавы, которых не проводят электрический ток?
3. Почему ионные соединения, состоящие из заряженных частиц, в кристаллическом виде не проводят электрический ток?
4. Соединения, с каким видом связи, являются электролитами в расплавленном и растворенном состоянии?
5. Как диссоциируют ионные соединения?
6. Какой тип кристаллической решетки характерен для электролитов?
7. Какие классы неорганических соединений относятся к электролитам?
8. Что называют электролитической диссоциацией?
9. Все вещества данного ряда сильные электролиты:

а) NaOH, H₂SO₃, KCl, CuCl₂, AgCl;
б) H₂SiO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, KOH, LiOH;
в) HCl, HI, CuSO₄, Ba(OH)₂, AgNO₃;

г) H₂S, H₂SO₄, H₃PO₄, Fe(OH)₃, CH₃COOH.

10. К раствору гидроксида бария по каплям приливают серную кислоту. Как будет изменяться электропроводность системы?:
    а) Вначале уменьшится, затем возрастет;
    б) вначале возрастет, затем уменьшится;
    в) постепенно возрастет;
    г) постепенно уменьшится.
11. Влияет ли температура на электропроводность веществ?
12. Почему различные металлы по-разному проводят электрический ток?
13. Являются ли металлы электролитами?
14. Как опытным путем доказать проводимость электролита?
15. Какую роль в электролитической диссоциации играет растворитель?
16. Приведите примеры электролитов, используемых в железнодорожном хозяйстве и в быту.
17. Перечислите типы аккумуляторов, применяемых в тяговом подвижном составе.
18. Какие электролиты производят в больших масштабах? Как эти вещества перевозят по железной дороге?
19. Вычислите объем водорода (н. у.), который может быть получен действием избытка цинка на раствор соляной кислоты массой 200 г с массовой долей хлороводорода 20%:
    а) 12, 3 л;
    б) 13,2 л;
    в) 6,2 л;
    г) 18 л.
20. Какие реакции называют реакциями ионного обмена? В каких случаях они протекают до конца?
21. Напишите полные и краткие ионные уравнения реакций между растворами: а) хлорида калия и нитрата серебра; б) гидроксида калия и нитрата меди (II); в) сульфата натрия и нитрата бария; г) сульфата алюминия и хлорида бария.
22. Составьте молекулярные уравнения по ионным уравнениям:

а) Zn²⁺ + 2OH^– = Zn(ОН)₂;
б) FeS + H⁺ = H₂S + Fe²⁺;
в) H⁺ + CN^– = HCN;
г) CH₃COO^– + H⁺ = CH₃COOH.

23. В каких технологических процессах железнодорожного транспорта используют реакции ионного обмена?
24. Объясните понятие “гидролиз солей”.
25. Какие соли подвергаются полному гидролизу? Приведите примеры.
26. Сформулируйте определение понятия “степень окисления”.
27. Что такое окислительно-восстановительный процесс? Чем отличается процесс окисления от процесса восстановления?
28. Охарактеризуйте типы окислительно-восстановительных реакций. Приведите примеры.
29. На каком правиле основан подбор коэффициентов в уравнении методом электронного баланса? Приведите примеры.
30. В уравнении окислительной реакции H₂S+KMnO₄+H₂SO₄ —>  H₂O+S+MnSO₄+K₂SO₄ коэффициенты у исходных веществ соответственно равны:
    а) 3, 2, 5;
    б) 5, 2, 3;
    в) 2, 2, 5;
    г) 5, 2, 4.
31. Примером окислительно-восстановительной реакции является:
    а) разложение известняка;
    б) разложение азотной кислоты;
    в) нейтрализация азотной кислоты;
    г) взаимодействие известняка с азотной кислотой.
32. В результате электролиза водного раствора хлорида меди получают:
    а) медь, водород, кислород;
    б) хлор, медь;
    в) соляную кислоту, медь;
    г) водород, кислород.
33. При электролизе водного раствора гидроксида калия получают:
    а) водород, кислород;
    б) водород, хлор;
    в) водород, хлор, гидроксид калия;
    г) калий, хлор.
34. Нанесение металлического покрытия на какой-либо предмет с помощью электрического тока в растворе электролита:
    а) электролиз;
    б) анодирование;
    в) анодное окисление;
    г) гальванотехника.
35. Определите неизвестный двухвалентный металл, если при пропускании тока, силой 2 А в течение 1 часа 14 минут 24 секунд через водный раствор соли этого металла на одном из графитовых электродов выделился металл массой 2,94 г. Выход по току принять за 100%.
36. Определите массу меди, выделившейся на катоде при пропускании тока силой 2 А в течение 10 мин через раствор хлорида меди (II).