2.2 Состав виртуального лабораторного практикума по общей химии

В виртуальном лабораторном комплексе лабораторные работы разбиваются на 6 блоков. Рассмотрим их подробнее.

Блок 1. Определение состава кристаллогидрата.

Некоторые кристаллогидраты солей имеют свойство при нагревании терять воду и превращаться в безводные соли. Например,

CaSO₄ H₂O CaSO₄ + 2Н₂0 .

Зная массу взятого кристаллогидрата и полученной из него безводной соли, можно найти содержание воды в кристаллогидрате и установить его формулу. Обезвоживание кристаллогидрата проводят при температуре, несколько превышающей температуру его разложения. Температура разложения t_разл – это та температура, при которой давление пара Н₂0 над кристаллогидратом равно атмосферному (101,3 кПа). Чтобы убедиться в полноте обезвоживания соли, прокаливание проводят до тех пор, пока результаты двух последних взвешиваний соли не будут равны (с точностью до 0,01 г).

Многие кристаллогидраты при нагревании не только теряют воду, но и разлагаются в результате протекания гидролиза и иных химических реакций. Например,

4Al(NO₃)₃ Н₂O 2Аl₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂ + 36Н₂O

Для таких кристаллогидратов нельзя определить содержание кристаллизационной воды по потере массы при нагревании.

Целью работы является определение содержания воды в кристаллогидрате и установление его формулы.

Блок 2. Приготовление раствора заданной концентрации.

Например, необходимо разными способами приготовить 175 мл 5,6 % раствора NaCl.

Раствор – это многокомпонентная гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Растворитель – это компонент раствора, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Если раствор образован смешением газа с газом, жидкости с жидкостью, твердого вещества с твердым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.

Концентрация раствора – это величина, характеризующая количественный состав раствора. Концентрацией растворенного вещества называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора (моль/л, г/л).

Способы выражения концентрации:

Процентное содержание (ω, %_масс) – число массовых частей растворенного вещества в 100 массовых частях раствора.

Титр (Т) – число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Молярность (С_м) – число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Нормальность (С_н) – число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора.

Моляльность (m) – число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Мольная доля (х_i) – отношение числа молей i-ro компонента раствора к общему числу молей n веществ в растворе.

Мольное отношение – отношение числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя.

Определение концентрации раствора:

Концентрацию раствора можно определить по его плотности, которую измеряют при помощи ареометра.

Ареометр – это прибор для измерения плотности жидкостей, представляющий собой стеклянную трубку, нижняя часть которой заполнена дробью или ртутью для достижения необходимой массы; в верхней части находится шкала, проградуированная в единицах плотности.

Ареометр опускают в раствор; плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость.

Концентрацию исследуемого раствора находят, пользуясь табличными данными о плотности в зависимости от концентрации раствора. Если в таблице нет значения плотности, точно соответствующего показанию ареометра, концентрацию находят интерполяцией.

Приготовление раствора заданной концентрации:

Для того, чтобы рассчитать, какое количество исходного раствора необходимо ваять для приготовления указанного объема заданного раствора, нужно найти следующие данные:

1. плотность раствора заданной концентрации;

2. массу заданного раствора;

3. массу сухого вещества, содержащегося в заданном растворе;

4. массу исходного раствора, содержащего данное количество сухого вещества;

5. объем исходного раствора;

6. массу воды, которую нужно добавить к исходному раствору (она равна разности масс исходного и заданного растворов).

Блок 3. Изучение окислительно-восстановительных реакций.

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют реакции, в результате протекания которых происходит изменение степени окисления элементов вследствие смещения или полного перехода электронов от одних атомов или ионов к другим.

Степень окисления соответствует заряду иона или формальному заряду атома в молекуле или в формульной единице.

Окисление – процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление – процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно.

Окислители – атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны.

Восстановители – атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны.

Типичные окислители: атомы и молекулы некоторых неметаллов (галогены и кислород); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы элементов в высшей или одной из наиболее высоких степеней окисления (например, Mn⁺⁷О₄^-, S⁺⁶O₄^2-).

Типичные восстановители: почти все металлы и некоторые неметаллы (С, Н₂) в свободном состоянии; отрицательно заряженные ионы неметаллов (I^-, S^2-,P^3-); катионы, степень окисления которых может возрасти (Fe²⁺. Сu⁺); сложные ионы и молекулы, содержащие атомы в промежуточной степени окисления (S⁺²О₃^2-, N⁺³О₂^2-).

Характер многих окислительно-восстановительных реакций зависит от среды, в которой они протекают. Для создания кислой среды чаще всего используют разбавленную серную кислоту; для создания щелочной среды чаще всего используют растворы КОН и NaOH; для создания нейтральной среды используют дистиллированную воду.

Для составления уравнений ОВР надо знать, от каких атомов, молекул или ионов и к каким атомам, молекулам или ионам переходят электроны и в каком количестве.

Цель работы: составить уравнения ОВР; расставить в них стехиометрические коэффициенты; провести ОВР с участием различных веществ.

Блок 4. Комплексные соединения.

Комплексные (или координационные) соединения – это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному атому (или иону), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами.

В структуре комплексных соединений различают координационную (внутреннюю) сферу, состоящую из комплексообразователя (иона или атома) и окружающих его лигандов (молекулы или ионы противоположного знака), и внешнюю сферу (ионы, находящиеся за пределами внутренней сферы). В формулах комплексных соединений координационную сферу заключают в квадратные скобки (например, [Cu(NH₃)₄]SО₄, K₂[Zn(OH)₄]).

Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, называется координационным числом.

Если лиганды содержат только один атом или группу, которыми они присоединяются к комплексообразователю, то их называют монодентатными; если два – бидентатными; три – тридентатными.

В зависимости от заряда комплексообразователя и лигандов внутренняя сфера может иметь положительный или отрицательный заряд или не иметь заряда. По этому признаку соединения относят к комплексам катионного, анионного или нейтрального типа.

Каждое из комплексных соединений имеет характерный цвет. Их окраска зависит от типа лигандов и комплексообразователя.

Цель работы: получить различные комплексные соединения.

Блок 5. Гидролиз солей.

При растворении солей в воде, наряду с процессами электролитической диссоциации с образованием гидратированных ионов, происходит обменная реакция между молекулами воды и растворенного вещества – гидролиз.

Гидролиз бывает обратимый и необратимый. Положение равновесия обратимого гидролиза зависит от того, какой электролит слабее – вода или образующееся соединение. Вода –слабый электролит.

H₂O Н⁺ + ОН^- или 2H₂O Н₃О⁺ + ОН^-.

Равновесие реакции характеризует ионное произведение воды:

= [H⁺][OH^-] = 10^-14.

В чистой воде при 298 К: [H⁺] = [ОН^-] = 10^-7 моль/л. При добавлении к воде кислот или щелочей концентрация ионов [H⁺] и [OH^-] меняется. Концентрацию ионов [Н⁺] выражают в логарифмической шкале. Отрицательный десятичный логарифм этой концентрации называют водородным показателем и обозначают pH: pH = –lg[H⁺].

Изменение pH при растворении вещества в воде является одним из основных признаков протекания в растворе гидролиза. Для нейтрального раствора pH = 7, для кислого pH < 7, для щелочного pH > 7.

Блок 6. Определение концентрации раствора титрованием.

Цель работы: определить точное значение концентрации раствора карбоната натрия титрованием.

Раствор – это многокомпонентная гомогенная система, в которой одно вещество распределено в среде другого или других веществ. Чаще всего работают с жидкими растворами. Компоненты жидкого раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество.

Отношение количества растворенного вещества к массе (или объему) раствора (или растворителя) называют концентрацией раствора.

Широко используют следующие способы выражения концентрации раствора:

Процентное содержание (%_масс) – число массовых частей растворенного вещества в 100 массовых частях раствора.

Титр (Т) – число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Молярность (М) – число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Нормальность (N) – число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора.

Моляльность (m) – число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Мольная доля (х_i) – отношение числа молей i-ro компонента раствора к общему числу молей n веществ в растворе.

Мольное отношение – отношение числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя.

Для точного определения концентрации растворов широко используют метод, основанный на титровании. Этот метод заключается в постепенном прибавлении к определенному объему исследуемого (титруемого) раствора другого раствора – титранта, концентрация которого известна, до тех пор, пока вещества, содержащиеся в этих растворах, не прореагируют без остатка. Момент окончания реакции – конечную точку титрования – определяют при помощи индикатора (метилоранж, лакмус, фенолфталеин), добавляемого к титруемому раствору. Цвет индикатора изменится в точке эквивалентности – конечной точке титрования.

Также виртуальный лабораторный практикум включает в себя: многофункциональную мультимедийную оболочку; блок тестовых заданий для самоконтроля студента; виртуального помощника, который контролирует ход работы.

Виртуальный лабораторный практикум по дисциплине “Общая химия” будет размещен на учебном портале РХТУ им. Д. И. Менделеева в модульной объективно-ориентированной среде обучения Moodle, а так же может распространяться на компакт дисках.