/
Автор: Дрижун И.Л. Кузнецова Н.Е. Лившиц С.И.
Теги: аналитическая химия приборостроение лабораторные работы учебное пособие
Год: 1987
Текст
Министерство просвещения РСФСР
Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени государственный педагогический институт имени А. И. Герцена
И. Л. ДРИЖУН, Н. Е. КУЗНЕЦОВА, С. И. ЛИВШИЦ
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ХИМИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МЕТОДИКА РАБОТЫ С ПРИБОРАМИ
ЛЕНИНГРАД 1987
Отсканировано
Химия и Химики
"Химия и Химики - журнал Химиков-Энтузиастов"
http://chemistry-chemists.com
Литература и статьи по химии, физике, астрономии, биологии, о так же медицине и другим наукам
Вы можете поддержать проект материально, совершив пожертвование на любой из этих WebMoney кошельков: Z417794846593
R424729528665
U193348891846
Е351595670732
Министерство просвещения РСФСР
Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени государственный педагогический институт имени А. И. Герцена
И. Л. ДРИЖУН, Н. Е. КУЗНЕЦОВА, С. И. ЛИВШИЦ
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ХИМИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МЕТОДИКА РАБОТЫ С ПРИБОРАМИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ЛЕНИНГРАД 1987
Печатается по решению кафедры методики преподавания химии и РИСа ЛГПИ им. А. И. Герцена.
Учебное пособие предназначено для студентов педагогических институтов, слушателей ФИК (методистов-химиков), а также может быть полезно учителям школ, занимающихся техническим творчеством в области конструирования приборов. Оно содержит описание устройства, методику изготовления и использования комбинированных приборов и лабораторного оборудования на студенческом спецпрактикуме, на кружковых занятиях в школе и иа станции юных техников.
Научный редактор: докт. хим. наук, проф. А. А. Макареня.
Рецензенты: канд. пед. наук И. Ю. Алексашина (НИИ СОВ АПН СССР); канд. пед. наук И. М. Титова, канд. биол. наук, доц. Н. Н. Орещенко (ЛГПИ им. А. И. Герцена).
О Ленинградский ордена
тру-
дового Красного Знамени государственный педагогический институт имени А. И. Герцена (ЛГПИ им. А. И. Герцена), 1987 г.
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование профессионального мастерства будущего учителя химии предполагает разрешение ряда психолого-педагогических, методических и организационных вопросов. В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12 апреля 1984 г. «О мерах по совершенствованию подготовки, повышению квалификации педагогических кадров системы просвещения и профессионально-технического образования и улучшению условий их труда и быта» подчеркивается необходимость «обратить особое внимание на изучение выпускниками педагогических учебных заведений основ современного производства, методов организации политехнического, трудового обучения и воспитания, общественно полезного производительного труда ...» (О реформе общеобразовательной и профессиональной школы: Сборник документов и материалов. — М., 1984, с. 95).
В решении этих задач большая роль принадлежит техническому творчеству студентов — будущих учителей химии. В процессе технического самосовершенствования формируются творческая направленность личности учителя химии, его общетрудовая закалка и интерес к будущей профессии.
Цель данного пособия — способствовать техническому творчеству студентов — будущих учителей химии, вооружить их системой знаний и умений конструирования приборов и лабораторного оборудования на основе межпредметных связей, использования деталей радиотехники и электроники.
Изготовление комбинированных приборов и лабораторных установок осуществляется в процессе функционирования технических кружков и спецпрактикумов по химии и методике ее преподавания. На базе полученных знаний и умений уч'.тель химии осуществляет эту работу в школе совместно с учителями физики и трудового обучения. Их совместная работа с учащимися в школьных мастерских способствует реализации трудового обучения и политехнической направленности преподавания, развитию творческих и конструкторских способностей учащихся; обеспечиваются улуч-
3
шение материально-технической базы школ, взаимосвязь теории с практикой.
В соответствии с требованиями ирофис» шн раммы учителя химии (Профессиограмма учителя химии средней общеобразовательной школы. — М., 1981) конструирование приборов и лабораторных установок прививает студентам следующие умения и навыки:
1. Организационно-трудовые умения и навыки.
2. Умения и навыки обращения с приборами, посудой, реактивами, лабораторными принадлежностями.
3. Умения и навыки, необходимые* для организации школьного химического кабинета.
4. Умения п навыки, необходимые* для конструирования и изготовления приборов н установок для опытов.
5. Умения и навыки, связанные с проведением химических опытов, методикой их объяснения и интерпретацией результатов.
6. Расчетные умения и навыки.
7. Общепедагогические умения и навыки.
8. Умение осуществлять межпредметные связи с другими учебными дисциплинами.
В последние годы развитие химического эксперимента происходит в направлении его соединения с педагогической техникой, радиотехникой и радиоэлектроникой, в направлении максимального сокращения времени для подготовки демонстрационных и лабораторных опытов (процессоризации химического эксперимента)1. Поэтому для сборки и конструирования приборов по химии все шире применяются радиотехнические материалы (монтажные провода, пластмассы и пластики, металлы и сплавы) и полупроводниковые детали (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы). Для повышения качества восприятия многие опыты проецируются на экран с помощью проекционной аппаратуры (или другой педагогической техники). Все это позволяет шире использовать принцип компактности при создании приборов, что повышает их познавательное значение в обучении. При конструировании и монтаже комбинированных приборов необходимо закрывать второстепенные и вспомогательные узлы (диоды, сопротивления, резисторы и пр.), чтобы не отвлекать внимание обучаемых от основного предмета наблюдения. Некоторые из предлагаемых приборов могут быть использованы на уроках химии и физики, что имеет большое значение для оснащения оборудованием кабинетов малокомплектных сельских школ и реализации межпредметных связей.
1 Под этим термином подразумевается миниатюризация химических приборов, увеличение их функциональных возможностей и быстродействия на основе использования полупроводниковых деталей радиотехники^
4
При конструировании школьных приборов по химии следует руководствоваться следующими принципами (см. Гаркунов В. П., Во Чоп. Принципы конструирования школьных приборов по химии. — В кн.: Методическое пособие для школьного конструкторского кружка. Владимир, 1973, с. 75).
1. В условиях стандартного химического кабинета длина приборов не должна превышать 60 см, а их высота — 50 см от уровня плоскости демонстрационного стола. С учетом указанных габаритов приборов следует подбирать соответствующие соединительные трубки.
2. При конструировании приборов следует учесть, что правильные формы (прямоугольная, треугольная, круговая и т. д.) воспринимаются быстрее и легче. Симметричное расположение узлов приборов и опытных установок существенно облегчает восприятие процессов, происходящих в них.
3. Конструируемые для средней школы приборы и опытные установки должны быть компактными, отдельные узлы и детали необходимо расположить на оптимальных расстояниях друг от друга. Второстепенные, вспомогательные узлы и детали следует разместить в специальных коробках (закрыть), чтобы они не отвлекали учащихся от показываемого явления.
4. Приборы и установки должны применяться при демонстрации нескольких школьных опытов, что позволяет увеличить эксплуатационные качества приборов и опытных установок, стандартизировать отдельные детали и узлы, сократить количество приборов, используемых для демонстрации опытов.
Технология изготовления приборов включает столярные, слесарные, токарные, сборочные, монтажные и регулировочные работы. Чтобы создать прибор, нужно владеть пайкой, знать основные радиодетали и радиотехнические материалы, уметь их обрабатывать и склеивать, быть знакомым с устройством и использованием несложных измерительных приборов, правилами применения простейшего монтажного и слесарного инструмента, основными источниками питания, уметь читать радиосхемы и простейшие чертежи.
Изготовление самодельных приборов позволит студентам — будущим учителям химии овладеть простейшими электротехническими (пайка, монтаж компонентов электроизмерительных приборов) и слесарными инструментами. Особое внимание уделяется технике безопасности как при изготовлении приборов, так и при их применении.
Содержание пособия посвящено конструированию и изготовлению приборов, лабораторного оборудования и опытных установок, конкретной методике их применения в обучении химии. Особое внимание уделяется изготовлению ком
5
бинированных приборов па межпредметной основе с применением полупроводниковых деталей для оборудования совмещенных кабинетов малокомплек i пых сельских школ.
Пособие предназначено для студентов педагогических институтов и слушателей Ф1 П< (методистов-химиков). Оно может быть использовано па сiутенческом спецпрактикуме по изготовлению приборов, па кружковых занятиях в школе, учителями и учащимися, шпимающимпся техническим творчеством в области конструирования самодельных приборов, а также в работе ста11щ1ii юных icxiihkob па базе Дворцов пионеров, клубов, жилищных xoihhctii.
Глава I. ИЗГО rOBJIl-I II112 ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ САМОДЕЛЬНЫХ ГОРЕЛОК ДЛЯ РАБОТЫ СО СТЕКЛОМ
И ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В практике обучения химии широко используются спиртовая лампочка (спиртовка) и сухой спирт (полимер формальдегида), температура пламени которых относительно невелика. Для повышения качества постановки отдельных опытов могут быть использованы газовые горелки Теклу и Бунзена и электронагревательные приборы.
В практике работы школ удобными оказались малые баллоны, вмещающие 300 г сжиженного пропана. Они предназначены для портативных газовых плиток марки П-2 и спиртовых газовых горелок типа ГГ-2. Портативную газовую плитку с двумя баллонами полезно иметь для работ, связанных с нагреванием. Запаса горючего в двух баллонах хватает на 8 часов непрерывной работы плитки. По израсходовании горючего баллоны подлежат обмену на зарядной станции.
Для обеспечения нормальной работы газовых горелок нижнее выходное отверстие у них должно быть 0,4 мм для горелки Теклу и 0,3 мм для горелки Бунзена. У горелок с большим начальным отверстием необходимо осторожно заклепать его маленьким кусочком свинца и в тонкой свинцовой заклепке пробить новое отверстие стальной иглой. Можно отверстие ниппеля запаять оловом и затем проткнуть швейной иглой или впаять инъекционную иглу нужного диаметра. Для получения пламени различной конфигурации в зависимости от целей нагревания (сгибание трубок, нагревание больших поверхностей и пр.) к газовым горелкам присоединяют соответствующие насадки (Верховский В. Н., Смирнов А. Д. Техника химического эксперимента. — М.,
6
1973, т. 1, с. 160—182). Для стеклодувных работ можно использовать газовые горелки типа ГГ-2 с насадкой.
Для стеклодувных работ существуют различные системы паяльных горелок. Простейшие конструкции могут быть изготовлены на спецпрактикуме по методике химии и в школьных мастерских. Для этого можно воспользоваться куском
водопроводной трубы длиной 10 см, с внутренним диаметром 1,5 см. На расстоянии 1,5 см от конца трубы ножовкой по металлу делают срезы сначала поперек (не до конца), затем вдоль, до сделанного поперечного надреза, так, чтобы после удаления срезанной части остался отросток длиной 1,5 см, шириной около 0,5 см (рис. 1). Этот отросток осторожно распиливают вдоль. Затем на расстоянии 3 см от первого среза делают поперечный надрез почти до половины трубы и продольный срез до поперечного надреза. В продольный пропил отростка вводят толстую стальную иглу, сжимают концы отростка щипцами и осторожными ударами молотка приги
7
бают отросток под прямым углом к оси трубы, после чего стальную иглу вынимают. В щель отростка вводят медицинскую инъекционную иглу, которую соединяют со шлангом от баллона. Трубу посредине обматывают асбестом, укрепляют в зажиме штатива (6<i прокладок), и горелка готова. Для приведения се в девеiвне немного открывают вентиль баллона и подносят горящую спичку к отверстию горелки. После этого поворотом вентиля регулируют величину пламени, вдвигая и выдвигая ni.iy степень подсоса воздуха. Для регулирования поступления воздуха можно устроить заслонку из согнутой полукругом и загнутой на конце железной пластинки, которая вставляется в вырезанную часть горелки. Пламя горелки сильное, шумящее. Крепление горелки в зажиме штатива позволяет повернуть ее в любое положение. Полезно изготовить несколько таких горелок из железных труб разных диаметров с использованием инъекционных игл разных диаметров.
Газовая горелка с горизонтальным пламенем
Прибор состоит из газового баллона, редуктора, микро-компрессора МК-1, подвижного хомута, держателя иглы, смесителя, инъекционных игл и горелки Теклу или Бунзена.
Для того, чтобы получить боковое узкое пламя, нужное для проплавления отверстий, запаивания металлических предметов и прочих работ, используют дополнительно держатель иглы. Держатель иглы (рис. 2) состоит из: а) хомута, б) винта крепления к трубке, в) держателя с двумя отверстиями, г) винта крепления, д) болта, прикрепляющего держатель к хомуту. Сборка прибора осуществляется следующим образом. На конец газосмесительной трубки надевается хомут, затягивается винт, через нижнее отверстие держателя продевается инъекционная игла. Игла соединяется резиновым шлангом с микрокомпрессором, а боковой штуцер — с редуктором баллона. Для обеспечения безопасности работы между баллонами и горелкой ставят предохранитель, состоящий из стеклянной трубки, заполненной медной сеткой или проволокой. Для того, чтобы привести прибор в действие, необходимо сначала повернуть редуктор, поджечь газ, выходящий из отверстия горелки, включить микропроцессор и, регулируя регулировочным винтом ток газа, создать узкое длинное пламя (рис. 3).
С целью получения пламени типа «паяльная лампа» на подвижной хомут надевается газосмесительная трубка, подтягивается болт крепления, продевается через держатель инъекционная игла, соединенная резиновым шлангом с баллоном. Подается небольшой ток газа; услышав
8,
слабое шипение выходящего газа, к выходному отверстию газосмесительной трубки подносят спичку. После того, как газ загорится, необходимо увеличить его ток. Описанная выше горелка работает не только на пропане, но и на природном газе.
tQMVrr)
Рис. 2
Ниже описаны два типа горелок: горелка, в которой используется бытовой газ (от газовой плиты); горелка, в которой применяется газ из баллона к туристской плитке.
Обе горелки одинаковы по конструкции. Горелка, в которой используется бытовой газ (рис. 4), состоит из двух трубок, вставленных одна в другую. Диаметр внешней трубки 5 мм (внутренний диаметр 3 мм); трубка на конце заваль-цовывается до отверстия 1,5 мм и затачивается на конус. Внешняя трубка (4) завальцовывается на конце до отверстия 3—4 мм. При использовании газа из баллона в конец внутренней трубки (1) ввернута форсунка от примуса, ко-
9
Рис. 3. Газовая горелка с горизонтальным пламенем, работающая от баллона «Пропан»
Рис. 4. Газовые горелки а — использующая бытовой газ; b — использующая газ из баллонов «Пропан». 1. Внутренняя трубка. 2. Внешняя трубка. 3. Торец.
4. Звездка. 5. Отросток
торая предварительно затачивается на конус. Внешняя трубка в этом случае завальцовывается до отверстия в 2—2,5 мм (рис. 4). Внутренняя трубка может передвигаться в заднем торце (3) внешней трубки и в специальной звездке (4), которая плотно посажена в середине внешней трубки. Передвижением внутренней трубки удается регулировать пламя горелки. Газ подается непосредственно в среднюю трубку,
Рис. 5. Внешний вид универсального стеклодув-
ного аппарг1та
воздух идет во внешнюю трубку через отросток (5). При использовании балонного газа воздух должен иметь повышенное давление. В горелке с использованием бытового газа воздух можно подавать от пылесоса.
Более совершенной горелкой является стеклодувный аппарат, изготовленный на основе металлического фена. Предлагаемая нами установка (рис. 5) состоит из металлического фена, двигателя, струбцины, регулятора напряжения, насадки и крана. Насадка (рис. 6) состоит из полого цилиндра, оканчивающегося усеченным конусом (1), в дне которого просверлен ряд отверстий. Внутри конуса ввинчена воронка, а снаружи цилиндра — сосок. Для лучшего перемешивания газа и воздуха на внешний конус надевается смеситель. Сосок при помощи крана и шланга соединяется с газовым баллоном. Для приведения прибора в действие необходимо: 1) привинтить аппарат к столу; 2) включить редуктор бал
11
лона; 3) открыть наполовину кран; 4) зажечь газ и, поворачивая ручку регулятора напряжения, регулировать постепенно подачу воздуха до образования шипящего пламени.
Рис. 6. Насадка к стеклодувному аппарату
Предлагаемую нами установку можно использовать для стеклодувных работ, а также как источник высокотемпературного пламени.
При использовании газовых горелок необходимо соблюдать следующие правила:
1. Прежде чем открыть газовый кран, нужно зажечь спичку и поднести пламя к горелке, держа ее несколько сбоку от отверстия (сильный ток не успевшего нагреться газа может погасить пламя спички). Регулирующие подачу воздуха приспособления при этом должны быть закрыты.
2. Поставить газовый кран сразу на 90° (до отказа) и через одну—две секунды (время, необходимое для вытеснения
12
воздуха из резиновой соединительной трубки) зажечь газ у отверстия горелки (не наклоняясь над ней). При закрытых регуляторах подачи воздуха получается светящееся пламя.
3. Отрегулировать подачу воздуха до получения бесцветного (слегка голубоватого) пламени.
4. При необходимости отрегулировать величину пламени газовым краном или запорным винтом (у горелки Теклу).
5. Нагревание вести в верхней зоне пламени.
6. Гасить горелку только обратным поворотом газового крана до отказа.
7. Тщательно следить за исправностью и своевременным закрытием газовых кранов на рабочих местах учащихся. Перед подачей газа в горелки общим краном проверить, все ли газовые краны на столах закрыты.
8. Во всех случаях появления в помещении запаха газа немедленно отключить всю сеть общим краном, найти и устранить причину утечки.
При неправильном соотношении притока газа и воздуха, а именно, когда приток газа слишком мал или приток воздуха слишком велик, пламя может проскочить, и газ воспламеняется у входного отверстия внутри газосмесительной трубки, которая при этом сильно накаливается. Случается даже, что резиновая трубка, соединяющая горелку с газовым краном, начинает плавиться, сваливаться с горелки, и газ загорается у ее отверстия. Это может привести к пожару. Следует поэтому принять за правило: уходя из лаборатории, не оставлять горелку непогашенной. Проскочившее пламя всегда легко заметить, так как оно делается узким, длинным и слегка светящимся. Кроме того, от него начинает распространяться характерный запах продуктов неполного сгорания газа. Горелку, пламя которой проскочило, следует сейчас же погасить, закрыть газовый кран. Опять зажечь ее можно только тогда, когда она вполне остынет: пока горелка не остыла, пламя снова будет проскакивать. (При выполнении опытов на уроке желательно иметь запасную горелку с каучуком). Для предупреждения проскока пламени рекомендуется, кроме необходимой регулировки газа и воздуха, надевать на газосмесительную трубку горелки колпачок из медной сетки.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ САМОДЕЛЬНОГО ШКОЛЬНОГО ШТАТИВА
Штативы, выпускаемые для школы промышленностью, громоздки, тяжелы и неудобны в обращении. В отличие от существующих, предложенный штатив имеет меньшее количество деталей, легок, прост в обращении и, самое главное,
13
зажимает пробирки, колбы, холодильники любого размера. Штатив (рис. 7) состоит из стойки, лапки, кольца, двух фиксаторов, винтов, подставки. Лапка имеет два гнезда и состоит из двух губок (правой и левой), направляющей скобы, пружины, державки.
Рис. 7. Штатив химический
1. Основание. 2. Стойка.
3. Кронштейн. 4. Заклепки. 5. Бельевая пружина. 6. Губка подвижная.
7. Кольцо. 8. Винты.
9. Губка неподвижная
Детали штатива (рис. 8, 9, 10, 11, 12, 13) изготавливают из следующих материалов:
— стойку — из стальной трубки или стержня диаметром 10 мм;
— фиксаторы — из латуни или органического стекла;
— винты фиксаторов — из любой стали;
— держатели — из нержавеющей стали толщиной 1—2 мм или в крайнем случае из дюраля или латуни;
— кольцо — из дюраля, латуни или пластмассы.
Последовательность изготовления частей штатива:
1. Вначале нарезают трубку для стойки.
14
Рис. 8. Стойка
Рис. 10. Державка нижняя
2. Изготавливают из органического стекла или латуни заготовки 31X22X12 мм для фиксаторов, которые шлифуют, сверлят, нарезают резьбу М-4 и далее на токарном станке изготавливают для них винты.
3. Из проволоки диаметром 5 мм нарезают прутики длиной 440 мм и на цилиндрической оправке обжимают кольцо. Подставку делают из дюраля, латуни или пластмассы. Далее приступают к изготовлению лапки. Для этой цели следует изготовить из стали штампы, состоящие из матрицы и пуансона. Затем нарезаются стальные полоски, и с помощью школьного гидравлического пресса выпрессовывают губки. Правую приклепывают к державке. Из стальных полосок 12X30,5 мм изготовляют направляющие скобы. Для этой цели в подставке просверливают отверстие 8 мм, на стойке нарезается резьба, а затем, посредством опорного винта, ее закрепляют. При помощи винтов и фиксаторов закрепляют
16
лапки и кольцо. Изготовление этих штативов налажено в учебных мастерских Любенской средней школы Тосненского р-на Ленинградской обл. Опыт показывает, что в течение 4—6 занятий можно изготовить 20 штативов.
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАМЕНИ
Часто при проведении химического эксперимента необходимо острое высокотемпературное пламя. Такое пламя можно получить, используя микрокомпрессор МК-2 (производство «Мосавтоприбор»), который в быту применяется для аэрации воды в аквариумах (рис. 14, внешний вид).
Рис. 14. Внешний вид Рис. 15. Устройство ми-
микрокомпрессора крокомпрессора
1. Основание. 2. Электромагнит. 3. Помпа.
4. Вибрирующее ярмо.
5. Регулировочный винт.
6. Резиновая трубка.
7. Кожух. 8. Сетевой шнур
На рисунке 15 изображен разрез микрокомпрессора МК-2. Он состоит из основания (1), электромагнита (2), помпы (3), вибрирующего ярма (4), регулировочного винта (5), резиновой трубки (6), соединяющей помпу с прибором для вдувания воздуха. Рабочая часть микрокомпрессора за
2-2065
17
крыта кожухом (7). Микрокомпрессор питается от сети переменного тока напряжением 127—220 В и подает воздух за счет колебательных движений диафрагмы помпы, создаваемых электромагнитом. Дозировка поступающего воздуха осуществляется регулировочным винтом.
Микрокомпрессор используют для вдувания воздуха или кислорода в пламя спиртовки или газовой горелки при получении высокотемпературного пламени, необходимого при стеклодувных работах и для выполнения некоторых опытов.
Воздух подается в пламя с помощью медицинской иглы, вставленной в резиновую трубку. Игла закрепляется на спиртовке при помощи хомутика, как показано на рисунке 16. Микрокомпрессор можно использовать и для нагнета-
Рис. 16. Внешний вид спиртовки для получения острого пламени
ния в пламя чистого кислорода. Для этого следует взять круглую жестяную банку такого размера, чтобы в ней поместился микрокомпрессор. В банке нужно сделать два отверстия — одно для вывода резиновой трубки, другое — для электрического шнура, поставить в нее микрокомпрессор и вывести резиновую трубку и шнур наружу. После этого банка плотно закрывается крышкой с проделанным в ней отверстием, в которое впаивается металлическая трубка, служащая для поступления кислорода из кислородной подушки или газометра. Отверстия и все щели в банке нужно залить замазкой. В этом случае микрокомпрессор будет подавать в пламя только чистый кислород.
Полученным таким способом высокотемпературным пламенем можно разрезать стальное лезвие, расплавить железную или медную проволоку, прокаливанием кусочка извест
18
няка получить негашеную известь, зажечь металлический кальций, провести термическое разложение бурого угля в пробирке и выполнить ряд других опытов.
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБИРКОНАГРЕВАТЕЛЬ
Для нагревания веществ в пробирках рекомендуется использовать электрический пробирконагреватель (рис. 17). Он состоит (рис. 18) из тонкостенного алюминиевого цилин-
Рис. 17. Общий вид электрического пробиркона-гревателя
Рис. 18. Электрический пробирконагреватель
дра 1 (диаметр—17 мм, высота 48 мм), прикрепленного с помощью болта 2 (диаметр — 4 мм, длина — 32 мм), к кар-болитовому цилиндрическому основанию (8) (диаметр — 50 мм, высота — 30 мм, толщина стенки — 4 мм), в середине которого просверлено отверстие диаметром 5 мм. Между основанием и алюминиевым цилиндром находится асбестовая прокладка (7) толщиной 3—4 мм и диаметром 38 мм, необходимая для теплоизоляции.
На наружной поверхности цилиндра имеется электрическая изоляция — слой слюды (3) и расположен нагревательный элемент — нихромовая нить (4) (сечение 0,13—0,15 мм, длина —300 мм). Нихромовая нить намотана на слой слюды на высоте 1—2 мм от основания цилиндра (I). Расстояние между витками нити 1—2 мм. Концы ее с помощью нихромовых проводников (6) (диаметр — 1 мм, длина — 30—
2*
19
40 мм, имеют несгораемую изоляцию) соединены с электрошнуром (13).
Нагревательный элемент также покрыт слоем слюды, на него для теплоизоляции намотан в несколько слоев асбестовый шпагат (5). Нагревательный элемент находится под алюминиевым кожухом (2) (диаметр — 22 мм, высота — 47 мм), высота которого на 0,5 мм ниже алюминиевого цилиндра.
В нижнее основание карболитового цилиндра вставляется металлическая пластинка (12), после чего завинчивается гайка (10) крепежного болта. Между гайкой и пластинкой находится шайба (9). Пробирконагреватель рассчитан на напряжение 36 В и включается в сеть через понижающий трансформатор на 36—50 В.
Вода в пробирке, помещенной в пробирконагреватель, закипает через 2,5—3 мин. Такое же количество воды в пробирке, нагреваемой на пламени спиртовки, закипает через 3—3,5 мин. Прибор безопасен, не бьется, прост в эксплуатации. Он рассчитан на нагревание пробирок диаметром 16 мм. Для пробирок, имеющих большой диаметр, размеры алюминиевого цилиндра должны быть соответственно увеличены.
Для наблюдения за процессом, происходящим в пробирке, в цилиндре прорезаны два окошка (14) размером 15X20 мм. Пробирконагреватель крепится в лапке штатива с помощью ручки (15).
Глава II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРИБОРОВ ПО ХИМИИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ (ЭЛЕКТРОНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА)
1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ выпрямителей
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРАКТИКЕ ОБУЧЕНИЯ
Предназначенные для школ селеновые выпрямители ВС-6 и ВС-12 маломощны (6—12 В). Более сложные выпрямительные устройства типа ВС-30, ВС-35 и др. с регуляторами напряжения тоже дают недостаточное напряжение для ряда школьных опытов (например, электролиз воды, движение ионов). Известный учителям самодельный алюминиевый выпрямитель при большом объеме сосуда с электролитом (рас-20
твором карбоната аммония или бикарбоната натрия) также не очень удобен, так как рассчитан обычно на кратковременное действие.
Все это побудило нас разработать более удобный и надежный в работе прибор. Мы предлагаем простой выпрямитель на полупроводниковых диодах, который можно легко изготовить на кружковых занятиях. Для изготовления выпрямителя используем диод Д7Ж (внешний вид диода показан на рис. 19а). Диод рассчитан на силу постоянного тока
Рис. 19. Полупроводниковые выпрямители:
а — внешний вид диода, Ь, с, е — конструкции выпрямителей, d — схема включения прибора
0,3 А. Четыре диода при параллельном соединении обеспечивают постоянный ток силой 1,2 А при напряжении выше 100 В, что вполне достаточно для школьных опытов. Четыре диода Д7Ж можно заменить одним более мощным диодом. Диоды можно приобрести в магазине радиодеталей.
В пластмассовой панели (размер 5X6 см) просверливаются по углам 4 отверстия, в которые вставляются клеммы. В них закрепляются две толстые медные проволоки, к которым припаиваются диоды (рис. 19 Ь, с, е). На свободные нижние концы клемм (с нижней стороны панели) надеваются для изоляции небольшие резиновые или полиэтиленовые пробки. Все диоды должны быть расположены в одном направлении, указаннОлМ стрелкой на корпусе, и не прикасаться друг к другу. При отсутствии клемм в отверстия
21
панели можно вставить дужки из толстой медной проволоки, закрепляемые сверху и снизу небольшими резиновыми пробками. Диоды припаиваются к дужкам. Медную проволоку перед припаиванием диодов следует залудить.
Выпрямитель включается в цепь прибора последовательно через регулируемое сопротивление (движковый реостат до 150—200 Ом). На выходе по направлению стрелок диодов будет анод (рис. 19). Этот выпрямитель можно сделать еще более компактным. Все четыре диода соединяются концами в одном направлении и помещаются в небольшую пластмассовую коробку. В боковых стенках или крышке коробки просверливаются два отверстия, через которые вводятся провода, припаянные к диодам. У выходного (по направлению стрелок) провода ставится знак «плюс». Между диодами вкладываются изоляционные прокладки (асбестовые или пластмассовые пластинки), а оголенные места соединений диодов с проводами обматываются изоляционной лентой. Этот выпрямитель может быть использован для разложения воды, электролиза растворов поваренной соли, хлорида меди (II), бромида натрия, движения ионов и др.
Рекомендуемый в учебнике для 9 кл. опыт направленного движения ионов практически не может быть осуществлен, так как указанное напряжение очень мало. При большем напряжении вследствие неизбежного разогревания перманганата калия происходит его разложение, в результате на бумаге вместо указанных на рисунке «окрашенных язычков» остается только бурое пятно. Мы рекомендуем простую конструкцию для демонстрации этого опыта (модернизированная модель Л. И. Ситкевича). На толстую (около 3 мм) негибкую пластмассовую пластинку (оргстекло, гетинакс) размером 15ХЮ см кладется 6—8 слоев фильтровальной бумаги, обильно смоченной (перед демонстрацией опыта) 10%-ным раствором сульфата натрия. Поверх слоев бумаги (по ее ширине) помещаются две ровные металлические пластинки (из жести или алюминия), размером 3X12 см с присоединенными к каждому концу проводами (рис. 20). Поверх ме-% таллических пластинок кладутся пластинки из пластмассы и прижимаются небольшими болтиками. Расстояние между пластинками можно при необходимости менять. Укрепленный в штативе прибор поворачивается под небольшим углом к классу, чтобы была видна поверхность фильтровальной бумаги.
Возможные варианты опыта.
1. На равном расстоянии от электродов (пластинок) на верхний слой бумаги помещаются небольшие кристаллики хлорида меди (II) и дихромата калия. Вследствие растворе-
22
йия кристалликов вокруг них появляется оранжевое й голубое кольцо. После включения тока через 10—15 мин хорошо заметно распространение оранжевого окрашивания в сторону анода, голубого — в сторону катода.
2. Поперек пластмассовой пластинки на равном расстоянии от электродов помещают жгут (чистый фитиль спиртовой лампочки), смоченный раствором, приготовленным из
Рис. 20. Прибор для демонстрации движения ионов с полупроводниковым выпрямителем
равных объемов насыщенного раствора дихромата калия и концентрированного раствора аммиаката меди (сульфат гексааммин меди (II)). Последний готовим, приливая к насыщенному раствору сульфата меди 25%-ный раствор аммиака до получения темно-синего раствора.
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПРИСТАВКА К ПРИБОРУ ГОФМАНА
Для использования выпрямителей существующих марок требуется сборка электрических схем, на что тратится дополнительное время и, кроме того, внимание учащихся рассеивается на предметах, не имеющих отношения к изучаемому явлению. Нами была сконструирована полупроводниковая приставка, которую можно смонтировать на любом приборе. Приставка состоит из выпрямителя, изготовленного из диодов Д7Ж, соединенных параллельно, и гасящего сопротивления типа П36. Так, например, полупроводниковая приставка на приборе Гофмана состоит из четырех диодов Д7Ж, соединенных параллельно и вмонтированных в коробку с вилкой, аппарата для зарядки аккумуляторов и гасящего сопротивления ПЭВ-150 К-ЮО. Сопротивление крепится к деревянной подставке при помощи двух кронштейнов, шпильки, шайб, двух гаек. Выпрямитель и сопротивление
23
соединены между собой проводом, как указано на рис. 21. Следует включить вилку в розетку. Тотчас же начинается процесс электролиза.
Рис. 21. Схема прибора Гофмана с полупроводниковой приставкой
3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРИБОРОВ ПО КИНЕТИКЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Для изучения скорости реакций в гомогенных и гетерогенных средах нами сконструированы приборы, позволяющие не только определить скорость реакции в обеих средах, но также проследить ее зависимость от концентрации, температуры, рассчитать температурный коэффициент и константу скорости реакций.
Прибор (рис. 22) состоит из реактора (1), воронки (2), резиновой трубки (3), крана (5), U-образной трубки (6), алюминиевой пластины (9), проградуированной по 1 мл, воронки (2) и других деталей.
Сборка прибора намного упростится, если использовать готовые узлы: в качестве реактора — прибор для получения газов; в качестве подставки U-образной трубки — прибор для электролиза растворов солей; обычный штатив заменяем другим со шкалой, сделанной из жести и проградуированной в молях. При градуировке шкалы исходим из следующего:
24
так как 22400 мл кислорода при нормальных условиях составляют 1 моль, то 1 мл кислорода при тех же условиях — 0,00004 моля. Изменив количество полученных мл кислорода, можно легко определить число выделенных молей кис-
лорода.
Рис. 22. Прибор для демонстрации скорости реакции
Определение скорости реакции бираем прибор, изображенный на U-образную трубку раствором фуксина до нулевого деления. Открываем кран (4) и наливаем в раствор 5 мл предварительно приготовленной смеси раствора пероксида водорода и дихромата калия. Смесь готовим следующим образом: пергидроль разбавляем водой в отношении 1 :4 и добавляем 1/4 объема раствора дихромата калия.
Закрываем реактор пробкой с воронкой (2), включаем секундомер и отмечаем время, в течение которого вытесненная жидкость поднимается по шкале до деления 10 мл. После этого закрываем кран, вынимаем пробку, закрывающую реактор, чтобы выделяющийся кислород мог свободно выходить из реактора.
В реакторе пероксид водорода в присутствии катализатора — дихромата калия разлагается на воду и кислород. Последний вытесняет равный объем жидкости.
Скорость реакции определяем по формуле:
V =-^п-k гомог
где Угомог. — скорость реакции в гомогенной системе, и —-число молей кислорода, V — объем смеси растворов пероксида водорода и дихромата калия, t — время в секундах, Д — знак приращения.
в гомогенной среде. Со-рисунке 22. Заполняем
25
Пример расчета скорости реакции в гомогенной среде. Из 15 мл смеси раствора пероксида водорода и дихромата калия за 30 секунд выделилось 15 мл кислорода (0,015 л). Отсюда следует:
10 0,00004 ,
и = "0 015^30-0,00009 моль/л-с.
Измерение скорости реакции в гетерогенных средах. Напильником зачищаем поверхность кусочка гранулированного цинка, чтобы она стала ровной, заклеиваем часть ее пластырем (2X2 мм), а оставшуюся поверхность покрываем составом, не подвергающимся действию кислоты, например менделеевской замазкой. Далее удаляем пластырь пинцетом, в результате обнажается гладкая поверхность кусочка цинка, которую подвергаем действию кислоты. Для этого наливаем в реактор 6 мл концентрированной соляной кислоты, берем кусочек цинка, обработанный вышеописанным способом, опускаем его в реактор, закрываем пробирку пробкой, открываем кран и включаем секундомер. Сразу же начинается реакция, которую можно выразить уравнением:
Zn+2HCl = ZnCl2+H2.
Выделяющийся водород вытесняет равное количество жидкости. Как только объем вытесняемой жидкости достигнет 8—10 мл, вынимаем воронку (2) и закрываем кран (4). Объем вытесненной жидкости остается на том же уровне. Скорость реакции определяем по формуле:
у = Дп-, v гетерог ’
где S — площадь поверхности цинка, подвергающаяся действию кислоты; Д/ — время в секундах; Кгетерог. — скорость в гетерогенной среде; Дп— число образующихся молей водорода.
Пример расчета скорости реакции в гетерогенной среде. За 20 секунд выделилось 10 мл водорода. Поверхность цинка, подвергнувшаяся действию кислоты, равна 4 мм2. Отсюда:
10*0,00004 ЛАААААС / 9
1/гетерог. = -4~2Q-= 0,000005 моль/мм2 сек.
Установление зависимости скорости реакции от концентрации веществ. Разбавляем пероксид водорода равным объемом воды и изучаем изменение скорости реакции в гомогенной среде в зависимости от концентрации вещества. Такой же опыт можно проделать в гетерогенной среде, взяв сначала цинк и концентрированную соляную кислоту, а затем цинк с такой же поверхностью и соляную кислоту (концентрация 1:1).
26
Расчет температурного коэффициента. Для расчета температурного коэффициента используем тот же прибор, что и для определения скорости реакции в гомогенной среде, только вместо реактора с воронкой берем обычную пробирку-реактор. Наливаем в реактор смесь 5—10 мл пероксида водорода и дихромата калия. Измеряем температуру жидкости. Закрываем реактор пробкой, открываем кран и измеряем объем кислорода, выделившегося за определенный промежуток времени. Нагреваем (на 10 °C) и снова измеряем количество выделившегося кислорода за тот же промежуток времени. Определяем температурный коэффициент.
Пример расчета температурного коэффициента. При 20 °C за 20 секунд выделилось 4 мл кислорода, а при 30 °C — 10 мл. Отсюда температурный коэффициент равен: =2,5.
Определение константы скорости реакции. Если взять одномолярный раствор пероксида, то можно в первый момент приближенно экспериментально определить константу скорости реакции. Опыт идет не только в присутствии катализатора дихромата калия, но и спиртового раствора иода. Константа скорости (К) разложения пероксида водорода при 25 °C в присутствии катализатора иода равна 2 - 1014. Подставив в уравнение К=КС значения константы и концентрации, определяем абсолютную скорость реакции.
Для определения скорости реакции используем не только пероксид водорода, но и другие вещества, при взаимодействии которых выделяются газы: бромид, хлорид, иодид щелочного металла, бертолетова соль, перманганат калия, нитрат калия, хлорид аммония и т. д.
Прибор может быть усовершенствован. Можно вмонтировать датчик секундных импульсов со световой и звуковой индикацией (рис. 23, 24). Он состоит из усилителя постоянного тока, мультивибратора, выделяющего секундные импульсы и мультивибратора, настроенного на частоту 1000 герц, лампочки, громкоговорителя, батарейки.
Второй вариант прибора по кинетике химических реакций. Прибор предназначен для постановки демонстрационных опытов по определению скорости химических реакций в гомогенных и гетерогенных средах. Он позволяет проследить зависимость скорости реакции от концентрации исходных веществ, состава катализатора и наличия активатора, от величины удельной поверхности (для гетерогенных систем), от температуры и других факторов. С помощью прибора может быть произведена количественная проверка законов Фарадея для электролиза.
Прибор может быть использован при изучении школьного курса химии в разделе «Кинетика химических реакций», при
27
изучении законов электролиза в курсе физики и химии, а также на занятиях предметного кружка при изучении соответствующей темы.
Прибор представляет собой конструкцию, состоящую из демонстрационного стенда и блока управления (БУ)2. Для
Рис. 23. Прибор для демонстрации скорости химической реакции со цветовым и звуковым индикаторами
Рис. 24. Световой и звуковой индикатор времени с секундными импульсами
2 Следует отметить, что блок управления (БУ) используется в сово-купности с другими приборами и обеспечивает постановку большого числа демонстрационных опытов.
28
проведения эксперимента в состав установки включается электронный счетчик-секундомер любой конструкции, выпускаемый промышленностью и имеющийся практически в любом кабинете физики.
Общий вид стенда и блока управления приведен на рисунка?; 25, 26.
Порядок работы с прибором
Подготовка приборов к работе. Прибор включается в сеть и прилагаемыми кабелями соединяется со стендом и счетчиком-секундомером. При нажатии кнопки (16) загорается се-
Рис. 25. Прибор по кинетике химических реакций (вид спереди) Условные обозначения: 1. Реактор. 2. Тройник. 3. Штуцер крана. 4. Шкала измерения продукта реакции. 5. Стрелка. 6. Трубка. 7. Ручка управления электродом. 8. Пробирка. 9. Шкала объема. 10. Гнездо включения вилки. 11. Гнездо включения вилки электродов. 12. -Гнездо включения соединительного кабеля. 13. Винт крепления кожуха. 14. Кран. 15. U-образная трубка. 16. Кнопка включения сети. 17. Лампа включения сети. 18. Лампа готовности. 19. Лампа сигнальная. 20. Кнопка возврата в исходное положение. 21. Амперметр. 22. Вольтметр. 23. Тумблер режима генератора имп—с. 24. Тумблер включения питания для электролиза. 25. Предохранители. 26. Гнездо подключения реостата. 27. Сетевой шнур. 28. Гнездо подключения соединительного кабеля. 29. Шнур соединения со счетчиком. 30. Гнезда для подключения демонстрационных приборов
29
тевая лампа (17). Нажатием кнопки (20) прибор устанавливается в исходное состояние для проведения эксперимента. Тумблером (23) устанавливается желаемая частота следования импульсов. Кран (14) открывается.
Рис. 26. Прибор по кинетике химических реакций и БУ (вид сзади)
Условные обозначения: см. рис. 25
Определение скорости реакции в гомогенных средах. В пробирку (8) заливается подкрашенный раствор хлорида натрия. Ручкой (7) устанавливается желаемое количество вещества (или объем) продукта реакции. В реактор (1) заливается 15 мл 3%-ного раствора пероксида водорода или гидропирита. Затем туда же добавляется 5 мл любого катализатора (например, дихромата калия). Реактор закрывается пробкой. В процессе разложения пероксида водорода происходит выделение газообразного водорода, который через кран (14) выходит в атмосферу. Непосредственно перед проведением опыта кран закрывается, и кислород начинает поступать в пробирку (8), вытесняя воду в трубку. При достижении верхнего края пробки через электролит замыкается цепь включения генератора импульсов, которые поступают на вход секундомера. При достижении нижнего края подвижного электрода происходит размыкание той же цепи. В результате на счетчике фиксируется время протекания ре-
30
акции. По полученным данным рассчитывается скорость реакции:
где Дп — число молей продукта реакции, V — объем реагирующих веществ, Д/ — интервал времени.
Для повторения опыта следует открыть кран, нажать кнопку (20) и снова закрыть кран.
Определение скорости реакции в гетерогенных системах. Для опыта подготавливается кусочек гранулированного цинка с зачищенной поверхностью. Часть этой поверхности заклеивается липкой лентой размером 2X2 мм, а оставшаяся поверхность покрывается слоем состава, не подверженного действию кислот (например, менделеевской замазкой). После отделения пинцетом липкой ленты подготовленный кусочек цинка с активной поверхностью 4 мм2 опускается в реактор, куда добавляется 5—10 мл концентрированной соляной кислоты. Опыт проводится в последовательности, описанной ранее. Скорость реакции вычисляется по формуле:
где S — площадь активной поверхности.
Проводя опыты с образцами, имеющими различную активную поверхность, можно проследить зависимость скорости реакции от площади.
Определение зависимости скорости реакции от удельной поверхности
Под удельной поверхностью понимается отношение о= 5 о
= — , где S — площадь поверхности, т — масса.
Для проведения опыта заготавливаются две зачищенные алюминиевые проволочки различной длины и диаметра, но так, чтобы их массы были равны, а отношение площадей было близко к 1:2, 1 : 3 и т. д. Проводя эксперимент с разными наборами пар проволочек, можно обнаружить прямую пропорциональную зависимость между скоростью реакции и удельной поверхностью.
Проверка законов Фарадея при электролизе растворов
Для проведения опыта реактор (1) заменяется на U-об-разную трубку (15), в которую заливается раствор бромида натрия. Оба колена трубки закрываются пробками с элек
31
тродами. Гнезда (26) соединяются с реостатом. Включается тумблер (24), и реостатом устанавливают желаемую силу тока через электролит. Амперметр и вольтметр при этом фиксируют напряжение и силу тока, что можно использовать при расчетах мощности, энергии и т. п. Установив стрелку (5) на цифру «1», замеряют время процесса /ь на цифре «2» — время /2 и т. д. Результаты опытов подтверждают закон Фарадея:
m==klt или in = kq, где k — электрохимический эквивалент, t — время электролиза.
Вычисление электрохимического эквивалента вещества
Из формулы m = klt следует: k=-^ .
Из уравнения состояния газа (считая давление близким к нормальному):
РУМ
~ RT *
Таким образом:
. __ РУМ
* “ RTJt ' -
где Р== 105 Па — нормальное атмосферное давление,
V — объем газа,
М — молярная масса, /?= 8-31 Дж/(моль -К), Т= 273 К-Н°— абсолютная температура газа, t — время по секундомеру.
Конструкция прибора предусматривает увеличение столба жидкости в трубке в ходе эксперимента, что приводит к некоторому увеличению давления газа и связанному с этим уменьшению его объема. Однако, это уменьшение лежит за пределами точности измерений и составляет менее 2%. Действительно, если максимальная высота подъема жидкости равна 17 см=170 мм, то избыточное давление такого столба воды равно 170 мм вод. ст. Так как нормальное атмосферное давление составляет 10000 мм вод. ст., то относительная погрешность будет равна:
При задании меньшего количества продукта реакции относительная погрешность будет еще меньше.
В конструкции прибора применяется стандартное стекло, что делает доступным его изготовление.
32
4. ДЕМОНСТРАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
С целью подтверждения математической зависимости скорости химических реакций от поверхности твердых веществ предлагаем провести количественный опыт. Для этой цели необходимы: 1) соляная кислота концентрации 1:1, 2) два куска алюминиевой проволоки разной длины, разного диаметра, но одинаковой массы.
Зависимость между всеми выше перечисленными величинами выражается уравнением
ПГ12-А1Р = 1ПГ22-^2Р,
где Г1 — радиус первой проволоки, г2 — радиус второй проволоки, hi — длина первой проволоки, h2 — длина второй проволоки, р — плотность алюминия.
Следовательно
Измерьте радиус обоих проводов. Приняв произвольно длину первого, рассчитайте длину второго, а затем и отношения их поверхностей:
Si 27tr1 Л| __ r}h}
S2 2^Го’^2 ^2^2
Пример расчета:
/3 = 2,25 мм,
г2= 1,05 мм,
/ii = 40 мм (произвольно),
Si 1 / \
= -у (произвольно).
Подставим приведенные данные в уравнение 3:
1 _ 2,25-40 2 — 1,05-х ’
1,05х=2,25-40-2х= 171,4 мм.
Следовательно, если опустить оба куска провода в соляную кислоту концентрации 1:1, то за одно и то же время с поверхности второй проволоки должно выделиться по объему в два раза больше водорода, чем с первой, или для выделения равного объема газа со второй поверхности потребуется в два раза меньше времени, чем с первой.
3-2065 33
Приведенные выше расчеты исходят из утверждения: скорость гетерогенного процесса пропорциональна удельной поверхности соприкосновения фаз:
V=kF.
где V — скорость,
F — величина удельной поверхности, k — коэффициент пропорциональности.
Удельная поверхность — это отношение абсолютной поверхности к единице массы или объема фазы, которая содержит реагент. В этом случае, если массы равны, скорости гетерогенных процессов пропорциональны поверхностям:
Ух _ Sx v2 S2
В процессе реакции удельная поверхность соприкосновения фаз непрерывно изменяется, так что указанная закономерность относится к определенным условиям: постоянной концентрации, температуре и пр. Ввиду того, что опыт занимает мало времени, вышеприведенными данными можно пренебречь и считать условия постоянными.
Проведение опыта
Предлагаемый нами прибор (рис. 27) состоит из пробирки реактора (1), крана (2), тройника (3), пробирки с окра-шенной жидкостью (4),
Рис. 27
воронки (5), двух пробок (6, 7) с закрепленными кусками алюминиевой проволоки (8, 9) описанного выше диаметра и размера. С целью упрощения расчетов проволока погружается в кислоту рассчитанной длины на изгибе. Общая длина проволоки слагается из двух частей: а) погруженной в кислоту, б) находящейся на поверхности. Посредством клейкой ленты или другим способом отметьте длину, погружаемую в раствор. Нужную поверхность алюми
ния очистите от оксида, погрузив
на короткое время в кон-
центрированную соляную кислоту.
34
Проделайте опыт с первым куском проволоки. Залейте в реактор кислоту концентрации 1 : 1 до нужной отметки и закройте пробку. Убедившись в быстром выделении водорода, закройте кран и секундомером фиксируйте время, необходимое для получения указанного объема водорода (до воронки).
Рис. 28
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХРОНОМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ в ПРИБОРАХ
ПО КИНЕТИКЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
С целью получения более объективных результатов при проведении количественных опытов по химии сконструированные нами приборы, в отличие от описанных в методических пособиях, снабжены ми устройствами низкого устройства на низкое напряжение в магазины уч-коллектора не поступают. Ниже приводится описание прибора для проведения опытов по кинетике химических реакций, снабженного таким устройством. Прибор состоит из:
— двух стеклянных пробирок (2) с боковыми отводами;
— резинового шланга (3), соединяющего боковые ОТВОДЫ;
— воронки (4), вставленной в резиновую пробку (5), закрывающую пробирку (1);
— резиновой пробки (6) со вставленным в нее стеклянным краном (7);
— двух медных фиксированных по высоте контактов (8);
— хронометрической части (см. рис. 28).
электрическими хроно м ет р и ч ески -напряжения. Хронометрические
Описание хронометрической части
Она служит для измерения с достаточной точностью отрезка времени, в течение которого выделяется заранее рассчитанное количество газа (см. рис. 29).
3*
35
Ввиду того, что выпускаемые промышленностью низковольтные двигатели не обеспечивают точного и повторяемого изменения отрезка времени, мы используем двигатель ДСД-2П на 220 В (мотор Уорена), уменьшив число витков
катушки обмотки возбуждения. Сопротивление обмотки доведено с 4500 до 2000 Ом. При этом мотор устойчиво работает от напряжения 36 В переменного тока (требование техники безопасности).
Сборка прибора намного упростится, если использовать готовые узлы. В качестве реактора используется пробирка от прибора для получения газов. В качестве шкалы для измерения числа молей — проградуированная трубка от того же прибора. Трубка воронки, начиная с середины, проградуирована в сторону воронки по 1 см3, что соответствует 0,00004 моля. Деления отстоят друг от друга на 2,8 см.
Так как 22400 см3 газа при нормальных условиях составляют 1 моль, то 1 см3 составляет 0,00004 моля.
Подготовка прибора к работе
В пробирку 2 залейте 2 см3 однонормального раствора катализатора, а через воронку до первой метки подкрашенный раствор хлорида натрия. С помощью тумблера поставьте стрелку на нулевую отметку.
Определение скорости реакции в гомогенных средах
В реактор добавьте 3 см3 3%-ного раствора пероксида водорода или 1/2 таблетки гидропирита, растворенного в 3-х см3 воды. В реакторе происходит разложение пероксида водорода в присутствии катализатора—дихромата калия (хлорида, сульфата или ацетата меди). Выделяющийся кислород вытесняет равный объем жидкости. Когда подкрашенная жидкость поднимется до последнего (пятого) деления, реле отключает часы.
36
Расчет выделенных молей газа: 5 см3Х0,00004 моля = = 0,0002 моля.
Расчет затраченного времени
Ввиду того, что один оборот стрелки составляет 30 с, а получение 5 см3 газа может продлиться дольше, то схемой предусмотрено, что после каждого оборота вспыхивает и гаснет лампочка. Подсчитав количество вспышек и секунд на циферблате, определяем время, необходимое для получения данного количества газа. Расчет производится по формуле:
^гом щ \ у ,
где (7Гом. — скорость в гомогенной среде,
V — объем смеси растворов пероксида водорода и дихромата калия,
А/ — время в секундах,
Ап — число молей, которые вступают или получаются после реакции,
Ас — изменение концентрации (количество молей вещества, образующегося в единице объема системы).
Расчет скорости реакции в гомогенной среде
Пример. Из 0,005 л раствора пероксида водорода в присутствии дихромата калия за 20 с выделилось 5 см3 кислорода
. 5-0,00004 л in 9 /
Ас = g =4’ 10~2 моль/л о-1U 6 •
V = 2-10-3 моль/л • с.
Определение скорости реакции в гетерогенной среде
Для этой цели используется реакция соляной кислоты с цинком, причем кислота действует не на всю поверхность, а только на ограниченную. ААетодика изготовления такой поверхности, а также и сам опыт описаны в 4-м номере «Химия в школе» за 1978 год, с. 78.
Зависимость скорости реакции от концентрации
К 4 см3 пероксида водорода добавьте 4 см3 однонормального раствора хлорида меди. Определите время, в течение которого выделяются 5 см3 кислорода. 2 см3 пероксида во
37
дорода разбавьте равным объемом воды, добавьте 4 см4 однонормального раствора хлорида меди. Определите время, необходимое для получения такого же объема кислорода. Убедитесь, что скорость реакции прямо пропорциональна концентрации.
Влияние различных катализаторов на скорость химических реакций
В реактор поочередно залейте по 5 см3 трехпроцентного раствора пероксида водорода. В каждую порцию добавьте по 5 см3 катализаторов:
в первую — ацетат меди (СН3СОО)2Си,
во вторую — хлорид меди (II) СиС12,
в третью — сульфат меди CuSO4,
в четвертую — сульфат марганца MnSO4.
Сравните время, необходимое для получения 5 см3 кислорода. Убедитесь в зависимости скорости реакции от состава катализатора. Скорость процесса разложения убывает в той же последовательности, в какой вы добавляли катализаторы в реактор.
Влияние активаторов на катализаторы
В реактор залейте 5 см3 трехпроцентного раствора пероксида водорода, добавьте равный объем однонормального раствора дихромата калия. Проследите время, необходимое для получения заданного объема кислорода (5 см3). Проделайте такой же опыт, но в реактор добавьте еще дополнительно 5 см3 сульфата марганца (активатор). Определите время для получения такого же объема кислорода. Проделайте аналогичные опыты с другими активаторами (сульфатом меди). Убедитесь, что различные активаторы влияют на катализаторы по-разному. Реакции протекают с различной скоростью. Хронометрические устройства могут быть использованы не только в приборах по кинетике, но и в других случаях, например в опытах по электролизу.
6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПРИБОРА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
До сих пор для электролиза воды и растворов солей пользовались двумя различными приборами. Нами предложен универсальный прибор, в котором можно осуществить все процессы электролиза: разложение воды электрическим током, электролиз растворов поваренной соли, хлорида меди (II), сульфата натрия, иодида и бромада натрия. В от
38
личие от существующих, прибор дешев и прост в обращении. Для приведения его в действие достаточно залить в него нужный раствор и включить прибор в розетку. Тотчас же начинается процесс электролиза.
Рис. 30. Схема универсального прибора для электролиза воды и растворов солей А — внешний вид; Б — электрическая схема
Прибор (рис. 30) состоит из подставки выпрямителя (его схема указана на рис. 30), штатива, стеклянной трубки, П-образного колена, капельной воронки, пары резиновых пробок № 18, двух пар сменных электродов угольных и из чистого никеля. В качестве подставки выпрямителя можно использовать медицинский стерилизатор для кипячения шприцов, предварительно ко дну последнего нужно привин
39
тить четыре клеммы (ножки), вмонтировать внутри три остеклованных сопротивления по 300 Ом. Снаружи к боковой стенке прикрепляют две клеммы.
Для лучшей теплоизоляции коробка сверху, снизу и внутри обкладывается асбестом, а для быстрой теплоотдачи в боковых стенках просверливают ряд отверстий. Через одно отверстие выводят шнур, конец которого соединяют с вилкой. К последней, в свою очерець, при помощи винта и гайки прикрепляют выпрямительное устройство, состоящее из коробочки и четырех диодов Д7Ж, соединенных между собой параллельно. Последовательно к каждому диоду следует подключить резистор сопротивления 10 см, иначе ток может распределиться между диодами неравномерно.
К центру крышки прикрепляют штатив, самодельный или готовый от стандартного прибора для электролиза раствора солей.
Для того, чтобы выпрямитель было легко отделить от штатива, стержень на расстоянии 2,5 см от поверхности коробки отпиливают и при помощи муфты последний соединяют со штативом. В штативе укрепляют П-образную трубку.
Далее приступают к изготовлению электродов. С этой целью в центре резиновых пробок № 18 предварительно проделывают отверстие, а затем продевают никелевую проволоку или стержень из нержавеющей стали.
В качестве угольных электродов используются электроды стандартных приборов.
Для проведения опытов при низких напряжениях приставка по электролизу собирается по схеме (рис. 31). Она может быть присоединена к любому прибору или вмонтирована в подставку универсального прибора.
Рис. 31. Схема полупроводниковой приставки
Зарядка и эксплуатация прибора для разложения воды. В нижние отверстия трубки вставляются металлические электроды. Трубки заливаются насыщенным раствором суль
40
фата натрия для электродов из никеля (после опыта необходимо хорошо промыть прибор и электроды).
Клеммы соединяются с электродами, открывается. кран капельной воронки, и пробками закрываются верхние отверстия трубки. Вилка вставляется в розетку, и прибор наполняется нужным количеством газа. Далее отключается ток, закрывается кран капельной воронки, вынимается пробка из колена с кислородом, и в отверстие опускается тлеющая лучина, она вспыхивает. Отверстие закрывается пробкой. Со второго конца снимается пробка, подносится горящая лучина. Лучина вспыхивает. Открывается кран капельной воронки, вынимается пробка. Прибор снова заполняется раствором. Отверстия закрываются пробками. Прибор готов для вторичного проведения опыта.
Если пользуются сульфатом натрия, лучше каждый раз готовить свежий раствор. После окончания опыта вынимается штатив, выливается раствор и промывается трубка.
Электролиз раствора поваренной соли. Стержень штатива вставляется в муфту, нижние отверстия трубки закрываются пробками. Трубка заливается насыщенным раствором поваренной соли, а катодное пространство — фенолфталеином. Вставляются угольные электроды. Соединяются проводами .клеммы с электродами. Вставляется вилка в розетку.
Через некоторое время у катода образуются водород и щелочь, фенолфталеин от щелочи окрашивается в малиновый цвет. В анодном же пространстве получается хлор и хлорная вода.
Включается ток, закрывается кран капельной воронки, вынимается катод, и водород поднимается. Далее открывается зажим, и хлорная вода сливается в сосуд.
Подобным образом в данном приборе можно провести электролиз растворов бромидов и иодидов металлов, хлорида меди и других солей.
7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ ФАРАДЕЯ
Очень часто из-за отсутствия приборов законы Фарадея трудно продемонстрировать. Поэтому нами был сконструирован универсальный прибор, дающий возможность наглядно представить оба закона. Этот же прибор позволяет наблюдать и процессы электролиза. Прибор с успехом может быть использован на уроках физики и химии в 7, 8, 9 и 10 классах.
Прибор (рис. 32, 33) состоит из подставки, штатива, трубки с бюреткой и краном, пластинки с нанесенной на нее
41
градуировкой, двух сменных электродов — угольного и никелевого, соединительных проводов, реостата, амперметра, выпрямителя постоянного тока на 30 В и электрических часов.
Рис. 32. Прибор для демонстрации законов Фарадея
1. Штатив на подставке. 2. Амперметр. 3. Бюретка
с краном. 4. Электроды угольные. 5. Электронные часы. 6. Соединительные провода. 7. Реостат
Выпрямитель состоит из трансформатора мощностью 10—30 Вт, первичная обмотка которого рассчитана на напряжение 220 В. Он содержит 2200 витков провода ПЭЛ — 0,3 мм. Вторичная обмотка рассчитана на напряжение 30 В и содержит 300 витков провода ПЭЛ — 0,51 мм. Обмотка трансформатора намотана на сердечнике типа Ш-20, толщина набора пакета которого 20 мм. При необходимости можно использовать готовые трансформаторы, применяемые на радиодеталях проводного вещания типа ТПГ-10 или ТАГ-25.
Выпрямитель собирают по двухполупериодной мостовой схеме на диодах Д-242. Для регулирования тока используют готовый реостат сопротивлением 60 м — 2 А.
Электрические часы (см. схему) выдают секундные импульсы, которые фиксируются электромагнитным счетчиком, а световая индукция осуществляется сигнальной лампой.
42
Jb t60* tjfO* fafQOx
Рис. 33. Принципиальная схема прибора для демонстрации I и II законов Фарадея
Формирование секундного импульса происходит в симметричном мультивибраторе, собранном на двух транзисторах типа М-П-26. Питается он от сети при помощи понижающего трансформатора 220/30 В.
В коллекторную цепь транзистора ПП-1 включено исполнительное реле типа РСМ-2, первый рабочий контакт которого на замыкание включает электромагнитный счетчик, а второй рабочий контакт зажигает световую лампочку па 24 В. Для питания электролампочки и электромагнитного счетчика используется нестабилизированное напряжение.
Счетчик времени включается контактами реле типа МКУ-48 на 220 В. При включении тумблера ВК-1 напряжение сети 220 В подается на обмотку реле МКУ 48. Сработав, реле своими контактами подает напряжение 220 В на выпрямитель электрических часов, а также па розетку, куда включается выпрямитель приборов.
Нижние отверстия электролизера закрываются резиновыми пробками, в него заливается насыщенный раствор бромида натрия, в верхнее отверстие вставляются угольные электроды, которые плотно закрепляются пробками. Выпрямитель подключается к счетчику, электроды прибора — к выпрямителю, а счетчик секундных импульсов — в сеть. При включении тумблера ВК-1 напряжение подается на счетчик времени и выпрямитель. Реостатом заранее устанавливается определенный ток по амперметру. Начинается электролиз раствора бромида натрия.
Выделяющийся водород вытесняет некоторое количество жидкости, объем которой фиксируется на планке. Градуировку планки можно сделать в мл и в г (1 мл водорода в пересчете на г равен 0,00009 г). Поправкой на обычные условия можно пренебречь, так как разница будет очень мала.
Для демонстрации первого закона Фарадея ручкой реостата меняют сопротивление в цепи и наблюдают выделение водорода пропорционально силе тока. Используя электронные часы, можно заметить, что газ выделяется пропорционально времени.
Для демонстрации второго закона Фарадея угольные электроды сменяются на никелевые и закрепляются в нижних отверстиях электролизера. Трубка заливается насыщенным раствором сульфата натрия, резиновыми пробками закрываются верхние отверстия, и прибор включается в сеть. Электролизу подвергается вода. Через несколько минут получаются два объема водорода и один объем кислорода.
Для проверки закрывается кран, поджигается водород, а кислород испытывается тлеющей лучинкой.
44
8. ИЗГОТОВЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ПРИБОРА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗА РАСТВОРОВ, ЗАКОНОВ ФАРАДЕЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА
В современной программе курса химии сущность электролиза рассматривается при изучении металлов. Это обеспечивает реализацию политехнической направленности преподавания химии, понимание учащимися значения процессов электролиза в современной технике и взаимосвязь с конкретным материалом.
Количественная характеристика электролиза (законы Фарадея) изучается в курсе физики значительно раньше уяснения химической сущности процессов электролиза. Такая трактовка противоречит логике формирования понятий, принципам развивающего обучения и не обеспечивает межпредметных связей.
Для объяснения законов Фарадея учащиеся прежде всего должны быть ознакомлены с химизмом процессов электролиза. Поэтому мы предлагаем знакомить учащихся с химизмом электролиза в первом разделе программы «Теория электролитической диссоциации» (как это было в старой программе в учебниках). Такая перестановка обеспечит более осознанное понимание законов Фарадея, промышленных способов получения металлов и их соединений, усилит реализацию межпредметных и вгутрипредметных связей.
Ниже дано описание изготовления универсального прибора для демонстрации измерения скорости электролиза растворов электролитов и з-аконов Фарадея, который может быть широко использован на уроках химии и физики в обычных школах и особенно в совмещенных кабинетах малокомплектных сельских школ.
Особенность предложенной конструкции состоит в том, что данный прибор является комбинированным. Он дает возможность без пересчета определять количество веществ, выделяемых на электродах. Его использование в практике обучения позволяет в значительной мере разгрузить кабинеты физики и химии от излишнего оборудования, обеспечивает экономию средств на приобретение оборудования, реализацию принципа компактности, повышает убедительность демонстрационного эксперимента.
Прибор можно использовать в 7 кл. при изучении разложения воды электрическим током, в 9'кл. при формировании первоначальных представлений об электролизе, на уроках физики для развития представлений о количественных
45
характеристиках электролиза, а также при обзорном повторении химии в 10 кл. С помощью этого прибора можно проследить зависимость скорости реакции от плотности тока. Опыты по электролизу весьма наглядны и протекают быстро. Использование этого прибора сокращает время для подготовки к демонстрации, способствует научной организации труда, оптимизации процесса обучения. Вмонтированные электрические часы позволяют использовать данный прибор в качестве секундомера для измерения скорости протекания химических процессов и для определения количества грамм-эквивалентов веществ, выделенных на электродах. Использование сменных электродов позволяет проводить электролиз разных веществ, применять один и тот же прибор на различных этапах обучения.
Прибор (рис. 34) состоит из подставки, штатива с бюреткой и градуированной планкой (по мл), двух пар элек-
Рис. 34. Универсальный комбинированный прибор для демонстрации электролиза растворов, законов Фарадея и измерения скорости процесса
тродов (угольных и никелевых), соединительных проводов, диодного моста, собранного по двухпериодной схеме, двигателя ДСД-2П-1 (один оборот — 30 секунд), циферблата, регулятора напряжения (РНШ), тумблера, соединительной трубки.
46
Принцип действия прибора. Известно, что для выделения 1 г-экв. вещества требуется 96500 кулонов (ампер-секунд). Следовательно, ток силой в 0,5 А выделяет в секунду —96500.2~~ =5,3-10-6 г-экв. Проградуировав циферблат в таких единицах и пропустив ток в 0,5 А, мы получим ответ в виде определенного количества г-экв., выделяющегося на электроде за какой-то отрезок времени.
С помощью этого прибора можно продемонстрировать первый и второй законы Фарадея, скорость химических реакций при электролизе, электролиз воды и растворов электролитов. В отличие от прибора для электролиза, описанного ранее, конструкция его относительно простая, сборка не требует больших знаний по радиотехнике, вполне доступна учащимся. Скорость процесса регулируется поворотом ручки РНШ.
Пользование прибором. С помощью вилки прибор включается в сеть. Поворотом тумблера подключаем счетчик и ожидаем, пока стрелка дойдет до положения «0». Затем прибор отключается, счетчик соединяется с регулятором напряжения, в электролизер заливается раствор электролита (хлорид, сульфат меди или другой раствор). В верхние отверстия вставляются угольные электроды, которые соединяются с помощью проводов с клеммами. На РНШ ручкой регулятора устанавливается напряжение, соответствующее силе тока в 0,5 В. Включается тумблер, и стрелке дается возможность сделать полный оборот. Полученный коэффициент умножается на 30. Получается количество вещества, выделенное за 30 секунд. Если ток увеличить до 1 А, то в одну секунду будет выделяться в два раза больше вещества, т. е. 10,6-10-6 г-экв.
Первый закон Фарадея можно продемонстрировать и другим способом. Для этой цели в электролизер заливаются растворы солей галогеноводородных кислот (бромидов и иодидов щелочных металлов). При этом происходит реакция:
2NaBr+2H2O=2NaOH+H2+Br2.
Выделяющийся водород в свою очередь вытесняет равный объем жидкости, поднимающейся по трубке, закрепленной на градуированной планке. Поворотом ручки регулятора меняется сила тока. Наглядно демонстрируется, что количество выделенного водорода пропорционально силе тока. Используя счетчик в качестве часов, устанавливаем, что количество выделенного водорода пропорционально времени. Для подтверждения второго закона Фарадея угольные электроды заменяют никелевыми, закрепив их снизу. Затем электроли
47
зер заполняется насыщенным раствором сульфата калия, верхние отверстия закрываются резиновыми пробками, и на электроды подается постоянный ток. Начинается разложение воды, выделяются два объема водорода и один объем кислорода.
9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ПРИБОРА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ ФАРАДЕЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ВС-24
Прибор (рис. 35) состоит из подставки, штатива с бюреткой и градуированной планки, двух пар электродов (угольных, никелевых), соединительных проводов, двигателя
Рис. 35. Универсальный комбинированный прибор для демонстрации электролиза растворов, законов Фарадея и измерения скорости процесса
Рис. 36. Выпрямитель ВС-24 (пунктиром показано подключение двигателя)
ДСД-2П-1 (один оборот 30 сек), играющего роль секундомера, циферблата, тумблера, соединительной трубки, выпрямителя ВС-24.
Двигатель присоедините к выпрямителю (рис. 36). Использование выпрямителя ВС-24 упрощает сборку прибора, обеспечивает технику безопасности, процессы протекают при
48
низких напряжениях. Скорость протекания процессов регулируется поворотом ручки выходных напряжений.
С помощью этого прибора можно продемонстрировать законы Фарадея, скорость химических реакций при электролизе в зависимости от силы тока, электролиз воды и растворов электролитов.
Пользование прибором
Включите прибор в сеть. Установите стрелку на секундомере в положении «О». Для этой цели выключите второй тумблер, включите первый и ждите установки стрелки до нужной величины. Выключите тумблер. Залейте электролизер раствором электролита (бромидом или иодидом щелочного металла), вставьте угольные электроды, соедините клеммы проводами. Включите тумблер 2; поворотом ручки регулятора установите вначале ток силой в 0,2 А и пропустите его в течение некоторого времени. При этом протекает реакция:
2NaI+2H2O = 2NaOH+H2+I2.
Установите ток силой 0,4 А и пропустите его в течение такого же количества времени, а затем повторите первый опыт в течение двойного количества времени.
Убедитесь, что количество выделившегося водорода пропорционально силе тока и времени. Для подтверждения второго закона Фарадея замените угольные электроды на никелевые, электролизер заполните насыщенным раствором сульфата калия. Верхние отверстия закройте резиновыми пробками, к электродам подведите постоянный ток. Выделяется два объема водорода и один объем кислорода, т. е. объемы выделившихся газов пропорциональны их эквивалентам.
Определение скорости химических реакций
Залейте в реактор один из упомянутых выше растворов, поставьте стрелку часов на «0», пропустите ток в 0,5 ампера. Скорость реакции определяем по количеству водорода, выделившегося при электролизе. Приведем пример расчета скорости реакции ((7Г0М.), если известно, что из 100 см3 раствора за 30 сек выделилось 10 см3 водорода3:
10 0.00004 моля /
Vr0U = —тгг—зл----=0,0013 моль/л-сек
г0М- 0,1 л 30 сек ’ '
Вместо выпрямителя В-24 при необходимости можно использовать КЭФ-8.
3 1 см3 водорода составляет 0,00004 моля при н. у. Поправка на обычные условия так незначительна, что ею можно пренебречь.
4—2065
4?
10. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДИССОЦИАЦИИ ВОДЫ
Большое значение для понимания химии имеет непосредственное наблюдение сложных в визуальном отношении хи-
мических процессов. Однако, для этого требуются дополни-
4
тельные устройства, повышающие чувствительность школьной измерительной аппаратуры.
Разработанная схема опыта и несложное электронное устройство позволяют наблюдать процесс диссоциации воды. Диссоциация воды — процесс обратимый и сопровождается эндотермическим эффектом. Процесс выражается уравнением:
Н2О Н++ОН" Д#=57,3 кДж
При нагревании диссоциация повышается, что приводит к повышению электропроводности. Последнее фиксируется школьным зеркальным гальванометром.
Прибор (рис. 37) состоит из:
— пробирки широкой (1) с дистиллированной водой (лучше использовать дистиллят);
— резиновой пробки (2) со вставленными в нее электродами (3) из нержавеющей стали или угольными и клеммами (4);
— электронного усилительного устройства.
Электрическая схема прибора (рис. 38):
Xi — понижающий трансформатор 220 V 6 В;
V1-4-V4 — выпрямительный мост на диодах Д216;
Ci — конденсатор электролитический 1000X6 В;
Ri — резистор 270 Ом;
50
V5-7-V7 — диоды Д9Б;
V8 — транзистор МП; 4—2 А.
. R2 — потенциометр 10 кОм.
Вся схема за исключением трансформатора смонтирована на печатной плате размером 6X6 см.
Порядок проведения опыта
1. Залить в пробирку на 1/2 се объема кипяченой дистиллированной воды (предварительно пробирку и электроды следует прокипятить в дистиллированной воде).
2. Соблюдая полярность, подключить гальванометр и электроды. На гальванометре установить предел измерения «10».
3. Вращая ручку потенциометра R2, установить световое пятно гальванометра на нулевое деление шкалы.
4. Нагреть пробирку в пробирконагревателе. При этом гальванометр покажет увеличение тока за счет появления в воде ионов Н+ и ОН-. (Если световое пятно движется влево, то следует поменять полярность подключения гальваномет-ра).
5. Опустить пробирку в стакан с холодной водой или тающим льдом, наблюдая при этом обратное движение светового пятна, что свидетельствует об обратимости процесса диссоциации.
11. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛИ СПРИНКЛЕРНОЙ УСТАНОВКИ
В противопожарной технике широко применяются автоматические устройства, обнаруживающие пожар, сигнализирующие на пожарный пост о его возникновении и гасящие огонь. Эти устройства называются спринклерными установками. Они охраняют от огня склады, театры, фабрики и другие помещения.
Каждая спринклерная установка состоит из спринклерной сети системы труб, проложенных под потолком, по которым поступает вода.
Отверстия спринклера в обычное время закрыты стеклянными клапанами, удерживаемыми легкоплавкими замками (пластинками из легкоплавкого сплава). Под действием повышенной температуры 57—72 °C замок спринклера расплавляется, вода поступает под давлением в розетку с зубчатыми краями и разбрызгивается. Модель такой установки легко изготовить самостоятельно.
Модель (рис. 39, 40) состоит из следующих четырех частей-блоков: макета сцены, сигнальной системы, водопита-теля и магнитофона.
4*
51
Рис. 39. Схема спринклерной установки
Рис. 40. Действующая модель спринклерной установки
52
Для изготовления модели необходимы следующие материалы:
— несколько листов жести (для изготовления сцены);
— медная трубка диаметром 10—12 мм и длиной 400— 600 мм;
— звонок на 127—220 В;
— лампочка красного цвета на 127—220 В;
— реле на 127—220 В;
— реле типа МКУ-48 на 220 В;
— несколько метров монтажного провода;
— электродвигатель на 127—220 В мощностью 40— 60 ватт (от швейной машины);
— модель действующего центробежного насоса;
— резиновый шланг (шланг должен соответствовать диаметру медной трубки);
— магнитофон;
— бачок для воды;
— лепестки от реле (переносные контакты);
— некоторые различные подручные материалы (болты, гайки и пр.).
Вначале из жести или жестяной коробки изготавливается сцена. В задней стенке на расстояннии 110 мм от левого края и 45 мм от верхнего делаются три надреза 20X30 мм, которые отгибаются на внешнюю сторону края жести (рис. 41). Чтобы защитить контакт от воды, изготавливаются кожух и козырек. Ложечка для сжигания сухого спирта также делается из жести. При помощи болтов и гаек прикрепляются кожух, ложечка и 6 лепестков реле к резервуару. Далее изготавливается водопитательная трубка. Сплющивается и загибается под углом 90° конец медной трубки. Затем в нем просверливаются два отверстия диаметром 2,5 мм. Одно — на расстоянии 120 мм от согнутого конца, а второе — на расстоянии 50 мм от первого (в том же направлении) .
Разбрызгиватели делаются из жести толщиной 0,5 мм. Из нее вырезаются два круга диаметром 25 мм. На них делаются радиальные надрезы глубиной 3—4 мм, и образовавшиеся надрезы загибаются под углом 45°.
Разбрызгиватели прикрепляются к трубке на кронштейнах, которые изготавливаются из проволоки. Один конец кронштейна прикрепляется к центру разбрызгивателя, а второй припаивается к трубке таким образом, чтобы центр разбрызгивателя совпадал с отверстием трубки. Трубка прикрепляется к кожуху.
К свободному концу присоединяется резиновый шланг. Следующий этап работы — изготовление водопитателя. Он состоит из бачка для воды, склянки с тубулусом, электродви
53
гателя и насоса. Насос можно приобрести в магазинах уч-коллектора. Все это монтируется в коробке. Основной составной частью сигнальной системы является реле МКУ-48 на 220 В. Сигнальная система монтируется на одной плате, сделанной из фанеры, текстолита или другого материала.
Рис. 41. Детали спринклерной установки
Магнитофон, который автоматически включается при возникновении пожара, подключается в цепь. Предварительно на магнитофонной ленте записывается текст, примерно следующего содержания: «Ребята, вы изучили различные сплавы, в том числе и легкоплавкие, такие, как сплав Вуда и спринклерный. Многие из вас знают, что они применяются в пожарном деле, но мало кто из вас видел противопожарные установки, гасящие пожар благодаря расплавлению легкоплавкого сплава. Эти установки называются спринклерными. Они являются надежными стражами от огня на складах, фабриках, в театрах. Эти установки сами гасят пожар и тотчас же сигнализируют на пожарный пост о возникновении пожара. Сейчас вы видите действующую модель такой уста
54
новки. Модель состоит из макета сцены, сигнальной системы, водопитателя, магнитофона. В верхней части сцены помещена трубка, к которой прикреплены разбрызгивающие головки. Трубка соединена шлангом с насосом, он — с резервуаром для воды. Основной составной частью сигнальной системы является реле, которое связано переносным контактом, а контакты реле соединены с лампочкой, звонком и мотором, приводящим в движение насос, который подает воду на разбрызгивающие головки. Распыленная вода гасит «огонь».
Один из проводов привода электродвигателя магнитофона разрезается, и оба конца выводятся наружу. Концы присоединяются к одной из пар контактов реле. К остальным контактам последовательно присоединяются лампочка, звонок и электродвигатель, приводящий в движение насос.
Перед демонстрацией модели магнитофон прогревается и включается кнопка «воспроизведение».
Теперь остается приготовить легкоплавкий сплав — это спринклерный сплав или сплав Вуда. В состав этих сплавов входят четыре металла: олово, свинец, кадмий, висмут. Эти сплавы отличаются друг от друга процентным содержанием каждого элемента и температурой плавления. Спринклерный сплав содержит: 53% висмута, 15% свинца, 20% олова, 12% кадмия и имеет температуру плавления 70 °C, в то время как сплав Вуда содержит 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия и имеет температуру плавления 60,5 °C.
Для изготовления спринклерного сплава отвешивается 26,5 г висмута, 7,5 г свинца, 10 г олова, 6 г кадмия. Отвешивается нужное количество олова и опускается в железный тигель. Тигель ставится на огонь. Когда олово начинает плавиться, добавляются остальные металлы в таком порядке, в каком они перечислены. Масса помешивается железной ложечкой. Подогреваем массу пока не получится сплав. Когда сплав остынет, он вынимается из тигеля. После снова расплавляется и каплями вливается в чашку с холодной водой, где застывает в виде горошин.
Все блоки изготовлены. Теперь остается собрать прибор. Сначала надевается кусок резинового шланга на отросток насоса и бака водопитателя. Отросток насоса соединяется с медной трубкой сцены. Реле соединяется при помощи вилок и розеток с переносным контактом, двигателем, магнитофоном, лампочкой и звонком.
В ложечку опускается таблетка сухого спирта. Между средними лепестками переносного контакта помещается кусочек сплава. Поджигается сухой спирт. От огня легкоплавкий сплав плавится, переносный контакт замыкается, и электрический ток поступает к обмотке реле. Ярмо реле натяги
55
вается к сердцевине, замыкая контакты. Одновременно загорается лампочка, звенит звонок, начинает работать электродвигатель, приводящий в движение водяной насос. Вода, попадая на головки, распыляется и гасит пламя. Воспроизводится запись на ленте. Магнитофон «рассказывает» об устройстве спринклерной установки, принципе ее действия, применении в технике.
12. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛИ ПЕННОГО ОГНЕТУШИТЕЛЯ ОХП-10
Внешний вид огнетушителя показан на рисунке 42.
Рис. 42. Внешний вид огнетушителя ОХП-Ю
Рис. 43. Схема огнетушителя ОХП-10
1. Серьга. 2. Шплинт. 3. Резиновое кольцо. 4. Втулка. «5. Шток. 6. Колпачок. 7. Прокладка. 8. Держатель. 9. Пробка. 10. Корпус. 11. Ручка. 12. Пробирка. 13. Нижнее кольцо. 14.
Ручка
56
Модель (рис. 43) состоит из корпуса (10), колпачка (6), держателя (8), штока (5), резиновой пробки (9), пробирки (12), ручки-серьги (1).
Для изготовления модели необходимо подобрать следующие материалы:
— для корпуса и колпачка — металлическую реторту;
— для уплотнения крышки — кусок резины толщиной 2 мм;
— для держателя — круглую болванку из латуни или меди, длиной 24 мм и диаметром 32 мм;
— для штока — прут из латуни диаметром 5 мм и длиной 65 мм.
Изготовление деталей прибора. Металлическую реторту можно приобрести в магазинах учебно-наглядных пособий. С реторты отвинчивается крышка, осторожно зажимается в тисках, и на расстоянии 5 мм от крышки ножовкой отпиливается трубка (рис. 44). Крышка готова. Согласно чертежу на токарном станке вытачивается держатель, затем шток. В держателе и в штоке просверливаются отверстия. Из жести делается ручка (серьга).
Для изготовления укороченной пробирки необходимо взять пробирку двумя руками за ободок и дно, повернуть се горизонтально, постепенно нагреть, вращая сперва в середине пламени, а потом на расстоянии 40 мм от пламени до края отверстия. Когда стекло совсем размягчится, часть пробирки оттягивается от себя. В результате получается короткая пробирка, которая служит стаканом.
Сборка и зарядка огнетушителя. К штоку прикрепляется ручка, а на другой конец штока надевается держатель. Затем к концу штока прикрепляется резиновая пробка. Теперь надо приготовить заряд огнетушителя. Он состоит из кислотной и щелочной части. Готовить их надо отдельно. Щелочная часть готовится из 16 г бикарбоната натрия и 2 г солодового экстракта. Оба вещества необходимо измельчить в фарфоровых ступках, а потом перемешать. Полученная смесь высыпается в стакан или банку, в нее добавляется 200 мл воды, все перемешивается стеклянной палочкой и фильтруется через марлю. В баллон заливается щелочной раствор. Пробирка заполняется кислотным раствором. Стакан надевается на пробку, резьба смазывается вазелином, держатель вставляется в реторту, крышка завинчивается.
Пользование прибором. Огнетушитель переворачивается дном вверх, так чтобы газ был направлен на пламя, ручка оттягивается до отказа на себя. Из спрыска вырывается струя пенящейся жидкости (рис. 45). Срок действия модели
57
Рис. 44. Детали огнетушителя ОХП-Ю
8 сек. Струя пены, вырывающаяся из огнетушителя, направ-вляется на горящий предмет. Лучше воспользоваться горящей ватой, смоченной спиртом. Для безопасности вату следует поместить в фарфоровую чашечку. Зарядка огнетуши-теля значительно упростится, если для этой цели использовать готовую кислотную и щелочную часть, выпускаемую
Рис. 45. Огнетушитель ОХП-10 в действии
промышленностью в виде порошков, расфасованных в полиэтиленовых пакетах. Кислотная часть состоит из смеси серной кислоты и сульфата железа (III), а щелочная часть из гидрокарбоната натрия и солодкового экстрата, добавленного для придания устойчивости пены. При демонстрации модели необходимо пользоваться защитными очками.
13. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ «ИСКРОДАТЕЛЬ»
В связи с тем, что в последнее время не выпускаются ИВ-100 и ИВ-50, мы предлагаем изготовление самодельного искродателя. Опыт показывает, что он успешно заменяет индуктор при демонстрации синтеза воды в эвдиометре и взрывчатых свойств нитроклетчатки.
Для изготовления прибора используются силовой трансформатор от приемника, реле на 4—5 В и три батарейки типа «Марс», «Сатурн», ФБС-0,25 или КБС-0,5.
59
Прибор собирается по схеме, показанной на рис. 46. Преобразователь монтируется в пластмассовом футляре. Размеры футляра зависят от величины трансформатора. С помощью искродателя можно получить искру 1 см и больше.
Рис. 46. Схема и устройство искродателя
14. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПУШКИ
ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СВОЙСТВ НИТРОКЛЕТЧАТКИ
Устройство прибора. Электропушка состоит из ствола, станины, оси, щитка, хомута, колес, автомобильной или мотоциклетной свечи. Для изготовления прибора необходимо подобрать следующие материалы:
— для ствола — болванка из латуни или алюминия, диаметром 31 мм и длиной 136 мм;
— для станины — пластинка из латуни размером 120 ммХ145 ммХ2 мм;
— для оси — четырехгранный стальной брусок 148Х Х14 мм;
— для щитка — лист цветного металла 180X130X1,5 мм;
— для хомута — стальной пруток, толщиной в 5 мм и длиной 120 мм;
— четыре гайки М-6 для крепления ствола и колес;
— два колеса из конструктора или от детской игрушки.
Изготовление деталей прибора. Из подобранной круглой болванки из цветного металла вытачивается на токарном станке сплошной ствол длиной 140 мм в виде усеченного конуса, как показано на рис. 47. Далее просверливается вдоль ствола отверстие диаметром в 10 мм.
60
/J#
Рис. 47. Детали электропушки
В задней части ствола нарезается резьба шагом, равным шагу подобранной автомобильной свечи. Далее вытачивается ось, на концах которой делается резьба для гаек и просверливаются два отверстия для хомута.
Для изготовления щитка в соответствии с рисунком 47 вырежем ножовкой деталь. Просверливаются два отверстия для крепления к оси. В центре щитка делается отверстие диаметром 28 мм для ствола.
Для крепления ствола делается хомут, на концах нарезается резьба М-6, а затем изготавливается станина.
Сборка прибора. На ось надеваются колеса и навинчиваются гайки, ствол продевается через отверстие щитка. Станина подкладывается под ствол таким образом, чтобы ее отверстия совпадали с отверстиями оси, хомут надевается на заднюю часть ствола, и концы его продеваются через эти отверстия. На резьбу навинчиваются гайки. Двумя болтами привинчивается щиток к оси. В ствол ввинчивается свеча, к боковой поверхности свечи припаивается ушко.
Получение нитроклетчатки. Для ее получения необходимы концентрированные азотная и соляная кислоты, вата и спирт.
Азотную кислоту получают действием концентрированной серной кислоты на нитраты натрия или калия при нагревании. В реторту насыпается 40—50 г нитрата натрия, наливается серной кислоты ровно столько, чтобы смочить всю соль. Реторта закрепляется в штативе, конец ее опускается в колбу, помещенную в сосуд с холодной водой, и нагревается через асбестовую сетку. Азотная кислота собирается в колбе. В случае отсутствия реторты можно использовать круглодонную колбу.
Нитрующая смесь готовится из концентрированной серной кислоты (2 объема) и концентрированной азотной кислоты (1 объем). К концентрированной азотной кислоте (2 объема) постепенно приливается серная. В остывшую смесь опускается на 7—20 минут кусок ваты и оставляется в ней. Затем вата вынимается и переносится в воронку, где осторожно отжимается и промывается до исчезновения кислой реакции. Для проверки время от времени опускается синяя лакмусовая бумажка — до тех пор, пока окраска не изменится. После этого вата просушивается между листами фильтровальной бумаги, смачивается денатуратом или спиртом и просушивается на воздухе.
Проведение опыта. Передняя часть ствола пушки плотно закрывается резиновой пробкой. В свободное отверстие вкладывается кусочек нитроклетчатки, ввинчивается свеча, а ее винт и ушко соединяются с индуктором. При включении индуктора образовавшаяся искра поджигает нитроклет-
62
чатку, которая быстро разлагается с образованием большого количества газообразных продуктов. Происходит взрыв в канале ствола, пробка выталкивается с большой силой.
Техника безопасности. После зарядки пушка поворачивается в сторону от сидящих. Все монтажные работы необходимо проводить при выключенном токе. Следить, чтобы провода не соприкасались с металлическими предметами и друг с другом. Все контакты должны быть хорошо изолированы. Нитроклетчатку необходимо хранить в закрытой баночке, вдали от огня.
15. ПРИБОР ДЛЯ СЖИГАНИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА
Используемые в школе индукционные катушки — маломощные, с их помощью визуально наблюдать образование оксида азота (IV) не удается. Для увеличения мощности катушки нами был смонтирован универсальный выпрямитель-усилитель. Прибор не только увеличивает мощность катушки, но и выпрямляет ток. Благодаря сочетанию этих двух качеств один прибор с успехом может быть использован для проведения опытов по химии, связанных с электрическим током.
Рис. 48. Общий вид прибора для сжигания атмосферного азота
Прибор (рис. 48) состоит из диодов, конденсатора, резисторов, сигнальной лампочки и теристора. Эти детали собраны по схеме, указанной на рисунке 49, и вмонтированы в коробку из органического стекла. Взаимодействие азота с кислородом осуществляется в стеклянной трубке (камере), в которую вставлены два металлических электрода, находящихся на расстоянии 2—4 см друг от друга (рис. 48).
Для приведения прибора в действие достаточно соединить выходные клеммы с индукционной катушкой, последнюю — с электродами камеры, завернуть регулировочный
63
винт прерывателя до отказа, вставить вилку в розетку, включить первый тумблер и удостовериться в исправности выпрямителя (сигнальная лампочка горит).
В зависимости от желаемой скорости протекания процесса поочередно включить Вкг, Вк3, Вк4. Мощность искры регулируется переменным сопротивлением В7 (рис. 49). Через 2—3 минуты камера заполняется бурым газом — оксидом азота (IV).
Технические данные использованных деталей:
Пр 1 — предохранитель на 5 А.
Вкь Вк5 — выключатель на 5 А. Вкг, Вк3— выключатель на 1 А.
Ci—С4 — конденсаторы типа МБГО или МБП на 10 мкф с рабочим напряжением 400 В. С5 — на 0,1 мкф, с рабочим напряжением 400—500 В.
Ri—R4 — сопротивление типа ВС-2 или МЛТ-2 на 200— 500 Ком.
Rs — типа ВС-2 или МЛТ-2 на 400—500 Ком.
R6 — типа ВС-2 или МЛТ-2 па 2 Ком.
R7 — переменное сопротивление типа СП-2 или СПО-2 на 20—30 Ком.
Д1—Д4 — кремниевые диоды типа Д232, рассчитанные на 10 А и на 400 В.
Т — тиристор, рассчитанный на 10—20 В и 600—800 В.
Д5 — типа Д7Ж.
16. МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ГОРЯЩЕГО НЕФТЯНОГО ФОНТАНА И ЕГО ГАШЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНОЙ
Прекращение горения керосина с помощью взрыва. Для демонстрации опыта из детского конструктора изготовляются модель нефтяной вышки и тележка (рис. 50). Внутрь вышки помещается полиэтиленовая бутылка с керосином. Для того, чтобы получить вертикальное пламя, в бутылку вставляется трубка от пульверизатора, с нее свинчивается головка, изогнутый конец отрезается. На прямую трубку одевается головка пульверизатора.
Чтобы получить достаточно сильное пламя, разрезается трубка резиновой груши, и в ее концы вставляется стеклянный кран. При закрытом кране воздух накачивается в баллон груши до тех пор, пока он значительно не увеличится в объеме. Это необходимо для того, чтобы воздух поступал в бутылочку с керосином под значительным давлением, что в свою очередь даст хорошее пламя.
64
2065
Рис. 49. Схема выпрямителя-усилителя
Далее подготавливаются вещества для взрыва. В ковш тележки помещается полиэтиленовая бутылка, в нее погружается смесь карбида кальция, оксида марганца (IV) и солодкового экстрата. (Солодковый экстрат можно приобрести
в аптеке). К сухой смеси указанных веществ добавляется небольшое количество 10%-ного раствора пероксида водорода. В результате химических реакций, происходящих между веществами смеси, образуется большое количество пузырьков пены, заполненных смесью ацетилена с кислородом.
После этого открывается кран баллона пульверизатора с воздухом. Струя керосина, которая выливается из головки пульверизатора, поджигается. Возникает сильное пламя. К этому пламени подводится ковш. Смесь ацетилена с кис-лородом взрывается. Взрывная волна сбивает пламя. Горение керосина прекращается.
17. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
Изготовление прибора для получения этилена гетерогенным катализом этилового спирта. Различные способы получения этилена неоднократно описаны в учебно-методической литературе (Цветков Л. А. Эксперимент по органической химии.—М.., 1966; Коновалов В. Н. Техника безопасности при работах по химии. — М., 1973). Однако, школьная практика выдвигает необходимость более рационального и экономич
66
ного использования этанола. Применяемый в настоящее время способ получения этилена на основе гомогенного катализа (взаимодействие этанола с серной кислотой) требует относительно больших количеств 96%-ного этанола, причем реакционную смесь ввиду протекания побочных реакций (этерификация, образование взрывоопасных соединений) необходимо после эксперимента сливать. Предлагаемый прибор позволяет не только показывать свойства этилена при малых (нс более 3 мл) затратах этанола, но и использовать малоконцентрированные спиртосодержащие жидкости (водку, различные тенктуры). При этом единственным ограничением является температура кипения примесей, которая не
Рис. 51
должна быть ниже 78,3 °C. Эти преимущества достигаются за счет применения широко используемого на практике гетерогенного катализа.
Использование гетерогенного катализа позволяет прервать реакцию в любой момент, заранее заряжать прибор этанолом, т. е. значительно упрощает и сокращает процесс подготовки к уроку.
Пары азеотропной смеси из колбы Вюрца (1) (рис. 51) поступают в реакционную колонку (2) (кварцевая или стеклянная трубка диаметром 20 мм, длиной 160 мм). Катализатором является осажденный на черепках (3) оксид алюминия. Дополнительно можно использовать и порошкообраз
5’
67
ный оксид. В этом случае необходимы тампоны-фильтры из стекловаты (4).
Между реакционной трубкой и изготовленными из демонстрационных пробирок промывалками для газа (7) стоит тройник (5), необходимый для выравнивания давления в приборе и, тем самым, предотвращения засасывания жидкости в реактор. Зажим (6) снимается после прекращения нагревания колбы (1). Полезно также защитить прибор от засасывания клапаном Бунзена (8). Клапан состоит из закрытой с конца резиновой трубки, вдоль которой нанесен сквозной разрез.
Для демонстрации горения газа конец отводящей трубки (9) оттягивается. Ввиду взрывоопасности смеси этилена с воздухом в трубку ставится предохранительная медная спираль (10). Перед поджиганием необходимо проверить этилен на чистоту.
В колбу (1) обязательно вводятся запаянные с одного конца капилляры. Нагрев колбы осуществляется водяной баней (11). Для реакционной трубки более рационально использовать нагрев электроспиралью (12), с обмоткой из стеклоткани или обмазкой асбестом на жидком стекле. Возможны и другие нагреватели: сухое горючее, спиртовка и т. д. Сначала нагревается реакционная трубка. Склянка (7) заполняется соответственно растворами брома и перманганата калия. Демонстрация опыта занимает не более 3—4 минут. Если необходимо демонстрировать опыт в параллельном классе, этанол из прибора сливать не обязательно, достаточно надеть зажим перед тройником (5) и добавить перед нагревом новые капилляры.
Катализатор готовится путем обработки черепков гидроксидом алюминия.
Прибор для получения уксусного альдегида путем дегидрирования этанола на оксиде цинка. Прибор состоит (рис. 52) из колбы Вюрца (1), реактора (2), холодильника Либиха (3), форштоса (4), приемника (5), газоотводной трубки (6), нагревателей (7), водяной бани (8).
Вначале нагреваем реактор, затем на водяной бане — парообразователь (колба Вюрца). Из колбы Вюрца (обязательно поместить капилляры) пары спирта поступают в реактор, представляющий собой кварцевую (стеклянную) трубку диаметром 15—20 мм, плотно набитую катализатором. Катализатор готовится следующим образом: кусочки неглазу-рованной керамики диаметром 5 мм оставляются на ночь в насыщенном растворе оксида цинка в хлориде аммония. (Избыток оксида засыпается в горячий 10%-ный водный раствор хлорида аммония). Катализатор прокаливается под тягой.
68
Альдегид конденсируется в водяном холодильнике (3) и стекает через форштос (4) в приемник (5). Водород, выходящий через трубку с оттянутым концом (6), после проверки на чистоту можно поджечь. В этом случае в трубку вводятся кусочки медной проволочки (спирали). После прекращения нагревания парообразователя пламя следует погасить.
Рис. 52. Прибор для получения уксусного альдегида путем дегидрирования этанола на оксиде цинка
1. Колба Вюрца. 2. Реактор. 3. Холодильник Либиха. 4. Форш-тсс. 5. Приемник. 6. Газоотводная трубка. 7. Нагреватели.
8. Водяная баня
Наряду с реакциями серебрянного зеркала и окислением уксусного альдегида гидроксидом меди при нагревании можно продемонстрировать учащимся запах уксусного альдегида (запах гнилых яблок).
При демонстрации горения альдегида обращается внимание на желтую, в отличие от этанола, окраску пламени. Объяснение этому явлению дают сами учащиеся.
Использование данных приборов в практике обучения способствует формированию у учащихся более правильных представлений о современной химической промышленности, развитию понятия о взаимосвязи между различными классами органических соединений.
69
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Воскресенский П. И. Начало техники лабораторных работ.— М., 1971.
2. Верховский В. Н., Смирнов А. Д. Техника химического эксперимента. Т. 1.—М., 1973; Т. 2.—М., 1975.
3. Грабецкий А. А., Назарова Т. С. Кабинет химии. — М., 1980.
4. Дрижун И. Л., Кузнецова Н. Е., Лившиц С. И. Конструирование приборов и лабораторного оборудования по химии. Обработка и применение материалов. — Л., 1986.
5. Методическое пособие для школьного конструкторского кружка химии. — Владимир, 1974, вып. 3.
6. Коновалов В. Н. Техника безопасности при работах по химии.— М., 1980.
7. Н а з а р о в а Т. С., Грабецкий А. А., Алексинский В. Н. Организация работы лаборанта в школьном кабинете химии. — М., 1984.
8. Охрана труда в школе: Сборник нормативных документов. — М., 1981.
9. Полосин В. С. Школьный эксперимент по неорганической химии.— М., 1970.
10. Ситкевич Л. Н. Химический эксперимент в школе. — Минск, 1969.
11. X о м ч е н к о Г. П., Платонов Ф. П., Чертков И. Н. Демонстрационный эксперимент по химии. — М., 1978.
12. Цветков Л. А. Эксперимент по органической химии в средней школе. — М., 1966.
13. Ч е р т к о в И. Н., Черняк И. А., Кол уд апо г Ю. А. Самодельные демонстрационные опыты по химии.—*М., 1976.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................. 3
Глава 1. Изготовление лабораторного оборудования ... 6
1. Изготовление самодельных горелок для работы со стеклом и для демонстрационного эксперимента............................6
2. Изготовление самодельного школьного штатива . . . .13
3. Использование микрокомпрессора для получения высокотемпературного пламени............................................17
4. Электрический пробирконагреватель....................19
Глава II. Конструирование и изготовление приборов по химии на основе применения электротехнических деталей (Электронизация химического эксперимента)................................20
1. Изготовление простых полупроводниковых выпрямителей и их использование в практике обучения...........................20
2. Полупроводниковая приставка к прибору Гофмана . . .23
3. Изготовление приборов по кинетике химических реакций . . 24
4. Демонстрация зависимости скорости реакции от поверхности твердых веществ................................................33
5. Использование хронометрических устройств низкого напряжения в приборах по кинетике химических реакций...............35
6. Изготовление универсального прибора для электролиза растворов электролитов .......................................... 38
7. Изготовление прибора для демонстрации законов Фарадея 41
8. Изготовление универсального комбинированного прибора для демонстрации электролиза растворов, законов Фарадея и измерения скорости процесса..........................................45
9. Изготовление универсального комбинированного прибора для демонстрации законов Фарадея и измерения скорости процесса на основе использования выпрямителя ВС-24.........................48
10. Прибор для демонстрации диссоциации воды .... 50
11. Изготовление модели спринклерной установки . . . -51
12. Изготовление модели пенного огнетушителя ОХП-Ю . . 56
13. Преобразователь напряжения «Искродатель».............59
14. Изготовление электропушки для демонстрации свойств нит-троклетчатки ................................................. 60
15. Прибор для сжигания атмосферного азота...............63
16. Модель для демонстрации горящего нефтяного фонтана и его гашения взрывной волной....................................64
17. Изготовление приборов для получения органических веществ на основе гетерогенного катализа.........................66
Рекомендуемая литература...................................70
71
И. Л. Дрижун, -L Е. Кузнецова, С. И. Лившиц
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ХИМИИ. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МЕТОДИКА РАБОТЫ С ПРИБОРАМИ
Учебное пособие
Тематический план 1987 г., позиция № 338
Редактор Т. 10. Уша Технический редактор К. П. Орлова
Сдано в набор 16.03.87 г. Подписано к печати 09.06.87 г. М-34130. Формат бумаги бОХЭО1/^. Бум. тип. № 1. Объем: 4,5 уч.-изд. л.; 4,5 усл. печ. л. Тираж 1000 экз. Печать высокая. Гарнитура литературная. Заказ 2065. Цена 68 коп.
Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени государственный педагогический институт имени А. И. Герцена. 191186, Ленинград, набережная реки Мойки, 48.
Межвузовская типография (3) СППО-2 Ленуприздата
198013, Ленинград, Московский пр., 26