Text
                    Политехническое
ОБУЧЕНИЕ В ШКОЛЕ
опыты похимии
наук сдч/
дателЬС'ш
‘Академии педагогически ус
академия педагогических наук РСФСР ИНСТИТУТ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ
Политехническое обучение в школе
А. А. ГРАБЕЦКИЙ
ОПЫТЫ по химии
в связи
С ОЗНАКОМЛЕНИЕМ УЧАЩИХСЯ
С НАУЧНЫМИ ОСНОВАМИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК РСФСР Москва 1957
Печатается по решению Редакционно-издательского совета Академии педагогических наук РСФСР
Данная книга может быть рекомендована для учителей химии. Предлагаемые в ней опыты описываются в нескольких вариантах. Это даст возможность учителю выбрать наиболее подходящие из них для определенного класса, школы.
Главное внимание в пособии обращено на описание техники эксперимента; даются также общие методические указания к проведению опытов на уроках и внеклассных занятиях.
В «Карточках демонстрационных опытов» помещены наиболее рациональные варианты опытов, описанных в основном тексте. В карточках указываются: оборудование для каждого опыта, техника работы, наблюдаемые явления и ,их сущность.
Проверка рекомендуемых опытов на уроках и внеклассных занятиях по химии производилась в базовых школах Института методов обучения АПН РСФСР № 315 и № 204 Москвы при активном участии учителей: М. Л. Тетерина, И. П. Ястребовой и Л. М. Бре-менер. Некоторые опыты были проверены под руководством И. А. Черняка и В. С. Полосина группой студентов и учителей г. Москвы и Московской области.
Критические замечания и пожелания просим направлять в Институт методов обучения АПН РСФСР по адресу: Москва Б-64, Лобковский пер., д. 5/16.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОПЫТОВ
Политехническое обучение предполагает ознакомление учащихся с приложениями химической науки в промышленности и сельском хозяйстве, привитие учащимся практических умений и навыков. Особенности преподавания химии в связи с осуществлением задач политехнического обучения (содержание учебного предмета, методы работы и другие вопросы) подробно изложены в книге, составленной сотрудниками Лаборатории методики химии Института методов обучения Академии педагогических наук РСФСР1, и поэтому мы на этих вопросах останавливаться не будем.
Тематика демонстрационных опытов, отражающих химическое производство. В курсе химии средней школы освещаются в той или иной степени многие производственные процессы. Однако для формирования понятий о химических производствах достаточно изучить только наиболее типичные из них (синтетической соляной кислоты, серной кислоты контактным способом, аммиака, азотной кислоты, минеральных удобрений, переработку твердого топлива и металлургию). Об остальных производствах, предусмотренных программой, даются лишь общие представления.
При демонстрации опытов учащиеся' выясняют важнейшие принципы, положенные в основу производства химических продуктов. Так, при постановке опыта получения синтетической соляной кислоты школьники встречаются с принципом противотока. Этот же принцип наглядно представлен при перегонке жидкостей с холо-
1 С. Г. III а п о в а л е н к о, Д. А. Эпштейн, Л. А. Цветков, П. А. Глориозов, Вопросы политехнического обучения в преподавании химии, М„ Учпедгиз, 1954.
3
ДиЛЬнйком Либиха, с чем учащиеся знакомились £ще пй первых уроках химии. Демонстрационный опыт получения серной кислоты контактным методом наглядно показывает влияние температуры, концентрации реагирующих веществ и катализатора на скорость химической реакции. Незначительный выход аммиака при взаимодействии азота с водородом в присутствии катализатора и при оптимальной температуре указывает на необходимость вести этот процесс при повышенном давлении, а также применять циркуляционную схему процесса.
Таким образом, на конкретных примерах учащиеся узнают, как влияют: температура, концентрация, величина поверхности соприкосновения реагирующих веществ, катализаторы, давление, противоток, циркуляция веществ и другие факторы на течение химических реакций.
При подготовке и проведении демонстрационных опытов нужно учитывать и другие особенности производства, например, агрегатные состояния реагирующих и образующих веществ (твердых, жидких и газообразных) и характер используемой энергии (механической, тепловой и электрической) для осуществления требуемых превращений веществ.
Механической обработке исходного материала, промежуточных веществ и готовой продукции, имеющей столь важное значение в производстве, в демонстрационных опытах не отводится особенно большого места. Между тем на влияние температуры и электрической энергии при постановке демонстрационных опытов обращается большое внимание.
Сравниваются состав и свойства исходных, промежуточных и образующихся веществ в школьном опыте и на производстве.
Большая часть изучаемых в средней школе производственных процессов излагается в сопровождении демонстрационных опытов, которые можно условно сгруппировать по следующим производствам:
1.	Основной неорганический синтез. Получение соляной, серной и азотной кислот и аммиака.
2.	Производство минеральных солей: аммиачной селитры, соды, а также фосфатных и калиевых удобрений.
3.	Электрохимические производства. Электролиз воды и раствора хлористого натрия с целью получения водорода, кислорода, хлора и едкого натра.
4
4.	Термическая переработка топлива. Получение воздушного и водяного газов, сухая перегонка древесины, каменного угля и крекинг нефти.
5.	Органический синтез. Производство уксусного альдегида и уксусной кислоты, гидрогенизация масла, получение искусственного волокна и, как пример электросинтеза, электролитическое восстановление нитробензола.
6.	Металлургия. Восстановление металлов из их окис-лов углем и окисью углерода, обжиг сернистых руд, получение металлов электролизом из растворов и расплавов их солей, а также алюмотермическим путем.
Условность такого подразделения видна, например, из того', что электрохимические производства применяются' не только для получения водорода, кислорода, хлора и щелочей, но и для выработки соляной кислоты синтетическим способом, а также при производстве металлов и некоторых органических веществ.
Тем не менее целесообразно придерживаться приведенной выше последовательности, принятой в курсах современной технологии, что примерно отвечает и расположению материала по отдельным производствам в программе химии для средней школы.
Несколько обособлены два опыта — получение водорода железопаровым способом и получение извести путем обжига известняка. Эти опыты демонстрируются в VII классе, но они в большей мере отвечают уровню подготовки учащихся старших классов, когда изучаются свойства железа и щелочноземельных металлов.
Основные требования к демонстрированию опытов. Характерная особенность учебного демонстрационного эксперимента — завершенность в определенный отрезок времени —особенно отчетливо выступает при демонстрации опытов, представляющих единое целое с изложением учителя. Кроме того, учебный эксперимент должен обладать максимальной выразительностью. Последнее требование не означает, что нужно прибегать к упрощенчеству и примитивизму.
Каждый из разбираемых ниже опытов имеет свои особенности, обусловленные характером изучаемого явления и той конкретной учебно-воспитательной задачей, которая стоит перед учителем. Но все опыты должны отвечать целому ряду общепедагогических и частнометодических требований (наглядность, простота, надежность,
5
безопасность опытов), которые достаточно подробно рассмотрены в литературе Ч
К существенным требованиям принадлежит также и обеспечение хорошей видимости опыта для всех учащихся. Это достигается применением приборов достаточно крупных размеров, значительных количеств реактивов, созданием контрастности (при помощи фонов, освещения) и т. п. Но из сказанного не следует, что размеры аппаратуры и количество реактивов в демонстрационных опытах должны быть всегда большими. В ряде случаев это может создать определенные неудобства: большую затрату времени на нагревание, излишний расход реактивов, возможность образования вредных для здоровья продуктов и пр.
Для уяснения деталей конструкции аппаратуры, выставленной на демонстрационном столе, бывает полезно предварительно на доске сделать зарисовку отдельной детали, которую трудно рассмотреть на готовом приборе. Демонстрацию некоторых процессов удобно производить с использованием проекционной аппаратуры. Проектирование на экран опытов, например по коррозии металлов, хорошо воспринимается всеми учащимися, если для этого применяются даже малые количеств реактивов. При демонстрации опыта учитель дает необходимые объяснения, помогающие учащимся раскрыть сущность наблюдаемых явлений.
При объяснении эксперимента учитель должен отмечать трудности, встречающиеся при выполнении опыта, и указывать пути их преодоления. Кроме того, всякий раз следует предупреждать учащихся о возможных опасностях в процессе демонстрации опытов.
Особенности демонстрационных опытов, отражающих производственные процессы. Опыты, отражающие химизм производственных процессов, должны отвечать общим требованиям дидактики, которые могут быть кратко выражены так: опыты должны быть доступными пониманию учащихся и
1 В. Н. Верховский, Техника и методика химического эксперимента в школе, т. I и II, Учпедгиз, 1947 и 1949: Л. А. Цветков, Эксперимент по органической химии в средней школе, М., Учпедгиз, 1959, изд. 2, 1954; К. Я. Парменов, Демонстрационный химический эксперимент, М., Изд-во АПН РСФСР, 1654.
6
давать в течение отведенного времени (одного урока) не обходимый учебно-воспитательный эффект.
Вместе с тем опыты с производственным содержанием имеют и некоторые особенности: они должны возможно точнее отражать химические процессы, лежащие в основе производства тех или иных продуктов, но не копировать технологический процесс.
Демонстрируемые в школьных условиях опыты во многом отличаются от аналогичных химических процессов, осуществляемых в производственных условиях. Различие состоит не только в конструкции и размерах аппаратуры и материала, из которого она изготовлена, условий проведения процесса, но и в составе и свойствах исходного сырья и в предварительной обработке. Например, для школьного опыта по обжигу сернистой руды не имеет сколько-нибудь существенного значения степень ее предварительного измельчания. Между тем в технике небезразлично, будет ли руда в виде порошка или гранул. Поэтому после флотации сернистую руду (например: ZnS) перед обжигом подвергают агломерации (смешение руды при умеренном нагревании с углем до образования частичек определенных размеров), совершенно излишней в школьном опыте.
Равным образом выход продукта и степень его чистоты, играющие первостепенную роль в технике, в учебном демонстрационном опыте отодвигаются на задний план или совсем не принимаются во внимание.
На уроке в школе могут быть показаны лишь простейшие установки, облегчающие выяснение сущности физико-химических процессов, протекающих при производстве того или иного продукта. Например, в условиях школы не могут быть показаны процессы, требующие применения очень высоких температур или давлений, а также нецелесообразно стремиться воспроизводить все детали производственного процесса, если даже это посильно школьному кабинету химии, так как в излишних подробностях теряется главное. Например, при демонстрации опыта получения соляной кислоты синтетическим способом вряд ли целесообразно добывать водород и хлор электролизом раствора хлористого натрия, как это делается в промышленности. Если даже отвлечься от того обстоятельства, что процессы электролиза не изучаются в VIII классе, то нагромождение в одном опыте столь
7
большого числа аппаратов затрудняет учащимся усвоение главного — синтеза и растворения хлористого водорода. Но для внеклассных занятий и при повторении курса химии в X классе такой комбинированный прибор представляет интерес.
В связи с отмеченным обстоятельством вряд ли можно принять безоговорочно идею действующих моделей заводов1. В самом деле, между «заводом на столе» и действительным производством очень мало общего.
Сказанное относится не только к простым опытам, проводимым в средней школе, но и к весьма сложным— в технической школе, где учитываются выход продукта, степень его чистоты и другие требования производства. Различие между лабораторным опытом и производственным процессом нужно всякий раз иметь в виду, чтобы учащиеся не получили извращенного примитивного пред-ствления о современном производстве. Понятие о нем формируется не только в процессе демонстрации опытов но и другими средствами, о чем будет сказано дальше. Из этого не следует, что вообще нужно отказываться от действующих моделей заводских аппаратов. Они важны в первую очередь для работы на внеклассных занятиях в школе, на детских технических станциях и т. д. На уро-нах же, при демонстрации опытов, используются не специальные модели заводских установок, а предметы обычного лабораторного оборудования.
При конструировании демонстрационных установок следует пользоваться типовым оборудованием химической лаборатории. Только в тех случаях, когда испытывается в таком оборудовании недостаток, оно заменяется самодельным (промывалками, холодильниками и т. д.).
Несмотря на то, что между школьными опытами и производственными процессами имеются существенные различия, не следует забывать и общие черты между ними. Например, в обоих случаях в результате протекания идентичных химических процессов получают одинаковые продукты. Тем не менее, исходные материалы, условия проведения опыта, конструкция аппаратуры и другие моменты могут (а в ряде случаев должны) быть различ-
1 М. М. Гостев, Химический завод иа столе, М., ОНТИ, 1936.
8
ними. Кроме того, в школьном опыте можно показать лишь отдельные стадии технологического процесса, только некоторые свойства исходного сырья и готового продукта и лишь некоторые особенности применяемой аппаратуры. Так, для характеристики доменного процесса выбрана лишь одна реакция—восстановление окиси железа окисью углерода, так как она наиболее отчетливо выявляет химизм В1ыплавки железа из руды.
В ряде случаев, как уже говорилось, современные способы производства того или иного продукта вообще нельзя представить доступными в средней школе средствами, например синтез аммиака при высоком давлении. Тогда или нужно отказаться от опыта, или видоизменить его настолько, чтобы в нем отражались лишь одна-две какие-либо стороны процесса. Так, синтез аммика можно осуществить и при атмосферном давлении (правда, с ничтожным выходом), показав при этом роль катализатора и температуры. Представление о синтезе аммика можно получить также, изучая реакцию разложения этого вещества. Таким путем, в частности, были получены данные об условиях протекания этой обратимой реакции.
В школьную практику прочно вошли полноценные демонстрационные опыты, отражающие не самые передовые, а несколько устаревшие, хотя и применяемые еще методы производства тех или иных продуктов, например: получение водорода железопаровым способом, соляной кислоты сульфатным методом, окислов азота в пламени электрической дуги и др.
Мы думаем, что нет оснований отказываться от подобных опытов, имеющих значительную учебно-воспитательную ценность, лишь на том основании, что они утратили прежнее промышленное значение. Но от разбора технологических процессов в этих случаях нужно отказаться.
Связь М’ёжду демонстрационными опытами и другими видами наглядности. С химическими производствами учащиеся знакомятся не только при демонстрации соответствующих опытов, но и при использовании других средств наглядного обучения, тесно связанных друг с другом. В первую очередь школьники должны непосредственно ознакомиться с конкретными веществами. С этой целью они рассматривают выставленные на демонстрационном столе образцы сырья, промежуточных веществ, образующихся в ходе реакции,
9
и готовой продукции, а также реактивы и катализаторы, используемые в производстве тех или иных продуктов. Многие учителя применяют для этой цели таблицы-коллекции, составленные учащимися—
К наглядным пособиям принадлежат также схемы технологических процессов, рисунки основных аппаратов и установок, диапозитивы и учебные кинофильмы. Наряду с плоскостными пособиями в школьной практике все шире начинают применяться объемные пособия—модели заводских аппаратов1 и макеты целых химических заводов. Наконец, завершающим моментом в изучении многих производственных вопросов! являются экскурсии на различные предприятия с последующим подведением итогов экскурсии в виде письменных и устных отчетов, схем, диаграмм, коллекций и т. д.2.
Как средство политехнического обучения большое значение имеет демонстрация на уроках учебных кинофильмов, знакомящих учащихся с химическими производствами3.
Аннотации учебных фильмов, выпущенных до 1950 года, помещены в каталоге, составленном Главучтехпро-мом4. В последующие годы созданы новые фильмы о коксохимическом производстве, производстве серной кислоты, синтетического аммиака, азотной кислоты, аммиачной селитры, соляной кислоты, цемента и других продуктов, важных для народного хозяйства (см. журнал «Химия в школе», 1956, № 3, стр. 79).
Просматривая фильмы, содержащие производственный материал, учащиеся уже должны иметь представление о сущности данного процесса. Это достигается предварительным изложением материала учителем, привлечением демонстраций опытов, схем, таблиц, моделей и других наглядных пособий, а также в процессе самостоятельной работы учащихся в классе-лаборатории, при изучении материала учебника и т. д.
I Д. А. Эпштейн и С. А. Ш у р х и н, Учебные модели заводских химических установок, М., Учпедгиз, 11953.
2 'Производственные экскурсии по химии в школе (Сборник статей из опыта учителей), под ред. Л. А. Цветкова. М., Учпедгиз. 1953.
3 Т. М. Др изо вс кая. Роль кинофильмов в формировании понятий о химическом производстве, «Химия в школе», 1956, Кв 5.
4 Учебные кинофильмы и киноаппаратура. Каталог-справочник Министерства просвещения РСФСР, Главснабирос, 1950.
J0
Некоторые методические указания к демонстрации опытов. Техника проведения демонстрационного опыта в известной мере определяет, в какой момент урока его наиболее целесообразно поставить. Так, более продолжительный эксперимент требует возможно более раннего его начала, чтобы осталось время для обобщения результатов. Некоторые опыты, особенно с органическими веществами, требующие много времени, должны начинаться на уроке до того момента, когда речь будет идти о самом явлении или о продукте реакции (например, гидролиз крахмала и древесины, получение искусственного шелка и др.). Из необходимости учета фактора времени при демонстрации опытов вытекает, что, прежде чем поставить опыт на уроке, его следует тщательно подготовить и '.проверить с учетом всех мелочей.
Для успешной подготовки учителя к демонстрированию опытов на уроках химии, как показала практика, весьма большую Пользу оказывает набор карточек, составляемых многими учителями по тому или иному плану. На лицевой стороне каждой карточки обычно отмечается: название эксперимента, его продолжительность, приводится список лабораторных принадлежностей, реактивов и материалов, помещается рисунок установки, дается описание техники выполнения опыта и особо отмечаются меры безопасности. Кроме того, полезно указать в такой .карточке, какие явления наблюдаются в процессе выполнения опыта и какова их сущность.
При демонстрации опытов, отражающих производственные процессы, большое значение имеет показ действующих установок, особенно при изложении нового материала, когда требуется дополнить сведения о химизме процесса показом конкретных условий, в которых осуществляется данная реакция. Учащиеся знакомятся: со свойствами исходного вещества, способами воздействия на него при помощи нагревания, катализаторов и вспомогательных реактивов, с контролем за ходом процесса и с испытанием готовой продукции. Одновременно они видят, в какой аппаратуре всё это может быть 'осуществлено в лабораторных условиях.
Нередко демонстрационные приборы и установки испытывают во время внеклассных занятий в химических кружках. Тогда учащиеся выступают в роли не только
11
конструкторов действующих установок, но и как исполнители самого опыта под руководством и наблюдением учителя.
Самостоятельные лабораторные опыты и кратковременные демонстрации оказывают большую помощь при ознакомлении учащихся с основами производства целого ряда важных продуктов. Они облегчают уяснение химизма технологических процессов. Простая техника выполнения таких опытов (сливание растворов, подогревание, растирание и т. п.) и использование простого оборудования ни в какой мере не умаляют их педагогической ценности. Чем проще техника выполнения опыта, чем проще аппаратура, тем ярче выступает само вещество, качественные изменения которого и составляют предмет химии как науки и учебного предмета.
Техника изготовления демонстрационных приборов. При изучении производственных вопросов на уроке химии ведущее место принадлежит химическому эксперименту, раскрывающему химизм процессов посредством действующих установок. Часть таких установок изготовляется заранее или приобретается в готовом виде, большинство же собирается накануне урока из запасных частей, имеющихся в кабинете химии; после
Рис. 1. Детали оборудования: /-—трубки фарфоровые и стеклянные прямые, длиной 25—30 и 35—40 см, диаметром 1—1,5, 1,5—2 и 3—4 см; 2 -трубки железные диаметром 1,5 2 см; длина прямой трубки 35—40 см, колена изогнутой трубки 15 и 25 см; 3 — трубка стеклянная с краном; 4 — трубки стеклянные, согнутые под разными углами и разной длины; 5—трубка прямая с оттянутым концом; 6 — тройники; 7 — хлоркальциевая трубка
J2
окончания опыта эти установки разбираются, а части их служат для монтажа других приборов.
В последнее время намечается тенденция к созданию различного рода «универсальных приборов», при помощи которых можно выполнять разнообразные опыты (получение многих газов, реакций между твердыми веществами и жидкостями, поглощение газов и др.). Значение таких «универсальных» приборов нередко переоценивается. В них видят иногда едва ли не единственное средство не только для улучшения постановки химического эксперимента в школе, но и для усовершенствования преподавания химии в целом.
Наши наблюдения показали, что в школьной практике успешно применяются различные приборы, смонтированные из обычных лабораторных принадлежностей силами учащихся под руководством учителя (рис. 1, 2, 3).
Рис. 2. Посуда: 1—колба плоскодонная на 500 мл; 2—колба Вюрца на 250—500 мл; 3 — пробирка с тубусом; 4 — [/-образные трубки; 5 — пневматические ванны; 6—капельные воронки; 7 — воронки с длинными шейками; 8 — воронка Бюхнера; 9 — стеклянная воронка обыкновенная; 10— стеклянная банка; 11 — промывная склянка Тищенко; 12— промывная склянка Дрекселя; 13—склянки двух- и трехгорлые; 14 — стеклянный цилиндр на 100, 250 и 500 мл для собирания газов; 15 — поглотительная колонка; 16 — стакан из пористой глины; 17—батарейные стаканы; 18— муфта холодильника (в качестве поглотительной колонки, для печи с внутренним электронагревом и т. и.)
13
Для постановки многих опытов, отражающих производственные процессы, весьма целесообразно использовать готовые детали, так называемые «узлы», встречающиеся в самых разнообразных опытах, В качестве при-
Рис. 3. Приборы и их детали: 1 — аппарат Киппа; 2 — стеклянный газометр; 3 — водоструйный насос; 4 — содовый выпрямитель; а — алюминиевый электрод, б — железный электрод, в — раствор соды; 5 — термоскоп; 6 — дефлегматор; 7 — термопара; 8 — клапан Бунзена; 9 — вольтметр; 10—амперметр; 11— реостат
мера одного из таких узлов для демонстрационных приборов служит трубчатая печь с внешним электронагревом. При помощи такой печи могут быть проведены многие школьные опыты, например разложение углекислого кальция, получение генераторного газа (воздушного, водяного, парокислородного), синтезы органических веществ; пиролиз каменного угля, крекинг нефти и другие опыты, требующие достаточно сильного нагревания.
Один из вариантов такой печи представляет собой фарфоровую трубку, на среднюю часть которой наматывается возможно плотнее нагревательная спираль; концы спирали соединены медными проволоками (помещаемыми для изоляции в стеклянные трубки). Нагревательная 14
/3 сУТУ
б .2
1
спираль покрывается асбестом в тех случаях, когда хотят добиться более сильного нагрева.
Фарфоровую трубку непосредственно обматы-	Я
вают спирально от элек-троплиток, тогда как же-	1
лезная трубка предварительно изолируется при помощи асбестовой прокладки (рис. 4). Температура измеряется пирометрами. Неудобство фарфоровых и железных трубок состоит в том, что они непрозрачны. Но для показа многих опытов в стеклянных трубках последние должны быть тугоплавкими, иначе они быстро (размягчаются при нагревании газовой горелкой. 'Сочетание положительных качеств фарфоровых и стеклянных трубок нашло отражение в конструкции, 'разработанной в Московском областном институте усовершенствования учителей’
(рис. 5,Л). Внутри фарфоровой трубки 1 находится спираль от электроплитки. Трубка укрепляется в муфте холодильника 3. Таким образом, спираль не соприкасается с реагирующими веществами, нагрев которых осуществляется равномерно посредством самой фарфоровой трубки.
Проведенные в таких трубках с внутренним обогревом опыты по каталитическому окислению двуокиси серы в серный ангидрид и аммиака до азотной кислоты дали хорошие результаты. Для получения воздушного и водяного газов, а также демонстрации других опытов, в которых происходит взаимодействие твердых и газообразных
Рис. 4. Реакционные трубки с внешним электронагревом: А. 1— фарфоровая трубка, 2— спираль от электроплитки, 3 — реостат. Б. 1 — железная трубка, 2 — асбестовая прокладка, 3 — спираль от электроплитки, 4 — реостат
1 И. А. Черняк, Приборы с внутренним электронагревом, «Химия в школе», 1955, № 2, стр. 48.
15
веществ с образованием Летучих продуктов реакции, вместо стеклянной муфты можно воспользоваться фарфоровой (или железной), представляющей собой более широкую фарфоровую (или железную) трубку (рис. 5,Б). Внутренняя трубка 1, служащая для обогрева посредством вставленной в нее спирали от электроплитки, скрепляется с внешней трубкой при помощи асбестовых пробок, пропитанных жидким стеклом; через пробки проходят трубки 4 и 5 для поступающих и образующихся газов.
Рис. 5. Реакционная трубка с внутренним электронагревом: А. Фарфоровая трубка в стеклянной муфте; / --фарфоровая трубка со вставленной в нее спиралью от электроплитки; 2 — изолированный провод к электрической сети; 3 — муфта холодильника для твердого вещества; 4 — газоириводная трубка; 5 — газоотводная трубка. Б. Фарфоровая трубка в фарфоровой (или железной) муфте: 1 — узкая фарфоровая трубка со вставленной в нее спиралью от электроплитки; 2—изолированный провод к электрической сети; 3 — широкая- фарфоровая (или железная) трубка с твердыми веществами; 4 — газоприводная трубка; 5 — газоотводная трубка
Широкому применению внутреннего электрообогрева препятствует то обстоятельство, что фарфоровые трубки узкого диаметра, в которые помещается электроспираль, малодоступный для школ материал. Однако он может быть заменен керамической насадкой, применяемой в электронагревательных приборах. Удобно с этой целью воспользоваться запасными спиралями для электроутюгов, имеющимися в продаже (для напряжения 127 и 16
220 в). Длина спирали подгоняется к размерам трубки (25—40 см).
Весьма удобный прием нагревания катализатора при помощи электрического тока был описан Р. Кюнелем 1 2 в опытах по синтезу аммиака и каталитическому окислению аммиака. Предложенный им реакционный сосуд (рис. 6) состоит из стеклянной трубки 1 для сжигания,
Рис. 6. Реакционная трубка с электронагревом посредством спирали от электроплитки: 1 — широкая трубка для сжигания; 2 — стеклянная трубка с оттянутым концом; 3 — тройник; 4— проволоки медные или железные (оголенные); 5--клеммы; 6—спираль от электроплитки; /--асбестовая вата с катализатором или другие вещества; 8 — изолированные провода к электросети; 9 и 10 — трубки тройника для подвода газов; 11 — газоотводная трубка
закрытой с обеих сторон пробками с отверстиями, в которые вставлены стеклянные трубки 2 с оттянутым концом и 11 изогнутая под прямым углом. Другой конец трубки 2 соединен при помощи короткой резиновой трубки с тройником. Нагретыми медными или железными проволоками в пробке проделывают (по обеим сторонам от трубки с оттянутым концом) два отверстия так, чтобы обе проволоки проходили параллельно до середины стеклянной трубки 1. Внутренние концы проволок соединяются друг с другом при помощи клемм или кусочков! жести (но не посредством припаивания) с концами кусочка спирали от электроплитки. Между витками этой нагревательной спирали помещают катализатор, перемешанный с асбестовой ватой. Выступающие из реакционной трубки концы проволок присоединяются через электрическую плитку, играющую роль добавочного сопротивления, предохраняю
1 „Chemie in der Schule", 1955, № 1, 2, стр. 29.
2 Опыты по химии	17
щего спираль от чрезмерного нагревания, с источником тока от осветительной сети. О степени нагрева можно приблизительно судить по накалу спирали. Так, темнокрасный накал соответствует температуре около 500°, а светло-красный — около 700°. Накал спирали можно регулировать изменением напряжения. Кроме того, зона нагрева в данном случае точно ограничена, и это позволяет лучше проследить процессы, происходящие на катализаторе.
Электрическая спираль может служить для нагревания вступающих в реакцию твердых и газообразных веществ, например угля и кислорода, угля и паров, воды. С этой целью спираль от электроплитки укрепляют вдоль стеклянной трубки, как было указано выше. Внутри трубки помещают кусочки древесного угля. Пропуская через накаленную спиралью трубку сухой кислород, получают воздушный газ, который собирают в цилиндре и поджигают. Аналогичным способом может быть собран и испытан парокислородный (смешанный) газ, если пропускать через нагретую трубку влажный кислород (см. журнал «Химия в школе», 1956, № 1, стр. 41).
* # *
В заключение рассмотрим вопрос о характере описаний демонстрационных опытов.
Инструкции для выполнения демонстрационных опытов бывают весьма разнообразны по содержанию и форме. Но, как правило, все они содержат схему прибора, в котором происходит химический процесс, и схемы вспомогательных приспособлений. Назначение отдельных частей установки, а также реактивов и материалов объясняется в подписях под рисунками или в основиюм тексте. Очень часто в начале (но иногда и в конце) инструкции дается подробнейший перечень посуды, лабораторных принадлежностей, реактивов, материалов, необходимых для выполнения данного опыта; при этом часто указывается размер посуды и количество необходимых реагентов.
Содержание инструкции, как правило, зависит от того, для кого она предназначена, и от характера самого опыта. Предлагаемые демонстрационные опыты, отражающие химические основы некоторых производств, рассчитаны 18
ущпелеи химии средних школ, владеющих в той или яНой мере техникой эксперимента.
И ® настоящем пособии при описании отдельных приборов, установок и опытов мы придерживаемся следующего плана: вначале даются краткие сведения о назначении того или иного демонстрационного опыта, т. е. какая учебно-воспитательная цель преследуется при его постановке. Затем разбирается химизм основных процессов. Обращается внимание на состав и свойства исходных веществ, промежуточных соединений и готовых продуктов, на отдельные закономерности химического производства. Приводится общая схема установки с обозначением основных ее частей. В необходимых случаях сообщаются некоторые дополнительные данные о сборке установки.
Таким образом, план описания демонстрации совпадает в основном с планом изучения производства, где дается характеристика состава и свойств сырья и продукта, рассматривается реакция, лежащая в основе производства данного продукта, разбирается схема производства, устройство и действие типичных аппаратов. В обоих случаях указывается, какими способами можно увеличить скорость химических реакций (повышение концентрации реагирующих веществ, увеличение суммарной поверхности реагирующих веществ, применение определенной температуры и катализаторов, противотока и циркуляции реагирующих веществ).
Несколько подробнее приводится в инструкции описание техники выполнения опытов, и особо обращается внимание на необходимость соблюдения осторожности во избежание несчастных случаев.
Более краткая и конкретная характеристика опытов дается в виде демонстрационных карточек (см. стр. 132). В них представлены варианты опытов с производственным содержанием.
Система карточек для записи оборудования к каждому уроку разработана П. А. Глориозовым и описана в его книге «Опыт организации школьного кабинета химии» (М„ Учпедгиз, 1953).
При описании опытов главное внимание обращено на технику эксперимента. Попутно затрагиваются методические вопросы, но они заслуживают большего внимания И должны явиться предметом специальных работ.
2*
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА ЖЕЛЕЗОПАРОВЫМ СПОСОБОМ
Давно известный способ получения водорода, не утративший технического значения и в настоящее время, основан на экзотермической реакции, выражаемой следующим суммарным уравнением:
3Fe + 4Н2ОFesO4 + 4Н2; Q = 35,7 ккал.
Процесс ведут в три стадии: 1) восстанавливают железо из его окислов водяным газом; 2) продувают водяной пар для удаления остатков водяного таза; 3) выделяют водород. Периодичность процесса и необходимость затраты большого количества тепла и водяного газа являются недостатками этого способа.
Взаимодействие железа с водой может быть проведено в пробирке, в которую помещают немного увлажненного песка и слой железных опилок. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой, конец которой .подведен под наполненную водой пробирку, опущенную в ванночку. Нагревают пробирку в том месте, в котором находятся железные опилки. Испаряющаяся из песка вода вступает в реакцию с нагретым железом. Образующийся при этом водород собирается в другой пробирке и испытывается, как обычно.
Рис. 7 А. Вариант I. Установка лля получения водорода железопаровым способом в изогнутой железной трубке: /-—железная трубка (изогнутая под прямым углом); 2 — изгиб трубки, где помещен порошок восстановленного железа; 3—капельная воронка; 4—дистиллированная вода; 5 — пневматическая ванна; 6—цилиндр для собирания водорода;
7 — газовая горелка
20
для школьного опыта удобно воспользоваться порошком свежевосстановленного железа, которое получают путем дзаимодействия светильного газа или водорода с окисью железа Ре20з при сильном нагревании. Вместо восстановленного железа можно взять железные стружки очищенные от окиси железа споласкиванием их в кислоте и затем обезжиренные раствором щелочи. Но в этом случае реакция протекает медленнее. Железо помещают в железную трубку (прямую или изогнутую), куда вводится вода (ток водяного пара). На рис. 7 А изображен один из простых вариантов данного опыта с использованием изогнутой под прямым углом железной трубки диаметром Р/г—2 см и длиной колен 15 и 25 см. В изгиб трубки помещают около 20 г железного порошка и слабо запирают его стеклянной ватой. Концы трубки закрывают хорошо подогнанными корковыми пробками с отверстиями для капельной воронки и газоотводной трубки.
Нагревают изгиб железной трубки, не доводя ее до красного каления. При очень высокой температуре реакция идет в обратную сторону. Из капельной воронки прибавляют по каплям воду. После вытеснения воздуха из прибора собирают в цилиндр образующийся водород и испытывают его свойства. Чтобы закончить опыт, отни-
Рис. 7 Б. Вариант II. Установка для получения водорода железопаровым способом в прямой железной трубке: /—колба кругло-донная с водой; 2— тройник; 3 — прямая железная трубка, в середине которой находится восстановленное железо и стеклянная или асбестовая вата; 4—газоотводная трубка; 5 — пневматическая ванна; цилиндр для собирания газов; 7—газовая горелка
21
мают газоотводную трубку вместе с пробкой, прекращают нагревание железной трубки и прибавление воды из капельной воронки.
Другой вариант опыта (рис. 7 Б) состоит в том, что над раскаленным железом пропускают не воду, а водяные пары. Кроме того, пользуются не изогнутой, а прямой реакционной железной или фарфоровой трубкой.
Реакция железа с водой обратима, что можно показать, действуя водородом на образовавшуюся железную окалину РезО4.
Для опыта можно воспользоваться той же самой изогнутой железной трубкой, причем водород пропускают через вертикальное колено этой трубки, как показано на рис. 8. Когда вытеснение из установки воздуха нодоро-
Рис. 8. Установка для получения железа восстановлением окислов железа водородом: 1 — газоприводпая трубка от аппарата Киппа, заряженного для получения водорода; 2— промывная склянка с концентрированной серной кислотой; 3 — железная трубка (изогнутая) с окислами железа; 4-- охладительная ванна (стакан с холодной водой); 5 - - приемник с обезвоженным медным купоросом для улавливания и обнаружения получающейся при реакции воды;
6—газоотводная трубка для испытания чистоты водорода
дом закончено (проба на отсутствие гремучего газа!), поджигают водород у газоотводной трубки 6. Затем нагревают трубку с окислами железа, после чего пламя у трубки 6 гаснет. Через 10—15 минут разъединяют приемник 5, на дне которого легко заметить голубые кристаллики медного купороса. Они образовались при взаимодействии безводной сернокислой меди с водой — одним из 22
Продуктов реакции Fe3O4 с водородом. После этого прекращает нагревание трубки, продолжая пропускать водород до ее остывания. Высыпают содержимое трубки на стекло или тарелку и сравнивают его с исходным продуктом. Если для опыта была взята красная окись железа ЕегОз, то она отличается от образовавшегося продукта реакции — железа — по цвету и отсутствию магнитных свойств. В том же случае, когда в реакционной трубке находилась магнитная окись — закись железа (например, полученная при проведении предыдущего опыта), то исходные и конечные продукты идентифицируют при помощи разбавленной соляной кислоты, так как они почти не отличаются по цвету и обладают магнитными свойствами. Полученное таким путем железо может быть использовано в качестве катализатора при реакции синтеза аммиака (стр. 42).
Взаимодействие железа с водой целесообразно продемонстрировать в VII классе в связи с вопросом получения водорода. Эта реакция, а также обратный процесс — взаимодействие окислов железа с водородом — служат ярким примером окислительно-восстановительной реакции, направление которой определяется условиями проведения опыта, легко воспроизводимыми в. школьных условиях. Еще более наглядно окислительно-восстановительные процессы обнаруживаются на примере окисления меди и восстановления образовавшейся окиси меди водородом, так как реакции эти не требуют сильного нагревания (они могут быть выполнены в обычной стеклянной трубке); продукт реакции в этом случае легко отличается от исходного вещества путем сравнения их окраски.
РАЗЛОЖЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО КАЛЬЦИЯ
Обжиг углекислого кальция (в виде известняка, мела, мрамора и других минералов) представляет важную отрасль промышленности, вырабатывающую известь в качестве вяжущего строительного материала и химического продукта, а также двуокись углерода, .используемую для получения соды и других веществ. Распад углекислого кальция выражается следующим уравнением эндотермической реакции:
СаСО3 = СаО + СО2 Q^—42,6 ккал.
23
Процесс этот осуществляется в промышленности путем обжига минералов, содержащихся СаСОз в «печах шахтного типа. Источником высокой температуры (около 800°) служит кокс или антрацит.
Воспроизведение этого процесса в качестве школьного демонстрационного опыта сопряжено с некоторыми техническими трудностями. Поэтому обжиг углекислого кальция производится обычно в упрощенном виде. С этой целью кусочек мрамора нагревают в тигельной или муфельной электрической печи, на что затрачивается несколько часов.
Обжиг известняка проводится также в самодельной трубчатой печи с внешним электронагревом. Трубку заполняют измельченным мелом или мрамором. В последнем случае опыт можно провести количественно, сравнивая вес исходного вещества и образующейся окиси кальция. Полученный продукт испытывают водой. Происходит гашение извести, а образующийся раствор гидрата окиси кальция окрашивает раствор фенолфталеина в малиновый цвет.
Опыт может быть проведен и в течение одного урока. Небольшой кусочек мрамора в виде пластинки сильно прокаливают непосредственно в пламени газовой горелки (или спиртовки с приспособлением для продувания воздуха). Происходит частичное разложение углекислого кальция, что доказывается, как и в предыдущем случае, реакцией гидратации и испытанием полученного раствора фенолфталеином.
Существенный недостаток обоих этих вариантов состоит в том, что он позволяет обнаружить лишь один продукт реакции—окись кальция, тогда как второй продукт — двуокись углерода при этом не улавливается. Вследствие этого учащиеся получают неполное представление о такой важной в техническом отношении реакции, как разложение углекислого кальция. Между тем разложение углекислого кальция весьма просто осуществить в течение нескольких минут с помощью электронагрева и обнаружить оба продукта реакции. Для этого можно применить установку, изображенную на рис. 9.
Существенная часть этой установки представляет собой реакционную трубку, внутри которой вставлен кусок спирали от электроплитки, как это было описано ранее (стр. 17, рис. 6). В пространство между витками спирали 24
пометают кусочек мрамора. Через собранную установку продувают ток воздуха посредством аспиратора или водоструйного насоса. Воздух очищается от двуокиси углерода и поступает по трубке в пробирку 1, содержащую раствор щелочи. Проходя в пробирке 2 через известковую воду, очищенный воздух не вызывает ее помутнения, на что необходимо обратить внимание учащихся. Затем включают электрический ток, и спираль накаляется докрасна. Через несколько минут известковая вода в про-
Рпс. 9. Установка для разложения углекислого кальция: 1 — пробирка с раствором едкого натра; 2—пробирка с известковой водой; 3 — реакционная трубка с электросниралью; 4— тонкий кусочек мрамора; 5 — пробирка с известковой водой; 6 — электроплитка (сопротивление); 7 — электропровода (изолированные); 8-- вилка; 9— розетка от электросети: 10— газоприводная трубка (для воздуха); 11—газоотводная трубка к водоструйному насосу или аспиратору
бирке 5 мутнеет вследствие образования карбоната кальция:
Са(ОН)2-|-СО2=СаСОз I +Н2О.
В пробирке же 2 известковая вода остается прозрачной. Двуокись углерода образовалась при разложении мрамора, помещенного между витками спирали. Электрический ток выключают, продолжая пропускать струю воздуха для более быстрого охлаждения спирали. Через несколько минут вынимают пробку и извлекают твердый остаток. Он представляет собой белое рыхлое и хрупкое вещество, отличающееся от твердого кристаллического мрамора. Прибавление в дистиллированную воду, содержащую 1—2 капли фенолфталеина, продукта реакции вы
25
зывает появление малиновой окраски индикатора вследствие образования щелочи:
Са'О -ф- Н^О = Са (ОН) 2, Са(ОП)2^±Са++ 4 2ОЙГ.
Исходное вещество—мрамор — нерастворимо и не реагирует с водой, и фенолфталеин не меняет своей окраски.
Таким образом, в течение нескольких минут может быть показано, что расход карбоната кальция представляет собой сильно эндотермическую реакцию и что продуктом этого распада являются два вещества — окись кальция и двуокись углерода, присутствие которых доказывается при помощи фенолфталеина и известковой воды.
Учитель химии Чжу Инь-фу (Китайская Народная Республика) в письме, присланном в адрес Академии педагогических наук РСФСР, предлагает использовать для разложения мрамора пламя гремучего газа. Мрамор помещают в широкую стеклянную трубку, в которую вводят кислородно-водородную горелку в виде двух узких стеклянных трубок, к концам которых припаяны куски фарфоровых трубок, поскольку они более тугоплавки, чем стеклянные. В таком приборе можно показать, что распад углекислого кальция требует сильного нагревания и что при этом образуется окись кальция и углекислый газ, который легко и наглядно можно обнаружить (подобно тому, как это делается в приборе, изображенном на рис. 9).
Опыт продолжается всего лишь несколько минут, так как кислородно-водородное пламя дает очень высокую температуру.
При В1ынолнении опыта с кислородно-водородным пламенем необходимо обращать самое серьезное внимание на меры предосторожности во избежание взрыва.
Описанные установки, способствуя уяснению химизма процесса, не дают представления об осуществлении его в промышленности. Чтобы восполнить этот пробел, рекомендуется показать учащимся схему (а также модель) известкообжигателыюй печи.
Весьма полезно также продемонстрировать отдельные кадры из кинофильмов и диапозитивы.
После предварительного освещения материала о производстве извести большую пользу учащимся принесет экскурсия на известкообжиговый завод.
26
ПОЛУЧЕНИЕ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ СИНТЕТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Синтетический способ производства соляной кислоты настоящее время почти полностью вытеснил на заводах старый сульфатный способ получения этого технически важного продукта.
Исходными веществами для приготовления синтетической соляной кислоты служат водород и хлор, получаемые электролизом раствора хлористого натрия. Производство соляной кислоты по этому способу состоит из двух стадий: 1) получения хлористого водорода, 2) поглощения хлористого водорода водой.
Обе стадии производства легко осуществить в форме демонстрационного' опыта на уроке. Хлор получают обычно заранее взаимодействием марганцовокислого калия или двуокиси марганца с крепкой соляной кислотой и собирают его в газометре над насыщенным раствором хлористого натрия, в котором хлор мало растворим.
Хлор может быть также получен действием разбавленной соляной или серной кислоты на хлорную известь. Ток хлора регулируется посредством приливания из капельной воронки кислоты в колбу, содержащую хлорную известь. При проведении опыта не требуется нагревания.
Водород получают взаимодействием цинка с раствором серной кислоты в лабораторных газогенераторах типа аппарата Киппа, присоединяемых к основной установке через промывалку с концентрированной серной кислотой. Хлор и водород могут быть получены и электролитическим путем. Однако такой прием сильно усложняет всю установку, и вспомогательные приспособления затрудняют учащимся усвоение сущности главного процесса — синтеза хлористого водорода.
Общий вид установки для получения соляной кислоты синтетическим способом изображен на рис. 10. Сухой хлор поступает в узкую стеклянную трубку, вставленную в более широкую Т-образную трубку так, чтобы она несколько выступала над ее краями. Обе трубки скрепляются при помощи отрезка резиновой трубки. Такая горелка 5 вставляется вместе с корковой пробкой в стеклянный цилиндр 6. Свободный конец Т-образной трубки соединяется с промывалкой 4, содержащей концентрированную серную кислоту для осушки водорода. Образующийся в цилиндре (при реакции горения хлора в водо
27
роде или, наоборот,— водорода в хлоре) хлористый водород под действием водоструйного насоса поступает в нижнюю часть поглотительной колонки 8, где навстречу газу движется вода из капельной воронки 9. Так осуществляется противоток, обеспечивающий полноту поглощения хлористого водорода водой. Реакции, происходящей между этими веществами, способствует также увеличение поверхности соприкосновения. Для этого внутрь поглотительной колонки помещены кусочки битого стекла. При
Рис. 10. Установка для получения соляной кислоты синтетическим способом. А. Общий вид: 1— газоприводная трубка для хлора; 2— газоприводная трубка для водорода; 3 и 4—промывные склянки с концентрированной серной кислотой; 5 -- горелка для сжигания водорода в хлоре; 6 - - камера для собирания хлористого водорода; 7- газоотводная трубка для хлористого водорода; 8 — поглотительная колонка с битым стеклом; 9- - капельная воронка с водой; 10 — колба для собирания образующейся соляной кислоты; 11 — газоотводная трубка к аспиратору (или водоструйному насосу). Б. Детали установки: 5— горелка для сжигания водорода в хлоре: а — тройник, б—узкая стеклянная трубка; в и г—резиновые трубки; 12 — стеклянная воронка (вместо камеры 6 для собирания хлористого водорода) с газоотводной трубкой 7
растворении хлористого водорода в воде получается соляная кислота, которая время от времени выпускается в колбу 10, откуда берется проба для ее испытания (реакция с лакмусом, раствором азотнокислого серебра, металлическим магнием и др.).
Для приведения установки (рис. 10) в действие горелку вместе с пробкой вынимают из камеры 6 и пускают ток водорода (из аппарата Киппа, не изображенного на рисунке). После проверки чистоты водорода (проба па отсутствие гремучего газа) его поджигают у отверстия 28
горелки S, и пламя регулируют так, чтобы оно горело спокойно и не было бы слишком большим. После этого горелку вместе с пробкой вводят в цилиндр и пускают слабый ток хлора из газометра (не изображенного на рисунке). Водород подается в избытке, чтобы избежать попадания свободного хлора в продукт реакции. Пламя приобретает бледно-зеленую окраску, и камера наполняется белым туманом, который рассеивается после включения аспиратора или водоструйного насоса. Опыт заканчивают следующим образом: открывают камеру (вынимают пробку вместе с горелкой), прекращают ток хлора, а затем и водорода.
Уже через несколько минут таким путем удается получить раствор соляной кислоты достаточной концентрации и проделать с ним характерные реакции. Кроме этого, на уроке может быть определена концентрация полученного раствора соляной кислоты путем титрования его раствором щелочи известной концентрации в присутствии фенолфталеина. Зная титр щелочи (число граммов, содержащихся в, 1 мл раствора), объем раствора щелочи, затраченной на нейтрализацию данного объема соляной кислоты, легко вычислить концентрацию кислоты.
При выполнении данного опыта (как и других опытов с водородом и ядовитыми газами) необходимо' тщательно соблюдать меры предосторожности во избежание взрыва и отравлений.
Другой, более простой вариант этого же опыта состоит в том, что вместо камеры 6 (рис. 10) к газоотводной трубке 7 для хлористого водорода прикрепляют при помощи резиновой трубки обычную стеклянную воронку 12, под которую направляют пламя горелки 5 для сжигания хлоро-водородной смеси. Благодаря создаваемому аспиратором (или водоструйным насосом) разрежению ток хлористого водорода, образующегося под воронкой, направляется по трубке 7 в поглотительную колонку 8. Л1ежду трубкой, отходящей от камеры, в которой происходит образование хлористого водорода, и поглотительной колонкой можно вставить тройник, к которому присоединена короткая резиновая трубка с зажимом. Открывая зажим на одно мгновение, легко обнаружить выделяющийся хлористый водород: подносят к нему стеклянную пластинку, смоченную раствором аммиака (образуется
29
белый дым хлористого аммония), или влажную лакмусовую бумажку синего цвета (она становится красной).
Чтобы сделать опыт максимально безопасным, иногда рекомендуют поместить промывную склянку с водой между горелкой и поглотительной колонкой. Такая склянка служит затвором, предотвращающим возможность проникновения взрывчатой смеси водорода и воздуха в поглотительную колонку.
Для получения хлористого водорода вместо свободного водорода экономически выгодно использовать водород из воды. Взаимодействие хлора с водяными парами может быть выражено следующим уравнением:
2С12 + 2Н2О = 4НС1 4- О2; Q = — 28 ккал.
Эту эндотермическую реакцию легко осуществить на опыте, пропуская хлор и водяные пары над сильно нагретым катализатором. Последний готовят, пропитывая кусочки пемзы горячим концентрированным раствором хлорной меди, упариванием раствора и прокаливанием кусочков пемзы в фарфоровом тигле. Образующиеся продукты реакции — хлористый водород и кислород — испытывают, как обычно, производя с ними характерные реакции.
Обратная реакция—окисление хлористого водорода кислородом воздуха — протекает при нагревании в присутствии того же катализатора (процесс Дикона, применявшийся ранее для получения хлора).
Если пропускать хлор и водяные пары над раскаленным углем, то реакция идет и без катализатора. Она может быть выражена следующим суммарным уравнением:
2Н2О |- 2С12 + С = 4НС1 -F СО2.
Если процесс вести при очень высокой температуре, то наряду с двуокисью углерода получается еще и окись углерода.
Последний способ получения соляной кислоты представляет технический интерес, так как он не требует для своего осуществления водорода, па который современная промышленность предъявляет большой спрос (для синтеза аммиака, получения искусственной нефти и др.)
На рис. 11 Л изображена схема установки для получения хлористого, водорода путем пропускания паров воды и хлора над раскаленным углем. Конструирование и испытание подобной установки следует провести на вне-30
тассйых занятиях, так как соответствующие реакции ^посредственно в школьном курсе химии не рассматри-Ндются. Выполнение данного опыта требует особой осто-воЖНости, так как исходные, конечные и промежуточные вещества ядовиты (С12, СО, а также СОС12, гидролизующийся до СО2 и НС1).
Рис. 11 А. Установка для получения соляной кислоты путем взаимодействия хлора, паров воды и угля при нагревании. Вариант I: /—колба с водой; 2 - газометр, наполненный хлором; 3 — трубка стеклянная или фарфоровая; 4—кусочки древесного угля, перемешанные с порошком окиси железа (катализатор); 5 — склянки с водой для поглощения хлористого водорода; 6—цилиндр для собирания окиси углерода
Аналогичный опыт был описан также П. Н. Федосеевым 1 в несколько ином конструктивном оформлении (рис. 115). Особенность предлагаемой названным автором установки состоит в том, что в реакционную трубку с древесным или активированным углем (например, от старого противогаза) пропускается только хлор, предварительно увлажненный пропусканием его через промывную склянку 3 с водой. Таким образом, исключается необходимость вводить в реакционную трубку водяные пары, как это имело место bi предыдущем варианте. Вторая особенность предложенного П. Н. Федосеевым прибора состоит в использовании клапана Бунзена 5 для предотвращения засасывания жидкости в трубку. Вместо клапана можно воспользоваться стеклянной воронкой, края которой подходят к поверхности жидкости (рис. 115, 7).
В обоих случаях хлористый водород можно определить по образованию тумана соляной кислоты, белого дыма цз
1 «Химия в школе», 1955, № 3, стр. 65.
31
хлористого аммония (при поднесении к газоотводной трубке стеклянной палочки, смоченной раствором аммиака), а также по окрашиванию синей лакмусовой бумаж-ки в красный цвет. Водный раствор соляной кислоты испытывают, как и в предыдущем случае, азотнокислым серебром, металлическим магнием и т. д.
Рис. 11. Б. Установка для получения соляной кислоты путем взаимодействия хлора, паров воды и угля при нагревании. Вариант II: 1 — капельная воронка с концентрированной соляной кислотой; 2—марганцевокислый калий; 3 — промывная склянка с водой; 4 — реакционная трубка с кусочками древесного угля; 5 — газоотводная трубка с клапаном Бунзена на конце; 6— стакан с водой; 7—вариант газоотводной трубки с воронкой па конце
Реакция между углем, водяными парами и хлором протекает с выделением тепла. При быстром пропускании хлора уголь остается в накаленном состоянии даже в том случае, если нагрев; реакционной смеси прекратить.
Учащиеся могут собрать на кружковых занятиях комбинированную установку, аналогичную описанной С. В. Васильевым *. Получаемые электролитическим путем хлор и водород пропускают над нагретым активированным углем, причем газы спокойно соединяются друг с другом с образованием хлористого водорода, который затем поглощается водой. Этот интересный опыт можно видоизменить так, что получаемые электролитическим путем хлор и водород сначала собираются в газометре, откуда они поступают в горелку для сжигания. Но нужно иметь в виду, что водород должен быть чистым, не содер-
1 С. В. Васильев, Получение некоторых веществ электролизом, «Химия в школе», 1951, № 1, стр. 73.
32
ЖаШиМ кислорода и хлора, во избежание образований рзрывчатой смеси, чего при работе с самодельными электролизёрами не всегда удается достичь.
Демонстрация действия основной установки, изображенной на рис. 10, происходит на уроке химии в VIII классе когда учитель излагает материал о производстве соляной кислоты синтетическим способом. После этого разбирается схема промышленной установки, в которой протекают те же химические процессы в сходном техническом оформлении. Но следует отметить различие в способах получения водорода и хлора в промышленности и школьном опыте. В самом деле, в промышленности сырьем служит раствор хлористого натрия, а в школьном опыте одним из исходных веществ служит соляная кислота. Правда, опа может быть заменена серной кислотой (для этого берется смесь хлористого натрия и двуокиси марганца или хлорная известь). Но ближе к техническим условиям находится опыт с получением электролитического хлора и водорода, что рассматривается в курсе химии X класса.
На этом примере учащиеся наглядно видят, как происходит комбинирование (Производства соляной кислоты с производством хлора, водорода, едкого натра, гипохлоритов! и хлоратов. Однако материал этот выходит за рамки курса химии VIII класса, но может служить темой внеклассной работы.
ПОЛУЧЕНИЕ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ
Контактный метод получения серной кислоты основан на окислении двуокиси серы в серный ангидрид кислородом воздуха в присутствии твердого катализатора. Обратимая экзотермическая реакция этого процесса может быть выражена схемой:
SO2 + 1 * 3/2О2 SO8.
Эта реакция осуществляется при температурах 450— 600° в зависимости от применяемых катализаторов!1.
В условиях школьного опыта двуокись серы получают обычно при взаимодействии бисульфата натрия с концентрированной серной кислотой или при реакции ме
1 Л- А. Эпштейн, Научные основы химического производ-
ства, вып. 1, М„ изд-во АПН РСФСР, 11952.
3 1'п|,|ты по smiini	33
таЛлической меди с концентрированной серной кислотой. В методической литературе описаны варианты опытов, когда источником двуокиси серы служит сжигание свободной серы или обжиг пирита, что приближает процесс к техническим условиям. Вместо кислорода воздуха применяют также чистый кислород, и это способствует увеличению скорости реакции. Взамен недоступных для школы катализаторов, применяемых в технике, с успехом может служить окись железа Fe2O3, перемешанная с асбестовой или стеклянной ватой. Как показал А. Богуцкий1, катализатором окисления двуокиси серы в серный ангидрид является также красный кирпич, т. е. по существу та же окись железа па силикатном носителе.
Удобно также пользоваться окисью железа, нанесенной на асбест, для чего асбестовая вата пропитывается раствором железного купороса, высушивается, а затем прокаливается до образования Fe2O3.
Применяется также ванадиевый катализатор па асбесте, получаемый при разложении ванадиевокислого аммония:
2NH4VO3 = V2O6 + 2NHS + Н2О.
С этой целью приготовляют водный раствор ванадата аммония, пропитывают им чистую асбестовую вату, отжимают, высушивают, а затем прокаливают в тигле или непосредственно внося отдельные порции ваты в пламя газовой горелки при помощи тигельных щипцов.
Один из вариантов установок для каталитического окисления двуокиси серы в серный ангидрид изображен па рис. 122. Образовавшаяся в колбе 1 двуок гсь серы проходит через предохранительную склянку 3 и поступает в трехгорлую склянку 4 с концентрированной серной кислотой, где смешивается с кислородом, идущим по трубке 11 из газометра (на рисунке он не изображен). Поступление SO2 регулируется нагреванием, а О2 — краном газометра так, чтобы число пузырьков SO2 было вдвое больше, чем число пузырьков О2. Равномерный ток газов создается при помощи аспиратора или водоструйного насоса. Затем газы поступают в двугорлую склянку 5, наполненную стеклянной ватой для задержания
1 „Fizyka i cbemia", 1951, № 5.
2 А. А. Грабецкий и А. А. Осипов, Несколько демонстрационных опытов, связанных с изучением основ химического' производства, «Химия в школе», 1954, № 1.
34
1ьчайшйх Капелек серной кислоты, которые могут уйо-^тъся быстрым током газов. Наконец, чистая и сухая ,Д.Ь газов (SO2 и О2) проходит через сильно нагретую с%бк 6 с катализатором. Через некоторое время в /7 образной трубке 7, охлаждаемой смесью снега и соли (или водой со льдом), появляется белый «дым», точнее
Рис. 12. Установка для каталитического окисления двуокиси серы в серный ангидрид: 1- колба с медными стружками (или бисульфитом натрия); 2— капельная воронка с концентрированной серной кислотой; 3— предохранительная склянка; 4—трехгорлая склянка с концентрированной серной кислотой; 5 — двугорлая склянка со стеклянной ватой; 6—трубка из тугоплавкого стекла (фарфора или шамота) с катализатором; 7 - 17-образная трубка в охладительной смеси; 8 — колба с водой; 6--двугорлая склянка с концентрированной серной кислотой; 10—газоотводная трубка к аспиратору; 11— трубка к газометру с кислородом; 12 - газовая горелка; 13 — спиртовка
туман. Туман этот образуется вследствие того, что серный ангидрид жадно поглощает влагу из воздуха, переходя в мелкие капельки серной кислоты. Такое свойство отсутствует у двуокиси серы, и поэтому по образованию тумана судят о происшедшем процессе окисления SO2 В SO3. Последний проходит через колбу 8 с водой, по удерживается в двугорлой склянке 9 с концентрированной серной кислотой. Для улавливания избытка двуокиси серы присоединяют приемник с раствором щелочи.
Вместо тугоплавкой стеклянной трубки можно использовать фарфоровую или шамотную трубки, как более доступные в школьных условиях.
Для доказательства того, что серный ангидрид растворяется в концентрированной серной кислоте, можно воспользоваться также поглотительной колонкой, запол-
ценной обрезками стеклянных трубок, омачиваемых серной кислотой (рис. 13/1). Пропустив серный ангидрид через такую же колонку, смачиваемую водой, легко заметить, что он не задерживается и удаляется наружу.
Рис. 13 А. Установка для иллюстрации действия адсорбера: 1 — капельная воронка с концентрированной серной кислотой (или водой); 2- -газоприводная трубка для серного ангидрида; 3 — газоотводная трубка к аспиратору или водоструйному насосу
Рис. 13 Б. Установка для доказательства различной растворимости серного ангидрида в воде и в концентрированной серной кислоте: 1 - - газоприводная трубка для смеси двуокиси серы и кислорода; 2—реакционная трубка с катализатором; 3— промывная склянка с водой; 4 — промывная склянка с концентрированной серной кислотой
Ф. А. Вальков1 предлагает другой способ доказательства различного отношения серного ангидрида к концентрированной серной кислоте и воде. Основная идея этого способа ясна из приведенного рисунка (рис. 13 Б). Вода и серная кислота в промывалках 3 и 4 берутся в таких количествах, чтобы проходящая через них смесь газов (SO2 и О2) давала в обеих жидкостях одинаковое число пузырьков. Образующийся серный ангидрид поглощается крепкой серной кислотой, но проходит сквозь промывал-ку с водой.
Интересный вариант опыта окисления двуокиси серы до серного ангидрида описан В. Н. Верховским2. Дву-
1 Ф. А. Вальков, Несколько опытов по курсу химии, «Химия в школе», 1953, № 2, стр. 58.
2 В. II. Верховский. Техника и методика химического эксперимента в школе, г. И, Учпедгиз, 1949, стр. 281.
36
ись серы получают путем сжигания черепковой серы °Квоздухе, поступающем через небольшое отверстие, об-Вазоваппое в боковой стенке у дна пробирки. Отверстие Случают в пробирке, предварительно продув через нее воздух при сильном нагревании.
Общий вид такой установки изображен на рис. 14. Для приведения ее в действие зажигают серу 2 и пус-
Рис. 14. Установка для получения двуокиси серы сжиганием серы в воздухе: 1 — пробирка с отверстием для доступа воздуха; 2 — сера; 3 - промывная склянка с водой для наблюдения за скоростью прохождения газов; 4 — тройник для регулирования притока воздуха; 5 - трубка с катализатором; 6 — газоотводная трубка для продукта реакции и к водоструйному насосу (см. рис. 12)
кают водоструйный насос (на рисунке не изображен). Образующийся сернистый газ вместе с воздухом проходит через промывную склянку 3 с водой, что дает возможность 'Следить (по счету пузырьков) за скоростью прохождения газовой смеси через прибор. Далее газовая смесь поступает через тройник 4, обеспечивающий достаточный приток воздуха, в трубку 5 С катализатором, а через газоотводную трубку 6 выходят непрореагировавшие газы и образовавшийся серный ангидрид.
Более усовершенствованная установка изображена на рис. 15. Сгорание серы, помещенной в лодочке 3, происходит благодаря доступу кислорода из газометра, создающего необходимый ток газа, легко регулируемый при помощи кранов (последние могут быть заменены резиновыми трубками с зажимами). Образующаяся двуокись серы и кислород из газометра поступают в трехгорлую
37
склянку 5 с концентрированной серной кислотой, где эти газы осушаются и смешиваются друг с другом, после чего направляются в трубку 7 с катализатором. Сгорание серы и окисление двуокиси серы до серного ангидрида происходит интенсивнее, чем в предыдущем опыте, в котором был использован воздух вместо чистого кислорода.
Рис. 15. Установка для получения двуокиси серы сжиганием серы в чистом кислороде: / — газоприводная трубка от газометра с кислородом; 2— трубка с краном для подвода кислорода к сере; 3— фарфоровая лодочка с серой; 4—трубка с краном для подвода кислорода к смесителю; 5 — смеситель с концентрированной серной кислотой; 6 — газоотводная трубка для вывода смеси двуокиси серы и кислорода; 7 — трубка с катализатором; 8—(7-образная трубка для собирания серного ангидрида; 9 — стакан с охладительной смесью
В такой установке (см. рис. 14) сернистый газ может быть получен также при обжиге пирита, для чего нужно использовать трубку из тугоплавкого стекла (или фарфора).
Как показали специально поставленные опыты1, окисление двуокиси серы до серного ангидрида удобно производить в реакционной трубке с внутренним обогревом (рис. 5Л). В пространство между муфтой холодильника и фарфоровой трубкой помещают катализатор (кусочки красного кирпича, порошок Сг2О3, перемешанный с асбестовой ватой, ванадиевый ангидрид па асбесте и т.п.), включается электрический ток от осветительной сети, и температура в реакционной трубке доводится до 400—450°. Через трубку 4 поступает в такую электриче-
1 И. А. Черняк. Приборы с внутренним электронагревом, «Химия в школе», 1'955, № 2, стр. 48.
>88
о «печь» двуокись серы и кислорода, а через трубку й выходит после прохождения через слой нагретого ка-ялнзатора газовая смесь, б которой легко обнаружить Тепный ангидрид. С этой целью удобно направить газы, Суходящие из трубки 5, в большую (1 л) круглодонпую колбу, поставленную выше «печи» вверх дном. Вскоре колба' наполняется белым туманом серного ангидрида, который хорошо виден всему классу. С помощью водоструйного насоса серный ангидрид из колбы переводится в ниже расположенные приемники и испытывается так, как было описано выше.
Окисление двуокиси серы до серного ангидрида может быть легко осуществлено путем нагревания катализатора электричеством и без внутренней фарфоровой трубки — непосредственно спиралью для электроплитки в реакционном сосуде, изображенном на рис. 6 (стр. 17).
Все остальные детали установки остаются такими же, как и в предыдущих вариантах опытов. Общий вид такой установки изображен на рис. 16.
Рис. 16. Установка для каталитического окисления SOs до SO3 в реакционной трубке с электронагревом: 1 - колба с медными стружками (или бисульфитом натрия); 2— капельная воронка с концентрированной серной кислотой; 3 - трехгорлая склянка с концентрированной серной кислотой; 4— двугорлая склянка со стеклянной ватой; 5—реакционная трубка с электронагревом в виде спирали; б--катализатор па асбестовой вате; 7—сухая пробирка; ° стакан с охладительной смесью; 9—пробирка с подкисленным раствором хлористого бария; 10—пробирка с концентрированной серной кислотой; 11 — газоотводная трубка к водоструйному насо-/а’	— трубка к газометру с кислородом; 13— спиртовая горелка;
‘ - электроплитка (сопротивление); 15 — электрический шнур с вилкой; 16--розетка к электросети
39
При пропускании смеси двуокиси серы и кислорода над нагретой докрасна спиралью через некоторое время можно наблюдать белый туман, состоящий из серного ангидрида, который заполняет приемник и дальше проходит через раствор хлористого бария, но частично поглощается концентрированной серной кислотой. Легко наблюдать, что в пробирке 9 над раствором содержится больше тумана, чем в пробирке 10. Выделение серного ангидрида происходит более интенсивно, если между витками накаленной спирали содержится порошок красного кирпича (или окись железа), перемешанный с асбестовой ватой.
Еще быстрее идет реакция образования сернистого ангидрида в присутствии ванадиевого катализатора (пя-тиокись ванадия на асбестовом носителе).
Проходя через нагретую спиралью массу катализатора, двуокись серы и кислород энергично реагируют. Почти тотчас же реакционная трубка и приемник заполняются густыми облаками серного ангидрида, который можно получить в жидком и твердом виде при сильном охлаждении приемника.
Изложение раздела программы о производстве серной кислоты контактным способом ведется на основе демонстрационного эксперимента по каталитическому окислению двуокиси серы в серный ангидрид. Учащиеся в это время получают наглядное представление о значении концентрации реагирующих веществ, катализатора и оптимальной температуры на течение химической реакции в нужном направлении с достаточно большой скоростью. Использование катализаторов в мелко раздробленном состоянии показывает на значение для увеличения скорости реакции большой поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
После того как учащиеся уяснили химическую сторону производства серной кислоты, им легче будет разобраться в схемах, моделях заводской аппаратуры и в деталях технологического процесса, если удастся побывать с экскурсией на сернокислотном заводе. Здесь учащиеся получат сведения об общих принципах химического производства, усвоенных на основе школьных экспериментов. Так, на сернокислотном производстве при изучении контактного аппарата они увидят, как используется теплота реакций для нагревания вступающих в реакцию га-40
g0B__двуокиси серы и кислорода — в теплообменнике.
Обжиг сернистых руд служит примером комбинирования производства — сернокислотного и металлургии.
Просмотр нового учебного фильма (выпуск 1954 г.) о производстве серной кислоты также имеет большое учебно-воспитательное значение, поскольку в нем наглядно показано, как осуществляются в промышленности разобранные на уроке химические процессы.
Тема получения серной кислоты является весьма ценной и для внеклассных занятий. Представляет интерес опыт получения серной кислоты из ангидрита или гипса, внедренный в производство в ряде стран. Дело сводится к получению двуокиси серы из серпокислого кальция при обжиге последнего с углем в присутствии каолина и других добавок. Этот способ получения серной кислоты из ангидрита имеет, например, большое значение для промышленности в Германской Демократической Республике. Школьный демонстрационный опыт, дающий возможность понять химическую сущность этого производства, осписан М. Рихтером *.
Смесь 5 вес. ч. порошка древесного угля, 4 вес. ч. каолина и 8 вес. ч. жженого гипса высушивают при температуре 150—170е, помещают в фарфоровую трубку и сильно прокаливают в токе воздуха. Образующаяся двуокись серы окисляется затем кислородом воздуха в присутствии твердого катализатора При температуре 400— 500° до серного ангидрида.
Л. Кольб2 рекомендует взять смесь порошков прокаленного сульфата магния и древесного угля (10: 1), так как 'реакция между этими веществами не требует столь высокой температуры, как в предыдущем опыте. Двуокись серы подвергается окислению до серного ангидрида, как обычно, а к твердому остатку окиси магния прибавляют концентрированный раствор хлористого магния и получают строительный материал (так называемый цемент Сореля, а в смеси с древесными опилками — ксилолит) .
На этом примере также видна тесная связь между --------
1 -Mathematik, Pliysik und Cliemie in der Schule“, 1953, №7—8, стр. 375.
’Там же. 1952, № 9, стр. 453.
41
химической промышленностью и промышленностью строительных материалов.
На внеклассные занятия следует также вынести монтирование установок и проведение в них опытов но получению серной кислоты нитрозным способом.
СИНТЕЗ АММИАКА ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ
Синтез аммиака протекает в соответствии со следующей обратимой экзотермической реакцией:
N2 + 3H2^2NII3; Q = + 2-10,9 ккал.
При нагревании равновесие смещается влево, что требует проведения процесса при возможно, более низкой температуре. Однако даже при 400° скорость реакции незначительна, и для ее увеличения применяют активные катализаторы. Повышение давления увеличивает выход аммиака, так как реакция протекает с уменьшением объема газовой смеси. Но и при этих условиях удается использовать азотоводородную смесь лишь до 20%. Чтобы заставить прореагировать и остальное количество азота и водорода до образования аммиака, осуществляется циркуляционная схема процесса.
Синтез аммиака в качестве школьного демонстрационного опыта существенно отличается от способа осуществления этого процесса в заводских установках как в отношении исходных веществ для получения азотоводородной смеси, так и условий реакции и связанной с этим конструкцией аппаратуры, не позволяющей применять высокие давления, циркуляционную схему и т. д. Тем не менее постановка опыта и при атмосферном давлении, когда можно получить лишь ничтожные выходы аммиака (даже при соблюдении температурных условий реакции и наличия активного катализатора), наглядно показывает учащимся значение высоких давлений в этом процессе и будет способствовать более сознательному усвоению схем и моделей заводских установок 1 при дальнейшем изучении этого 'вопроса.
Для синтеза аммиака в школьных условиях нужно иметь чистую азотоводородную смесь и достаточно активный катализатор. Азот обычно получают при взаимо
1 Д. Л. Эпштейн и С. А. Шуркин, Учебные модели еа.-водских химических установок, М... Учпедгиз, 1953,
действии насыщенных растворов сернокислого аммония (или хлористого аммония) с азотистокислым натрием:
(NH4)2SO4 4- 2NaNO2 2NH4NO2 + Na2SO4,
NH4NO2 = N2f +2H2O.
Реакция требует нагревания лишь вначале, после чего она протекает сама но себе с выделением тепла. В качестве побочных продуктов этой реакции образуется окись азота NO и двуокись азота NO2. Для удаления NO и NO2 выделяющиеся газы пропускают через раствор сернокислого железа (закисного) и крепкий раствор едкого натра, причем образуется комплексное соединение Fe(NO)SO4 бурого цвета, NaNO2 и NaNO3, что может быть представлено уравнениями:
FcSO4 + NO = Fe (NO)SO4 и 2NO2 4- 2NaOH = NaNOs 4- NaNO2!4- H2O.
Специально поставленные опыты показали, однако, что для получения заметных количеств аммиака очистку азота можно ограничить пропусканием его только через крепкий раствор щелочи.
Высушивание азота производится путем пропускания газа через концентрированную серную кислоту. Водород получают действием раствора серной кислоты на цинк, содержащий обычно мышьяк и другие каталитические яды. Поэтому водород очищают от примесей мышьяковистого водорода AsH3 и других примесей, пропуская его через хромовую смесь. В частности, она окисляет AsH3 до мышьяковой кислоты H3AsO4, остающейся в растворе. Затем 'водород освобождают от влаги, протекая его через концентрированную серную кислоту. Удобно использовать вместо прибора для получения азота (рис. 17 1, 2, 3) уже готовый азот, собранный предварительно в газометре. Благодаря этому техника проведения опыта на уроке упрощается.
Хорошим катализатором для лабораторного синтеза аммиака служит порошок восстановленного железа, предварительно смешанный с асбестовой ватой. Добавка к железному катализатору небольшого количества кремней для зажигалок, содержащих металлический церий, делает его более активным. Активный катализатор получается также путем восстановления окиси железа водородом. как было описано выше (см. рис. 8). Но восста
новление окиси железа удобнее производить в той же трубке, которая служит для синтеза аммиака и для проведения обратной реакции — разложения аммиака.
Рнс. 17. Установка для синтеза аммиака иод атмосферным давлением: 1 — капельная воронка с насыщенным раствором нитрита натрия; 2— колба с насыщенным раствором сульфата (или хлорида) аммония; 3— горелка; 4—раствор сернокислого железа (закисного); 5 — концентрированный раствор едкого натрия; 6—концентрированная серная кислота; 7—аппарат Киппа с цинком и серной кислотой (1:1); 8— хромовая смесь; 9 — концентрированная серная кислота; 10 - - смесйтель со стеклянной ватой; 11 — трубка из тугоплавкого стекла (или фарфоровая) с катализатором; 12— газовая горелка; 13—вода с раствором фенолфталеина; 14—газоотводная трубка; 15—зажим
Степень размельчения катализаторов синтеза аммиака, другими словами — их удельная поверхность, оказывает весьма существенное влияние на скорость протекания химической реакции. Синтез аммиака над порошком восстановленного железа, перемешанного с асбестовой ватой идет быстрее, чем над железными опилками. Кусочки же церистого железа (пеизмельченные камни для зажигалок) не оказывают заметного каталитического действия на синтез аммиака, тогда как в порошкообразном виде это вещество является 'весьма активным катализатором. Для демонстрации этих опытов собираются установки1, изображенные на рис. 17 и 18.
Для выполнения опыта воздух из прибора должен быть вытеснен азотоводородной смесью. С этой целью
[ Д. А. Эпштейн, А. А. Гр а б едкий, А. А. Осипов, С. А. III у р х и и, Опыты и наглядные пособия для ознакомления учащихся с производством синтетического аммиака и азотной кислоты, «Химия в школе», 1S54, Кв 2.
44
пускают ток азота и водорода, следя за тем, чтобы объемы этих газов относились, как 1 : 3. Скорость течения газов и их относительные количества регулируют посредством счета числа пузырьков!, пробулькивающих через промывалки с концентрированной серной кислотой. После проверки полноты вытеснения воздуха (для чего нужно взять пробу тазов у трубки 14 па отсутствие взрывной смеси) начинают подогревать катализатор, избегая чрезмерного повышения его температуры. Об образовании аммиака судят по появлению окраски раствора фенолфталеина в склянке 13, а также, по образованию дыма хлористого аммония при приближении к газоотводной трубке 14 стеклянной палочки, смоченной концентрированной соляной кислотой.
Опыт заканчивается в следующем порядке: сначала прекращают нагревание катализатора, затем закрывают кран аппарата Киппа и пропускают в течение нескольких минут азот, чтобы вся установка заполнилась этим газом.
Закрыв трубку с катализатором посредством зажимов и отделив ее от остальной аппаратуры, собирают установку (изображенную на рис. 18) для проведения
Рис. 18. Установка для разложения аммиака: 1 — колба с водным раствором аммиака; 2— спиртовая горелка; 3 — Сообразная трубка с натровой известью и стеклянной ватой; 4 — трубка из тугоплавкого стекла (или фарфоровая) с катализатором; 5 газоотводная трубка; 6 — промывная склянка с серной кислотой для поглощения аммиака; 7 — газовая горелка
опыта разложения аммиака. Сначала, не нагревая катализатора, собирают выходящий непосредственно из трубки 4 газ в пробирку и показывают учащимся, что он не
45
горит. Затем подключают промывную СКлянку 6, нагревают катализатор и время от времени испытывают выделяющийся газ на горючесть. Когда образовавшийся водород начнет спокойно гореть в пробирке, его поджигают у отверстия газоотводной трубки 5. Водород горит ровным, спокойным пламенем. Таким образом, учащиеся получают наглядное представление об обратимости реакции синтеза аммиака: в присутствии одного и того же катализатора, при атмосферном давлении и при температуре 400—500°, происходит одновременно образование и распад аммиака. Уяснение этого вопроса существенно для изучения промышленного способа синтеза аммиака, в частности, почему необходимо применять в этом случае циркуляционный процесс.
В условиях школьного опыта синтеза аммиака под атмосферным давлением можно увеличить выход аммиака, если использовать применяемую в технике циркуляционную схему процесса. С этой целью над нагретым катализатором пропускают несколько раз азотоводородную смесь, приготовленную заранее. Образовавшийся аммиак каждый раз поглощается водой, и концентрация его увеличивается. Такая более сложная установка может быть изготовлена учащимися во время внеклассных занятий, по на уроке химии вполне достаточно продемонстрировать простую установку, в которой азотоводородная смесь проходит только один раз над катализатором, после чего удаляется из сферы реакции.
Циркуляционный 'Процесс может быть иллюстрирован на следующем опыте *. Азотоводородная смесь (заготавливается заранее), пройдя один раз над катализатором, не удаляется в воздух, а возвращается обратно в реакцию. Благодаря этому удается получить большее количество аммиака из 'одного и того же количества азота и водорода. Это обстоятельство можно наглядно показать по изменению цвета индикатора, например лакмуса или фенолфталеина, под действием аммиака. Так, с увеличением числа пропусканий азотоводородной смеси окраска индикатора становится все более интенсивной.
Перекачив1ание азотоводородпой смеси 'осуществляется различными способами. Для этой цели служат, напри-
1 В. Ф. Егоркин, Д. М. Кирюшин, В. С. Полосин, Внеклассные практические занятия по химии. Руководство для учащихся средней школы, М., Учпедгиз, 19'56, стр. ИЗО.
46
мер, две резиновые камеры волейбольного мяйа, соеди--нецные друг с другом непосредственно и через реакционную трубку с катализатором (для этого используются два тройиика, резиновые трубки и зажимы). Другой вариант состоит в том, что соединяются друг с другом два сосуда-газометра так, что газ из нижнего сосуда поступает в реакционную трубку, образовавшийся аммиак поглощается водой с индикатором, а азотоводородная смесь поступает в верхний сосуд. После этого сосуды меняются местами: сосуд с газами снова оказывается внизу, а сосуд с водой—наверху. Такую циркуляцию газов 'осуществляют несколько раз. Чем дольше пропускать азото-водородпую смесь над нагретым катализатором, тем большее количество газов вступает в реакцию.
Синтез аммиака удобно производить в качестве де-моистрационнного опыта в реакционной трубке с использованием накаленного куска спирали от электроплитки (стр. 17, рис. 6).
Катализатором реакции синтеза аммиака рекомендуется применять, как и в ранее описанных опытах, восстановленное железо, смесь восстановленного железа с церистым железом или окись железа, которую восстанавливают водородом непосредственно перед проведением синтеза аммиака. Тот или иной катализатор смешивают с асбестовой ватой и образовавшейся смесью, плотно заполняют пространство между витками спирали при помощи спички.
Опыт производится в такой же последовательности, как было описано ранее. После тщательной проверки на чистоту водорода и отсутствие аммиака в исходной смеси газов (проба с лакмусовой бумажкой) включают ток от осветительной сети. Спираль накаляется более или менее сильно в зависимости от включенного сопротивления, количества катализатора, силы тока газовой смеси. В зависимости от взятого катализатора через тот или иной промежуток времени можно обнаружить образование аммиака. Так, если было взято восстановленное железо с добавками порошка церистого железа, то появление окраски в растворе фенолфталеина происходит почти тотчас же после включения тока, а уже через минуту окраска становится весьма интенсивной. Равным образом стеклянная пластинка, смоченная концентрированной соляной кислотой и поднесенная к отверстию газоотвюд-
47
ной трубки, вызывает появление обильного «дыма» хлористого аммония, который 'Вскоре, оседая на стенках стекла, образует белый налет. Лакмусовая бумажка быстро окрашивается в синий цвет. Аналогичный опыт с восстановленным железом (без добавок церистого железа) приводит к появлению окраски фенолфталеином позже (через 3 минуты), так как образование аммиака в этом случае происходит медленнее. Если же взять красную окись железа, то опа при высокой температуре легко восстанавливается водородом до металлического железа, которое служит более активным катализатором синтеза аммиака, чем взятое уже готовое восстановленное железо, имеющее 'более крупное кристаллическое строение.
Конструкция реакционной трубки позволяет быстро установить активность различных катализаторов, влияние степени раздробления катализатора, температурные и другие условия. Например, если поместить между витками спирали не измельченное железо, а кусочки железной проволоки или даже церистое железо (в виде камней для зажигалок), то образование аммиака не наблюдается. Интересна также возможность испытания смеси катализаторов, например, влияние добавок к железу других металлов (кобальта, никеля), а также некоторых окислов (калия, алюминия и др.).
Опыт проходит удовлетворительно, если азот пропустить только через раствор щелочи и оба газа осушить пропусканием их через промывную склянку с концентрированной серной кислотой. Благодаря этому конструкция установки упрощается. Общий вид ее в этом варианте изображен на рис. 19 А. В трубке с электронагревом может быть также проведена обратная реакция — разложение аммиака и обнаружение образующегося при этом водорода.
Оригинальный опыт синтеза аммиака разработан В. С. Полосиным («Химия в школе», 1955, № 6, стр. 46). Существенным здесь является то, что используется азот воздуха, а это ближе отвечает условиям производства аммиака в технике. Правда, удаление кислорода 'осуществляется другим приемом, чем это делается в технике, а именно: сжатием в воздухе водорода, получаемого обычным лабораторным способом — взаимодействием цинка с раствором серной кислоты (1:5). Но благодаря этому приему нет необходимости столь тща-48
тельно очищать азот от примесей аммиака и окислов азота, образующихся в качестве побочных продуктов при получении азота обычным лабораторным способом: разложением нитрита аммония:
NH4NO2 = N2t +2Н2О.
Это обстоятельство сильно упрощает конструкцию установки и делает опыты более выразительными.
Рис. 19 А. Установка для синтеза аммиака в реакционной трубке с электроспиралью: 1 — капельная воронка с насыщенным раствором нитрита натрия; 2 — колба с насыщенным раствором хлорида аммония; 3- - промывная склянка с концентрированным раствором едкого кали; 4— промывные склянки с концентрированной серной кислотой; 5—тройник; 6 — стеклянная трубка с оттянутым конном; 7 — спираль от электроплитки; 8 — катализатор на асбестовой вате; 9 — проволока медная или железная (оголенная); 10— электроплитка со шнуром и вилкой; 11— розетка; 12— 17-образная трубка с раствором фенолфталеина; 13 — газоотводная трубка
Для проведения опыта служит колба емкостью в, 1 л (или больше), закрытая пробкой с двумя отверстиями, в которые вставлены две стеклянные трубки: одна длинная, с оттянутым концом, доходящая почти до дна колбы, и вторая—короткая. Обе трубки, выходя наружу, изгибаются в противоположные стороны под прямым углом. Длинная трубка соединена с аппаратом Киппа, заряженным для получения водорода, а короткая — с реакционной трубкой, содержащей катализатор (восстановленное железо), перемешанный со стеклянной или асбестовой ватой. Реакционная трубка соединена с короткой трубкой куском резиновой трубки, на которую надет винтовой зажим. Закрывая зажим, изолируют реакционную
Опыты по хинин	49
Рис. IS Б. Установка для синтеза аммиака из атмосферного азота: 1 — аппарат Киппа, заряженный для получения водорода; 2 -- колба с воздухом; 3-- пламя горящего водорода; 4—винтовой зажим (завинченный); 5—катализатор (восстановленное железо), смешанный с асбестовой или стеклянной ватой; 6—пробирка для улавливания аммиака; 7 — полоска влажной фильтровальной бумаги, смоченной раствором фенолфталеина
трубку от сосуда для получения азота. Общий вид установки изображен на рис. 19 5.
Опыт выполняется следующим образом. Пускают водород из аппарата Киппа; после испытания водорода на чистоту поджигают его у конца длинной газоотводной трубки и отрегулировывают очень небольшое пламя. Трубку с горящим водородом вставляют в банку и закрывают ее пробкой. Водород продолжает спокойно горсть в колбе, пока не выгорит весь кислород, после чего пламя гаснет. Тогда закрывают кран аппарата Киппа. Нагревают пламенем горелки реакционную трубку с катализатором. Осторожно открывают кран аппарата Киппа, после чего в колбу входит водород на место связанного кислорода. Затем открывают зажим 4 для создания тока азотоводородной смеси. Последняя, проходя из колбы по газоотводной трубке над нагретым катализатором, дает некоторое количество аммиака. Аммиак может быть легко обнаружен аналогично тому, как это было описано ранее.
В. С. Полосин рекомендует для обнаружения аммиака другой прием: выходящие из реакционной трубки газы пропускают через помещенную вверх дном пробирку, 50
внутри которой содержится влажная бумажка, пропитанная раствором фенолфталеина. Образование аммиака обнаруживается по появлении малиновой окраски сначала в верхней части, вблизи газоотводной трубки, а затем постепенно все ниже, по мере диффузии аммиака. Окраска фенолфталеиновой бумажки появляется через 1—2 минуты после'начала пропускания азотоводородной смеси над нагретым катализатором. По быстроте появления окраски фенолфталеина можно судить об интенсивности процесса синтеза аммиака в зависимости от условий опыта: наличия в реакционной трубке тех или иных катализаторов, температуры его нагрева и др. Так, например, синтез аммиака практически не происходит при комнатной температуре и при чрезмерном прокаливании катализатора.
После того как было доказано присутствие аммиака, опыт заканчивается. Для этого прекращают нагревание реакционной трубки, а после ее остывания — и пропускание газов, закрывая кран аппарата Киппа. Тот же катализатор может служить и для повторного опыта, но для этого необходимо во избежание взрыва удалить из колбы оставшийся в ней водород.
Однако этот вариант проведения опыта наряду с достоинствами имеет и тот недостаток, что не позволяет создать ток азотоводородной смеси в нужных объемных соотношениях азота и водорода. А это существенно, так как для производственного процесса имеет большое значение соотношение объемов вступающих в реакцию газов.
Чтобы устранить этот недостаток, нужно видоизменить технику проведения опыта. С этой целью азот, полученный из воздуха посредством удаления кислорода и собранный в отдельном сосуде, сначала направляют в промывную склянку с концентрированной серной кислотой, служащей для осушки газа и определения скорости его протекания (по числу пузырьков). Ток азота создается путем вытеснения газа водой (как в газометре). Водород из аппарата Киппа предварительно также пропускают через промывную склянку с концентрированной серной кислотой. Отрегулированный ток азотоводород-ной смеси поступает (желательно сначала через смеситель) в реакционную трубку. Объемные соотношения газов определяют по числу пузырьков.
4*	51
Конструкция прибора для синтеза аммиака (и дру. гих опытов) сильно упрощается, если применить вместо промывных склянок и реакционной трубки одну лишь узкую, но длинную тугоплавкую трубку.
Часть трубки заполняется натровой известью (или другим поглотителем, предназначенным для очистки газов), далее в нее помещается слой стеклянной ваты и катализатор. Оба конца стеклянной трубки неплотно закрываются стеклянной ватой. Натровая известь в трубке должна вытряхиваться после каждого опыта и заменяться новой, тогда как катализатор может быть использован много раз.
По данным Э. Росса', в такой трубке могут быть успешно проведены опыты по синтезу и разложению аммиака. Особенность этой установки состоит еще и в том, что азотоводородная смесь образуется в одном сосуде путем поочередного прибавления соляной кислоты на помещенные в нем отдельно металлический пинк и смесь растворов мочевины с нитритом натрия. В качестве катализатора синтеза аммиака применялось церистое железо (истолченные кремни для зажигалок).
ПОЛУЧЕНИЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ ОКИСЛЕНИЕМ АММИАКА
Сжигание аммиака в присутствии катализаторов (платина и ее спутники, «кислы железа, хрома, марганца, а также медь и некоторые другие металлы) приводит к образованию окиси азота, согласно следующей экзотермической реакции:
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О.
Окись азота поступает затем в реакции, приводящие к образованию азотной кислоты:
2NO + O2 = 2NO2 и
3NO2 + Н2О = 2HNO8 4- NO.
На этих процессах основан современный метод получения азотной кислоты1 2.
1 „Chemie in der Schule", 1955 г., JNs 2, стр. 83.
2 Обычно в учебниках н популярной литературе реакцию двуокиси азота с водой изображают следующим уравнением:
2NO2 -|- Н2О = HNO:! + hno2.
Это уравнение не соответствует действительному ходу процесса и должно быть выражено в форме, приведенной выше, так как процесс ведут при повышенной температуре, когда НЬ'Ог распадается. 52
При выполнении опытов по получению азотной кислоты в лабораторной установке указанным способом в большей степени, чем при синтезе аммиака, соблюдаются условия, создаваемые в промышленности. Так, в обоих случаях реакции могут протекать под обыкновенным давлением. Но между заводской и лабораторной установками для получения азотной кислоты имеется и важное различие. В технике пользуются весьма активными катализаторами в виде тончайших сеток, изготовленных из сплава платины с родием, так как для образования окиси азота необходимо соприкосновение реактирующих газов с поверхностью катализатора всего лишь в течение тысячных долей секунды1. Для школьного опыта такой катализатор недоступен. Поэтому применяются другие, менее активные катализаторы, например, порошок — окись железа РегО3 или металлическая медь в виде сетки. Для проведения лабораторного опыта нужно брать большее количество катализаторов, чтобы продлить время контакта реагирующих газов с поверхностью катализаторов. Несмотря на отмеченные различия между школьным опытом и условиями окисления аммиака в производстве, учащиеся получают на уроке, сопровождаемом демонстрацией данного опыта, вполне отчетливое представление о химизме процесса производства азотной кислоты по этому методу.
Разработано большое число различных установок для демонстрации опыта получения азотной кислоты окислением аммиака. В одних опытах окисление ведут кислородом воздуха, в других—чистым кислородом. Они различаются также между собой выбором того или иного катализатора и деталями конструкций отдельных частей (см. например, у В. Н. Верховского2). Компактная установка для проведения данного опыта предложена К- Я. Парменовым (рис. 20). Для приведения в действие изображенной установки нагревают стеклянную трубку.? в том месте, где находится медная сетка 5, и включают водоструйный насос. Слабым током воздуха аммиак направляется в трубку и, проходя над нагретой медной сеткой, окисляется до окислов азота. Последние собирают-
[ Общая химическая технология, год ред. акад. С. И. Вольфовича, т. I, М.—Л., Госхимиздат, 1952.
2 В. Н. Верховский, Техника и методика химического эксперимента в школе, т. II, Учпедгиз, 1949.
53
ся в приемнике 7 и могут быть обнаружены реакцией с дифениламином1.
Хорошие результаты дает также опыт с внутренним электрообогревом (рис. 5, А). В данном случае в качестве катализатора можно применять медную проволоку, ко-
Рис. 20. Установка для каталитического окисления аммиака в присутствии меди в качестве катализатора: 1 — стаканчик с тубусом для притока воздуха; 2—вата, смоченная раствором аммиака; 3- стеклянная трубка; 4—резиновая пробка с отверстием для укрепления трубки 3 в стаканчике 1; 5 - медная сетка; 6— газоотводная трубка; /--приемник с тубусом; 8—раствор дифениламина в серной кислоте; 9 — резиновая трубка к аспиратору или водоструйному насосу
торая наматывается на внутреннюю фарфоровую трубку 1. Смесь аммиака с воздухом поступает через трубку 4, а продукты реакции выводят через трубку 5, улавливают и испытывают.
На рис. 21 изображена лабораторная установка для получения азотной кислоты2, па которой отчетливо видны две стадии производственного процесса: 1) получение окиси азота и 2) получение самой азотной 'кислоты.
Аммиак окисляется кислородом воздуха в трубке 4 с катализатором — окисью железа, перемешанной с асбестовой ватой; в склянках 6 и 7 происходит частичное окисление образовавшейся окиси азота до двуокиси азота и взаимодействие ее с конденсирующейся водой; в
1 1%-ный раствор дифениламина в концентрированной серной кислоте (так называемый реактив Лунге).
2 Д. А. Эпштейн, А. А. Грабецкий, А. А. Осипов, С. А. Шу.рхин, Опыты и наглядные пособия для ознакомления учащихся с производством синтетического аммиака и азотной кислоты, «Химия в школе», 1964, № 2.
54
поглотительной 'колонке 8 продолжается окисление окиси азота до двуокиси азота и взаимодействие последней с водой.
Рис. 21. Установка для каталитического окисления аммиака (катализатор — окись железа): 1— колба с раствором аммиака; 2— горелка; 3— (/-образная трубка с натровой известью и стеклянной ватой; 4—трубка с катализатором (окисью железа), перемешанным с асбестовой или стеклянной ватой; 5—горелка; 6 — двугорлая склянка со стеклянной ватой; 7 — склянка для собирания окислов азота; 8 — поглотительная колонка с битым стеклом; 9—приемник с раствором дифениламина в серной кислоте; 10—белый фон; И—газоотводная трубка к аспиратору; 12 — зажим для регулирования притока воздуха
Опыт производится следующим образом. Присоединяют трубку И к аспиратору или водоструйному насосу и нагревают аммиачную воду, находящуюся в колбе 1. Одновременно нагревают катализатор (примерно до 700°), после чего эта температура поддерживается за счет самой реакции.
Концентрацию аммиака регулируют путем изменения степени нагрева аммиачной воды в колбе 1 и скорости просасывания аммиачно-воздушной смеси через установку, для чего используют зажим 12.
Вначале склянка 6 наполняется дымом азотнокислого и азотистокислого аммония, образующихся из окислов азота и непрореагировавшего аммиака. Для удержания этого дыма склянка 6 предварительно заполняется стеклянной ватой. При дальнейшем течении процесса склянка 7
55
наполняется окислами азота, которые постепенно втягиваются в поглотительную колонку 8. В ней содержатся короткие стеклянные трубочки, медленно орошаемые водой, поступающей из капельной воронки. Для получения более концентрированного раствора азотной кислоты раствор из колонки собирают в стакан и переливают в капельную воронку, откуда он снова поступает в поглотительную колонку и т. д. Непоглощенные окислы азота поступают в промывную склянку 9 с раствором дифениламина в серной кислоте, вследствие чего этот раствор окрашивается в интенсивный синий цвет. Под конец опыта установку освобождают от аммиака и окислов азота. Для этого отъединяют колбу 1 и через установку протягивают воздух.
Каталитическое окисление аммиака может быть проведено аналогично описанному варианту опыта синтеза аммиака с использованием нагретой спирали от электроплитки (см. рис. 6). В этом случае, однако, вместо тройника нужно использовать обычную стеклянную трубку, через которую поступает предварительно осушенная натровой известью аммиачно-воздушная смесь. Для создания сильного тока такой смеси пропускают кислород воздуха через раствор аммиака (10% или более концентрированный раствор, но взятый в малом количестве). Регулирование количества аммиака осуществляется путем поднимания или опускания газоотводной трубки для кислорода (или воздуха) в сосуд с раствором аммиака. В зависимости от соотношения реагирующих газов образуются те или иные продукты реакции, которые можно обнаружить. Так, при относительно большом количестве аммиака (газоотводная трубка для воздуха погружена глубоко в сосуд с раствором аммиака) смесь газов, проходя через сильно раскаленную спираль, дает в качестве продукта реакции азотнокислый аммоний в виде белого тумана, который можно собрать и идентифицировать. Если же пропускать большой избыток воздуха (или кислорода, что интенсифицирует процесс окисления аммиака), то в этом случае трубки для воздуха погружают на небольшую глубину в разбавленный раствор аммиака; образуются окислы азота (NO, а также при более длительном процессе — двуокись* азота NO2, заметная на белом фоне). Газы легко обнаружить по запаху и реакции с дифениламином.
56
Обнаружение окислов азота весьма существенно для-создания у учащихся отчетливых представлений о (каталитическом окислении аммиака. В самом деле, исходное вещество—-аммиак—-дает щелочную реакцию, легко-обнаруживаемую индикаторами (фенолфталеином, лакмусом), тогда как продукт реакции — двуокись азота— при взаимодействии с водой создает кислую среду.
Пропускание воздуха (или кислорода) в раствор аммиака не всегда позволяет создать нужные соотношения кислорода и аммиака для получения окислов азота. При таком приеме нередко берется недостаточный избыток воздуха, что приводит к образованию аммонийных солей.
В. С. Полосин рекомендует увеличить концентрацию воздуха путем пропускания его не только через раствор аммиака, но и воду, откуда он дальше поступает в реакционную трубку вместе с воздушно-аммиачной смесью. Скорость протекания воздуха через раствор аммиака в воду легко регулируется аспиратором (или водоструйным насосом) и зажимами. Число пузырьков воздуха, проходящих через воду, должно в несколько -раз превышать число пузырьков, воздуха, проходящих через разбавленный раствор аммиака.
Поскольку для 'каталитического окисления аммиака требуется более высокая температура (около 700°), чем для синтеза аммиака, то нагревание спирали должно производиться более сильно (до белого каления). Это достигается регулированием сопротивления путем уменьшения длины спирали в электроплитке, включаемой в цепь.
В качестве катализатора этой реакции применяется окись железа (как и в предыдущем варианте), окись хрома, а также смесь катализаторов, например, окиси железа с двуокисью марганца. Катализаторы тщательно перемешиваются с асбестовой ватой и помещаются в пространство между витками спирали. Более активным катализатором оказалась смесь порошков окиси железа с двуокисью марганца, чем каждое из этих веществ, взятое в отдельности. Однако наиболее сильно ускоряется реакция окисления аммиака в присутствии трехокиси хрома. Об этом свидетельствует, в частности, то обстоятельство, что после того, как ток был выключен, ио продолжалось пропускание кислородно-аммиачной смеси
57
над катализатором, последний оставался все время накаленным, правда, не во всем объеме, а па отдельном его участке. С другими катализаторами наблюдалось само-разогревание в значительно меньшей степени.
Для получения окислов металлов (железа, кобальта, висмута и др.), играющих роль катализаторов реакции окисления аммиака, удобно воспользоваться разложением соответствующих нитратов, раствором которых пропитывают асбестовую вату.
Простое устройство реакционной трубки дает возможность регулировать степень накала спирали, позволяет осуществить испытание многих других катализаторов для окисления аммиака кислородом.
Рис. 22. Установка для каталитического окисления аммиака в реакционной трубке с электронагревом: / — трубка .для воздуха (или кислорода из газометра); 2 --раствор аммиака (10%-пый); 3—О-образпая трубка с натровой известью; 4—реакционная трубка; 5—спираль от электроплитки; 6—катализатор иа асбестовой вате; 7—медные или железные проволоки; 8 — электроплитка со шпуром и вилкой; 9- розетка к электросети; 10—газоотводная трубка; И— сухая колба иа 250 —500 мл\ 12 — (/-образная трубка с раствором дифениламина
Общий вид установки изображен на рис. 22. Ток воздуха создается водоструйным насосом, или пропускается чистый кислород из газометра. Колба служит для наблюдения образующихся окислов азота (и собирания «дыма» нитрата аммония); в Д-образной трубке помещается раствор дифениламина.
А. Д. Чендров1 описал простую демонстрационную установку, дающую возможность уяснить .влияние темпе
1 «Химия в школе», 1955, № 3, стр. 45.
58
ратуры и катализатора на скорость окисления аммиака до окислов азота. На этой же установке можно приблизительно определить относительную активность различных 'катализаторов. Автор приводит следующий порядок убывания каталитической активности окислов: Сг, Со, Fe, Си, Bi, Мп, NL Катализаторы приготовляют ггутем пропитывания пемзы соответствующими нитратами с последующим разложением посредством нагревания до окислов металлов. Последние остаются в пемзе в мелко-раздроблеппом виде.
ПОЛУЧЕНИЕ АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ
Опыты по получению азотнокислого аммония знакомят учащихся с принципом производства солей, оспованном на реакции нейтрализации. Производство NH4NO3— важнейшего азотного удобрения — состоит в нейтрализации азотной кислоты аммиаком. Уравнение этой сильно экзотермической реакции можно записать в следующем виде:
HNO8 + NHS = NH4NO3 -L Q ккал.
Образующийся таким образом раствор аммонийной селитры упаривается, вследствие чего происходит кристаллизация соли, которую сушат нагретым воздухом.
Все стадии производства этого продукта могут быть показаны учащимся в виде демонстрации. Но главное внимание следует обратить на сам процесс нейтрализации. В нем существенное значение имеет тепловой эффект, что используется в технике для получения более концентрированных растворов соли и даже готового' продукта в сухом виде. В школьном опыте эта сторона производства отражается в показе разогревания реакционной смеси в процессе проведения реакции нейтрализации. Это обнаруживается термоскопом. Вторая особенность данного производства заключается в том, что реакция происходит между жидкостью и газом, т. е. является гетерогенной. Поэтому существенное значение для течения данного процесса имеет увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ. На опыте этого можно достичь, направляя аммиак в газовую колонку, орошаемую раствором азотной кислоты (рис. 23 А). Пропусканием аммиака в смеси с воздухом в раствор кислоты одновременно осуществляют перемешивание жидкости,
59
что способствует ускорению химической реакции между аммиаком и кислотой (рис. 23 Б). Реакция аммиака с кислотой может быть показана и без этих добавочных приспособлений, а именно: аммиак, получаемый при нагревании его водного раствора, например 10%-ного, заставляют проходить над кислотой, помещенной в ^-образной трубке, промывной склянке Тищенко и т. п. Поэтому для демонстрации опыта по получению аммонийной селитры, как и в других случаях, возможны варианты.
Рис. 23 А. Установка для получения аммиачной селитры. Вариант I: 1—колба с водным раствором аммиака (10—25%-tгым); 2—газоотводная трубка для аммиака; 3— колонка для поглощения аммиака; 4 — капельная воронка с азотной кислотой (1:1);
5 — приемник для раствора соли.
В первом варианте (рис. 23 Л) при слабом нагревании крепкого раствора аммиака в колбе 1 получается газообразный аммиак, поступающий по газоотводной трубке 2 в колонку 3, орошаемую раствором азотной кислоты из капельной воронки 4. Образующийся раствор соли собирается 'В приемнике 5. Конец нейтрализации устанавливается пробой на лакмусовую бумажку. Если нейтрализация кислоты не была закопчена, то жидкость переливают в капельную воронку 4 и пропускают се еще раз через колонку навстречу току аммиака. Вытекающий в приемник 5 раствор имеет более высокую температуру, чем исходная кислота, в чем можно убедиться, прикасаясь рукой к колбочке или опуская в нее термоскоп. Но тепло-СО
вой эффект реакции нейтрализации кислоты аммиаком более наглядно виден во втором варианте опыта (рис. 23 5). В данном случае смесь аммиака с воздухом поступает в 17-образную трубку или трехгорлую склянку, содержащую раствор азотной кислоты. Благодаря хорошему перемешиванию реагирующих веществ реакция и в этом случае заканчивается быстро. Для паглядпости в трубку 3 помещают полоску лакмусовой бумаги, по изменению окраски которой (из красной—в растворе кислоты, в синюю — от избытка аммиака) заключают о кон-
Рис. 23 Б. Установка для получения аммиачной селитры. Вариант II: 1 — колба с водным раствором аммиака (25%); 2 — газоотводная трубка для аммиака; 3 - - {7-образиая трубка с раствором азотной кислоты (1:1) или серной кислоты (25%); 4 — лакмусовая бумажка; 5—газоотводная трубка к водоструйному насосу; 6—зажим для регулирования притока воздуха; 7 — термоскоп; 8 — стеклянный сосуд с водой;
9 — вариант поглотителя
це реакции нейтрализации. Тепловой эффект реакции нейтрализации обнаруживается при помощи термоскопа, вставленного в стеклянный сосуд с водой, в которую погружена 17-образиая трубка.
Полученный в первом или втором варианте раствор аммонийной селитры осторожно упаривают на водяной бане до начала кристаллизации, фильтруют, подсушивают выделившиеся белые кристаллы и показывают их учащимся. Легко получается также расплав, застывающий в белую кристаллическую массу.
Аналогичным образом может быть получен сульфат аммония, не утративший своего значения ценного азотного удобрения, а также смесь одно- и двузамещенных фосфатов аммония.
61
Демонстрация опыта по получению аммонийной селитры ставится в связи с изучением вопросов о солях азотной кислоты и производстве азотных удобрений.
Получение фосфорнокислых и калиевых удобрений при условиях, напоминающих промышленные, не является подходящим объектом для демонстрационных опытов-ввиду длительности и малой выразительности физико-химических процессов, протекающих при этом. Поэтому в данных случаях целесообразно ограничиться показом учащимся учебных кинофильмов, например «Фосфорнокислые удобрения» и «Производство калийных удобрений». При демонстрации этих фильмов (или отдельных кадров) следует указать учащимся, что в настоящее время производство фосфатных и калиевых удобрений значительно усовершенствовано.
ПОЛУЧЕНИЕ СОДЫ АММИАЧНЫМ СПОСОБОМ
Аммиачный способ получения соды состоит в обработке раствора поваренной соли аммиаком и двуокисью углерода, в результате чего выпадает осадок двууглекислой соды, что может быть выражено-суммарным урав,-непием:
NaCl + NH3 + СО2 + HSO = NaHCO31 + NH4C1.
При прокаливании NallCOg переходит в' кальцинированную соду ИагС'Оз:
2NaHCO3 = Na2COs + Н2О + СО2.
Выделяющаяся при этом двуокись углерода снова направляется в производство.
Учителя иногда демонстрируют в школе получение соды аммиачным способом, желая ближе познакомить учащихся с производством одного из важнейших продуктов химической промышленности, хотя вопрос о производстве соды исключен из новой программы по химии.
Исходные вещества для проведения соответствующей реакции весьма доступны: хлористый натрий, раствор аммиака, мрамор и соляная кислота (для получения углекислого газа), а также фенолфталеин и известковая вода (реактивы на ионы ОН - и углекислый газ). Химизм основного процесса также весьма прост—это по существу реакция обменного разложения между NaCl и NH4HCO3 (последнее вещество образуется при взаимодействии молекул Nils, СО2 и Н2О). Следует также 62
иметь в виду, что производство минеральных солей основано как раз па реакции обменного разложения наряду с реакцией нейтрализации (например, при получении аммонийной селитры) и выделением солей из природных смесей (например, получение хлористого (калия из сильвинита или карналлита). Конструирование требуемой
для проведения опыта установки также не представляет
трудностей.
Простейший прибор представляет собой колбу, закрытую пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка (рис. 24). В колбу до х/з объема наливают насыщенный раствор хлористого натрия в 10%-ном растворе аммиака. Через трубку, конец которой может быть расположен и выше уровня жидкости, подводится углекислый газ под небольшим давлением (из аппарата Киппа или, лучше, баллона с жидкой двуокисью углерода). Через
Рис. 24. Простейшая установка для получения соды аммиачным способом: 1 — аппарат Киппа, заряженный для получения двуокиси углерода; 2—газоотводная трубка; 3 -насыщенный раствор хлористого натрия в 10%-иом растворе аммиака
некоторое время при встряхивании колбы появляются
первые кристаллы двууглекислого натрия.
Двууглекислая сода образуется так же, если через, насыщенный раствор хлористого натрия в раствор аммиака пропускать двуокись углерода при обыкновенном давлении. Необходимо, чтобы газ проходил предварительно через промывную склянку с водой, поглощающей брызги кислоты из аппарата Киппа.
Установка для проведения опыта по другому варианту изображена на рис. 25. Существенной частью этой установки является стекляиая воронка с натянутым на ее' верх ситом, что ведет к образованию большого числа мелких пузырьков углекислого газа, а это способствует лучшему соприкосновению реагирующих веществ. Двуокись углерода вступает в реакцию с аммиаком, растворенным в насыщенном растворе поваренной соли, налитом в цилиндр 4.
ба
Сильный ток углекислого газа (из баллона или аппа-рата Киппа) пропускают сначала через воду, содержащуюся в промывной склянке, откуда через предохранительную склянку 3 он поступает в воронку 5 и через мелкие отверстия сита, сделанного из целлофана или
Рис. 25, Усовершенствованная установка для получения соды -аммиачным способом: А. 1 — трубка от аппарата Киппа с мрамором и соляной кислотой (1:1); 2— промывная склянка с водой; 3— предохранительная склянка; 4—стеклянный цилиндр с раствором -аммиака и поваренной соли; 5 — стеклянная воронка с ситом; 6 — капельная воронка с раствором аммиака и поваренной соли; 7— трубка для сливания раствора; 8—трубка для выпуска соды; 9 — газоотводная трубка для избытка двуокиси углерода; 10 -цилиндр с раствором поваренной соли (без аммиака). Б. Вариант детали установки; 11— стеклянная воронка; 12—целлофановое сито; 13— газоприводная трубка; 14— трубка для выпуска соды; 15 — трубка для сливания раствора; 16 — осадок соды; 17 — раствор аммиака и поваренной соли
капроновой ткани, смешивается с насыщенным раствором поваренной соли в аммиачном растворе, вступает с этими веществами в реакцию, а непрореагировавшая часть проходит по газоотводной трубке 9 в цилиндр 10, содержащий насыщенный раствор NaCl (без аммиака).
Через несколько минут после начала опыта в нижней части цилиндра 4 начинает выпадать осадок двууглекислой соды (жидкость в цилиндре 10 остается прозрачной). Тогда прекращают ток углекислого газа, зажимают трубку, соединяющую цилиндр с предохранительной склянкой 3, открывают зажим на сливной трубке 7 и выпускают раствор в стакан, а соду (в В1иде суспензии) выпуска-
64
ют через трубку 8, затем фильтруют и сушат на фильтровальной бумаге. Часть полученного продукта нагревают в пробирке с газоотводной трубкой, конец которой опущен в известковую воду: известковая вода мутнеет. Растворяют образовавшуюся кальцинированную соду в дистиллированной воде и прибавляют к раствору каплю фенолфталеина. Аналогичный опыт выполняют с равным количеством двууглекислой соды. Сравнивают окраску фенолфталеина, полученную в обоих случаях.
Таким путем учащиеся получают представление о производстве двууглекислой соды, о переработке ее в кальцинированную соду и о различии в свойствах этих продуктов.
Конструирование установок для получения соды аммиачным методом дает широкое поле деятельности для учащихся 1во время внеклассных занятий. Можно приблизить условия выполнения школьного опыта к заводским условиям. Собирают, например, поглотительную колонку, внутри которой располагается слоями несколько металлических дисков, в которых проделаны тонкие отверстия для прохождения углекислого газа и раствора хлористого натрия. Газообразный аммиак поступает в верхнюю часть колонки, а углекислый газ — в нижнюю. Последний, проходя через отверстия в дисках, разбивается на мелкие пузырьки, способствуя соприкосновению реагирующих веществ. Образующийся двууглекислый натрий постепенно оседает на дисках, после чего пропускание газов прекращают.
Интересный способ осуществления данной реакции предложил Р. Братш ’. Реакционный сосуд представляет собой хлоркальциевую трубку (объемом около 60 мл). В нее вставлена пробка со стеклянной трубкой, конец которой оттянут. Второй конец стеклянной трубки присоединен к аппарату Киппа, заряженному для получения двуокиси углерода. К узкому концу хлоркальциевой трубки присоединяется длинная стеклянная трубка (1,50— 1,75 м). Приливают в эту трубку через воронку раствор хлористого натрия и аммиака, который готовят так: растворяют 18 г поваренной соли в 50 мл холодной дистиллированной воды, раствор декатируют в мерный цилиндр, дополняют до 65 мл 25%-ным раствором аммиака и пере-
1 „Mathematik, Physik und Chemie in der Scbule", 1953, № 7 -8, стр. 414.
5 Опыты по химии	65
мешивают. Оттянутый конец трубки должен находиться в средней части расширенного конца хлоркальциевой трубки ниже уровня жидкости 'в ней на 30 мм. При пропускании углекислого газа через жидкость увеличивается ее поверхность, что способствует ускорению химической реакции. Примерно через 20 мин. появляется первая молочная муть, а затем образуются белые хлопья, которые оседают на дне хлоркальциевой трубки.
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ ВОДЫ
Электролиз воды служит одним из технических способов получения чистого водорода, используемого для гидрогенизации растительных масел и в других производствах. Одновременно получается чистый кислород, который также находит много применений.
Промышленные электролизеры являются довольно сложными аппаратами, особенно при наличии у них диафрагмы. Проще устроены электролизеры в виде ванны колокольного типа без диафрагм, и поэтому действующие модели электролизеров обычно принадлежат к этому типу.
В литературе описано большое количество установок
Рис. 26 А. Установка для получения водорода и кислорода: 1—стеклянная банка с электролитом (35— 40%-ный раствор едкого натрй); 2—катод (железная проволока); анод (железная проволока); 4—стеклянный цилиндр для разделения катодного и анодного пространства; 5 — пробка для закрывания цилиндра (4); 6 — газоотводная трубка для кислорода; 7 — газоотводная трубка для водорода
66
для электролиза воды (см. например, монографию к. я. Парменова ’)• Сравнительно простые приборы и вместе с тем отражающие в некоторой мере устройство и действие промышленного электролизера описаны Н. Г. Ключниковым 2 и В. С. Полосиным3. Установки эти весь-
ма сходны между собой, но отличаются размерами и не-
которыми деталями конструкции. С незначительными изменениями обе конструкции воспроизведены па рис. 26 А
и 26 Б. Из них более простая и доступная изображена на
рис. 26 А, и поэтому разберем ее устройство и действие подробнее. Электролизером служит широко-горлая склянка (или колба), в которую палит раствор едкого натра (20—30%). Банка закрыта пробкой с двумя стеклянными трубками: трубка 7 сообщается с банкой, а конец трубки 6 .вставлен в пробку от цилиндра 4. Па цилиндр наматывают несколько
витков железной проволоки 2, служащей катодом. Внутри цилиндра также содержится спираль из железной проволоки 3, играющей роль анода. Концы проволок (выводятся через пробки наружу и соединяются с источником постоянного электрического тока (напряжение около 10 в, сила тока около 1 а). После вытеснения воздуха собирают выделяющийся через трубку 7 водород, а через трубку 6 — кислород. С этой целью к газоотводным трубкам 6 и 7 присоединяют резиновые трубки и газы собирают в
Рис. 26 Б. Вариант электролизера: /--стеклянная банка (около 500 мл) с электролитом (35-%ный раствор едкого натра); 2— катод из никелевой или железной жестн; 3—анод из никелевой или железной жести; 4—стеклянная трубка, разделяющая катодное и анодное пространства; 5 — газоотводная трубка (для водорода); 6 — газоотводная трубка (для кислорода).
цилиндры путем выте-
спепня из них воды. Конструкция прибора предотвращает
! К. Я. Парменов, Опыты с электрическим током по химии в средней диколе, М., Учпедгиз, изд. 2, 1948.
2 Н. Г. Ключников, Руководство ио неорганическому синтезу, М.—Л., Госхимиздат, 1053, стр. 107.
3 В. С. Полосин, Электролиз поды, «Химия в школ?». 1953, Ке 3, стр. 67.
5*	S7
Рис. 27. Простейший электролизер: 1 — электролитическая ванна с раствором щелочи; 2—катод и анод (из железных проволок); 3—стеклянные трубки, закрытые пробками; 4— газоотводные трубки; 5 — пневматические ванны с водой; 6—пробирка для собирания водорода; 7 — пробирка для собирания кислорода.
смешивание газов, и они получаются довольно чистыми в
отношении приблизительно: на 1
Рис. 28. Электролизер в виде (/-образной трубки: 1—(/-образная трубка с двумя тубусами; 2— пробка с железным катодом; 3 — пробка с железным анодом; 4 — газоотводная трубка для водорода; 5 — газоотводная трубка для кислорода, 6—комок ваты (хлопчатобумажной или асбестовой) для предохранения жидкости от перемешивания
объем кислорода 2 объема водорода. Существенно, чтобы обе спирали не подходили близко друг к другу: они должны находиться на расстоянии не менее 2 см от края стеклянной трубки.
В практике школ часто применяется прибор для электролиза воды, в котором смонтирова!-ны вместе электролизер и выпрямитель (алюми-ниево - содовый). Последний принадлежит к весьма употребительным узлам, легко изго-готовляемым самодель-
ным путем.
Получение водорода и кислорода электролитическим путем рассматривается в общих чертах в начале курса химии в VII классе и более основательно — в старших классах в связи с вопросом об электролизе. Для первоначального ознакомления учащихся с электролизом воды
68
с целью получения водорода и кислорода в несколько большем количестве, чем это допускает аппарат Гоффмана, можно сконструировать более простые электролизеры, описанные К. Я. Парменовым 1 и В. П. Верховским2. Они изображены на рис. 27 и 28.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИСТОГО НАТРИЯ В ПРИБОРЕ С ТВЕРДЫМ КАТОДОМ
Электролиз водного раствора хлористого натрия широко применяется в промышленности для получения хлора, едкого натра, а также водорода. Необходимое условие для протекания электрохимических процессов, приводящих к образованию перечисленных выше продуктов, состоит в том, чтобы разделить тем или иным способом катодное и анодное пространства друг от друга и благодаря этому воспрепятствовать побочным реакциям между продуктами электролиза: едким натром и хлором, водородом и хлором. Это достигается применением диафрагм и другими способами, подробно' рассматриваемыми в курсах химической технологии.
Для демонстрации электролиза раствора хлористого натрия на уроках химии обычно пользуются установками, аналогичными установкам для электролиза воды, например, изображенным па рис. 27 или 28. Но вместо железного (или никелевого) анода применяют угольный стержень, а раствор едкого натра заменяют раствором хлористого натрия (концентрированным, так как в нем хлор растворяется хуже, чем в разбавленном). Однако удобно иметь для электролиза растворов солей специальные приборы. В качестве таковых могут служить уста повки, изображенные на рис. 29. Первый из них показывает принципиальное устройство электролитической ванны для получения хлора и едкого натра по так называемому колокольному методу (роль колокола играет стеклянная воронка, разделяющая катодное и анодное пространства), а второй — по методу с использованием полупроницаемых диафрагм. В обоих случаях применяются катоды из железа (или никеля) и угольные аноды, а электролитом служит почти насыщенный раствор хлористого на-
! К. Я- Парменов, Опыты с электрическим током по химии в средней школе, М., Учпедгиз, изд, 2, 1918, стр, 19.
2 В, Н. Верховский, Техника и методика химического эксперимента в школе, т. I, Учпедгиз, 1947, стр. 498.
69
трия, к которому прибавлено несколько капель раствора фенолфталеина и крахмального клейстера, содержащего йодистый калий. При включении постоянного электрического тока (например, от свинцового аккумулятора или от осветительной сети через выпрямитель и реостат) почти тотчас же можно' обнаружить целый ряд внешних явлений, сопровождающих процесс электролиза. Внутри
Z7
Рис. 29. Приспособления для разделения катодного и анодного пространств: А: 1—стакан (электролитическая ванна) с насыщенным раствором хлористого натрия, содержащим раствор фенолфталеина и крахмальный клейстер; 2 — стеклянная воронка; 3 — железная проволока, изогнутая в виде спирали — катод; 4 — угольный (графитовый) стержень—анод; 5 — крышка из толстого картона с отверстиями для пробок. Б: 1 — стакан с насыщенным раствором хлористого натрия, содержащим раствор фенолфталеина и крахмального клейстера; 2— железная проволока, изогнутая в виде спирали — катод; 3 — цилиндр из необожжённой глины; 4— угольный (графитовый) стержень—анод; 5 — крышка из толстого картона с отверстиями для пробок и взятия пробы жидкости из анодного пространства
воронки появляются розовые струйки, опускающиеся медленно вниз вследствие образования едкого натра, что служит доказательством присутствия гидроксильных ио-нов1. Вокруг анода жидкость становится синей, так как выделяющийся на аноде хлор вытесняет затем из йодистого калия йод, который с крахмалом дает синее окрашивание. Граница между розовой и красной окраской жидкости проходит по нижнему краю воронки. Через некоторое время щелочь проходит и ib анодное пространство вследствие диффузии. В сосуде с диафрагмой (рис. 29, Б) розовая окраска появляется вокруг катода 2. Чтобы доказать образование хлора, берут пипеткой пробу жидкости из анодного пространства, ограниченного сосудом из пористой глины. Для этого служит отверстие, сделанное 70
в картонной крышке 5, прикрывающей стакан с электролитом.
Явления, протекающие в обеих ваннах, можно Наблюдать одновременно, если эти электролитические ванны присоединить параллельно к источнику тока, как это предлагает Г. Рейнбольдт
Для разделения катодного и анодного пространств вместо пористого цилиндрического сосуда, пока еще мало распространенного в школе, можно воспользоваться вертикальной диафрагмой из пластинки кирпича, которую легко изготовить самодельным способом. Устройство электролитической ванны с вертикальной диафрагмой из кирпича видно на приведенной схеме (рис. 30).
Рис. 30. Прибор для электролиза с вертикальной диафрагмой: 1 — катодное пространство; 2—анодное пространство; 3 — катод; 4— анод; 5—диафрагма из пористой глины (например, пластинка, высеченная из кирпича); 6—фанерная крышка; 7— отверстия в крышке для взятия проб католита и анолита
К- П. Несина («Химия в школе», 1955 г., № 5, стр. 51) рекомендует отливать пористые цилиндры из цемента в формы, изготовленные из пропитанной парафином бумаги.
! Г. Рейнбольдт, Техника химического демонстрационного эксперимента, М., О.НТИ, 1935, стр. 313.
71
В качестве диафрагмы может быть использован асбест, применяемый с этой целью и в промышленности. Для изготовления модели ванны с асбестовой диафрагмой поступают следующим образом. Берут жестяную банку, например, из-под консервов, пробивают в пей мелкие отверстия, внутренние стенки ее плотно обкладывают асбестовой бумагой. Банку ставят в стеклянный сосуд, например, химический или батарейный стакан. Внутри банки нахо
дится анодное пространство; в качестве анода служит угольный стержень. Между наружными стенками жестяной банки, служащей катодом, и стеклянным сосудом образуется катодное пространство. Банку закрывают пробкой с тремя отверстиями. В одно из них вставляется стеклянная трубка для отвода хлора, 'во второе — угольный стержень, в третье—капельная воронка. Во внутренний и внешний сосуды наливают концентрированный раствор поваренной соли до уровня, отмеченного на рис. 31 А.
Для проведения электролиза
к собранному прибору подключают постоянный электрический ток. Из анодного пространства выделяется хлор, который легко обнаружить (например, с помощью йодокрахмальной бумажки) и затем поглотить или собрать в газометре. Одновременно в катодном пространстве образуется эквивалент-
Рис. 31 А. Вариант I. Установка для электролиза раствора хлористого натрия с асбестовой диафрагмой: 1 — железный дырчатый сосуд (катод); 2—асбестовая прокладка (диафрагма); 3 — стеклянный сосуд; 4—капельная воронка с концентрированным раствором поваренной соли; 5 — сосуд для собирания щелочи; 6 — сосуд с раствором тиосульфата (для поглощения хлора)
дали, однако, тем предупреждали
ное количество водорода, который не улавливается и попадает в атмосферу. В пробе католита можно обнаружить с помощью фенолфталеина образовавшуюся в процессе электролиза щелочь.
Принцип действия описанного прибора применялся долгое время в промышленных ваннах. Последние стра-что не в полной мере снижало выход
недостатком, побочные реакции, что
72
продукта по веществу и току. Так, по мере увеличения концентрации гидроксильных ионов часть их проникает из катодного пространства в анодное, где они могут вступать в реакцию с хлором, растворенным в анолите (образуется гипохлорит), или разряжаться па аподе (выделяется кислород). Поэтому время от времени электролит нужно было выпускать и заменять новым, т. е. вести процесс электролиза периодически.
Чтобы сделать процесс электролиза непрерывным, нужно удалять щелочь по мере се образования и одновременно прибавлять в 'ванну раствор хлористого натрия. Такая непрерывность процесса может быть показана и па данной установке. Для этого в нижней части стеклянного сосуда должен иметься кран, через который выпускается электролит, тогда как свежий раствор поваренной соли поступает в анодное пространство из капельной воронки. Можно также воспользоваться другим приспособлением для удаления электролита: заставить его вытекать через край сосуда по каплям по мере того, как из капельной воронки будет поступать раствор поваренной соли с той же скоростью. Чтобы жидкость выливалась по каплям из сосуда, последний подбирается с носиком (как в химических станках) или к сосуду прикрепляется желобок, сделанный из какой-либо пластической массы.
Описанные установки и опыты с ними дают лишь приблизительное представление о способе производства хлора и едкого -натра с использованием твердых (т. е. не ртутных) катодов. Для более конкретного ознакомления учащихся с принципом устройства и действием заводской аппаратуры служит установка, изображенная на рис. 31 Б. Она состоит из двух основных частей: наружного стеклянного сосуда 1 с краном или зажимом в своей нижней части для отвода раствора щелочи и внутреннего керамического стакана 2, играющего роль диафрагмы. Оба сосуда соединены друг с другом при помощи пробки, в которой проделано отверстие для газоотводной трубки 11, через которую выпускается водород. Сквозь пробку проткнута железная проволока, соединенная с куском жести (железной или никелевой), содержащей отверстия и играющей роль катода. Пористый сосуд закрыт пробкой 14, в которой проделаны отверстия для угольного стержня 3, Служащего анодом, капельной воронки 5 с насыщенным
73
раствором хлористого натрия и газоотводной трубки 8 для вывода хлора.
Перед сборкой прибора в стеклянный сосуд наливают концентрированный раствор хлористого натрия до уровня, указанного на рис. 31 Б. Затем укрепляют в нем керами-
Рис. 31 Б. Вариант И. Установка для электролиза раствора хлористого натрия с керамической диафрагмой: /--наружный сосуд (стеклянный); 2—внутренний стакан (керамический); 3 — угольный анод; 4— никелевый или железный катод; 5—капельная воронка с насыщенным раствором хлористого натрия; 6-- колба для сливания раствора едкого натра; 7—католит и аполит (насыщенные растворы хлористого натрия); 8 — газоотводная трубка для хлора; 9 — стеклянная воронка; 10 — сосуд с хлорной известью; // — газоотводная трубка для водорода; 12—пневматическая ванна с водой; 13--цилиндр для собирания-водорода; 14— пробка для закрывания керамического стакана с тремя отверстиями
ческий стакан, в который палит насыщенный раствор хлористого натрия до несколько более высокого уровня, чем в стеклянном сосуде. Для усиления герметичности прибора обе пробки, закрывающие стеклянный и глиняный сосуды, заливают парафином.
Собранная, согласно описанию и приведенному рисунку (рис. 31 Б), установка при включении постоянного тока достаточного напряжения позволяет получить хлор, водород и раствор едкого натра, которые легко собрать и испытать. Па такой установке может быть показан (в известной мере) принцип противотока и циркуляции, используемые в производстве. Так, из капельной ворон-74
Ки 5 поступает непрерывно концентрированный раствор хлористого натрия, т. е. он движется из анодного пространства в катодное пространство и благодаря этому препятствует проникновению гидроксильных ионов в анодное пространство, где они могут разрядиться (наряду с ионами хлора) >по схеме:
2ОН~ - 2е = Н2О 4- 72О2.
Поступающий в приемник 6 раствор, содержащий, кроме едкого натра, неизменившуюся поваренную соль, может быть снова использован для электролиза (после отделения едкого натра). Но для демонстрации опыта 'в процессе изложения материала об электролизе раствора хлористого натрия достаточно лить указать па присутствие щелочи в полученном растворе, для чего служит проба с 'фенолфталеином. Водород испытывается как обычно: реакцией образования гремучего газа и горением. Хлор обнаруживается легко уже по внешним признакам. Его целесообразно пропустить через поглотительные склянки с гашеной известью. Этим будет не только предотвращена возможность попадания хлора в помещение, но и показано важное практическое применение хлора — для получения хлорной извести. Удобно воспользоваться приемом поглощения хлора гашеной известью с использованием стеклянной воронки, как это предлагает С. В. Васильев1. Хлор может быть также собран в небольших газометрах над концентрированным раствором хлористого натрия, в котором он растворяется значительно хуже, чем в воде.
Таким образом, учащиеся видят тесную связь между электролизом раствора хлористого натрия, дающего водород и хлор, и получением синтетической соляной кислоты.
Другой промышленный способ получения едкого натра, основанный на взаимодействии соды с известью, весьма прост по технике эксперимента, по довольно длителен. Так, раствор NagCOs (примерно 10%) доводят до кипения и в него прибавляют известковое молоко до прекращения выделения осадка из раствора.
1 С. В. Васильев, Получение некоторых Веществ электро' Лизом, «Химия в школе». 1951, № 1, стр, 73.
75
Происходит реакция обменного разложения:
NasCO8 + Са(ОН)2 = 2NaOH СаСО31
Конец реакции узнается по тому, что проба профильтрованной жидкости под действием соляной кислоты не выделяет двуокиси углерода, т. е. в растворе уже отсутствует сода. Раствор образовавшегося едкого натра сливают с осадка СаСОз.
Этот опыт могут провести учащиеся во время внеклассных занятий.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИСТОГО НАТРИЯ В ПРИБОРЕ С РТУТНЫМ КАТОДОМ
Довольно распространенным является и второй промышленный способ получения хлора и щелочей — ртутный. Он имеет то преимущество по сравнению с предыдущим методом, что не требует диафграмы для разделения катодного и анодного пространств. Это обстоятельство обусловлено тем, что на 'Катоде из чистой ртути, обладающей большим водородным перенапряжением, разряжаются не ионы 'водорода, а ионы натрия. При этом образуется амальгама натрия, разложение которой водой приводит к образованию едкого натра и водорода (последний обычно не улавливается). Освободившаяся ртуть вновь используется в качестве катодного' материала, и таким образом процесс осуществляется непрерывно. Благодаря этому получают концентрированные растворы щелочи, минуя трудоемкие операции — предварительное отделение хлористого натрия и упаривание разбавленных растворов щелочи — неизбежные при электролизе растворов хлористого натрия в электролитических ваннах с твердыми катодами.
Ртутный способ имеет и недостатки, к которым нужно отнести высокие затраты на первоначальное приобретение самой ртути и ядовитость паров ртути для здоровья обслуживающего персонала. С последним обстоятельством необходимо считаться при постановке опытов с ртутью на уроках химии и соблюдать необходимые меры предосторожности.
Промышленные установки для получения хлора и едкого натра ртутным способом состоят из двух основных частей: электролитической ванны, чз которой образуются хлор и амальгама натрия, и разлагателя, где происходит 76
взаимодействие амальгамы натрия с водой, ускоряемое в присутствии железа. В результате процессов, происходящих в разлагателе, образуются едкий натр и водород и высвобождается металлическая ртуть, направляемая снова в качестве катодного материала.
Основная идея ртутного метода может быть наглядно представлена при помощи следующего опыта (рис. 32,Л),

з
Б
2
Рис. 32. Простые установки для иллюстрации ртутного способа получения едкого натра и хлора: А. 1—стакан с насыщенным раствором хлористого натрия, содержащим раствор фенолфталеина, йодистого калия и крахмального клейстера; 2— ртуть слоем около 1 см высотой; 3 — стеклянная трубка, погруженная в ртуть; 4—железный стержень (катод); 5— угольный анод; 6 — крышка с отверстиями для пробок. Вариант устройства катода: 1 — фарфоровый тигелек с ртутью; 2—стеклянная трубка; 3—железный стержень. Б. /--стеклянный резервуар; 2—трубка для присоединения ртути к источникам отрицательного электрического тока; 3—трубка Для удаления хлора; 4—угольный аноде пробкой; 5—раствор
хлористого натрия (насыщенный); 6—ртутный катод и амальга-а натрия; 7—крап (или зажим) для выпуска амальгамы ртути фенол^та™Ь: 8 ~Стака” с ДистиллиР°ванной водой и раствором
77
Опйсанного Г. Рейнбольдтом * и другими авторами. На дно стакана 1 (или в небольшой тигелек, помещаемый в такой же стакан) наливают тонкий слой (около 1 см) ртути. В стеклянную трубку вставляют железный стерженек (или стальную спицу) так, чтобы конец его несколько выступал из конца трубки. Стеклянную трубку погружают в ртуть и таким образом полностью изолируют провод от электролита, состоящего, как и в предыдущем опыте с твердым катодом, из раствора хлористого натрия, йодистого калия, крахмала и фенолфталеина Вскоре после подключения к ванне источника постоянного электрического тока 'вокруг анода жидкость окрасится в синий цвет, тогда как у ртутного катода окрашивание отсутствует. По при большей продолжительности опыта можно заметить образование красных струй, поднимающихся с поверхности ртути (вследствие разложения амальгамы и образования едкого натра).
Непосредственно образование амальгамы натрия может быть доказано следующим образом. Отключают источник тока, сливают раствор, а оставшуюся амальгаму натрия промывают струей воды. Затем амальгаму переносят в стакан или колбу с дистиллированной водой, к которой прибавлено несколько капель раствора фенолфталеина. При помешивании вся жидкость вскоре окрасится в малиновый цвет вследствие образования едкого натра.
Представляет интерес такая конструкция прибора, которая давала бы возможность удалять амальгаму натрия по мере ее образования -в сосуд с водой, играющий роль разлагателя в технике. Удобно с этой целью проводить опыт в установке, изображенной на рис. 32,5. Амальгама выпускается через крап 7 в стакан 8 с водой и раствором фенолфталеина, а хлор выходит по трубке 3 и собирается в приемнике или поглощается щелочью.
На рис. 33, А представлена установка, более полно отражающая производство едкого натра и хлора ртутным методом. На -ней отчетливо подразделены две стадии производства: образование амальгамы -в электролитической ванне 4 и разложение ее в отдельном стакане-разлагателе, куда сливается амальгама через трубку 7. Кроме того,
1 Г. Рейп-больдт, Техника химического демонстрационного эксперимента, М., ОНТИ, 1935, стр. 312.
78
конструкция прибора дает возможность осуществить Непрерывный процесс: после разложения амальгамы водой освободившаяся ртуть снова направляется 'В качестве непрерывно обновляющегося катода; ртуть все время переливается через край воронки и поступает в нижнюю часть прибора в виде амальгамы, которая время от времени или
Д	Б
Рис. 33. Усовершенствованная установка для (Получения хлора и щелочи ртутным методом; Л. 1 — резервуар со ртутью; 2—ртутный катод; 3— угольный анод; 4--электролитическая ванна с крепким раствором хлористого натрия; 5- капельная воронка с насыщенным раствором хлористого натрия; 6—газоотводная трубка для хлора; 7—-трубка с краном (или зажимом) для сливания амальгамы в стакан; 8 — трубка с краном (или зажимом) для сливания раствора в стакан; 9 — пневматическая ванна. Б. Детали устройства ртутного катода; 1 — тройник; 2—стеклянная трубка с припаянной к ней вольфрамовой проволочкой (для контакта); 3 — резиновая трубка для соединения стеклянных трубок друг с другом; 4 — оголенный проводник, помещенный в ртуть; 5 — воронка со ртутью
непрерывно (если отрегулировать должным образом поступление и вывод ртути) переливается в стакан-разла-гатель, предварительно наполненный дистиллированной водой (чтобы избежать разбрызгивания ртути). Равным образом, по мере убыли электролита, он пополняется через капельную воронку 5. При помощи собранной, согласно приведенной схеме (рис. 33, Л), установки можно показать образование хлора (он поступает по трубке 6) и щелочи, присутствие которой обнаруживается реакцией с фенол-фталеином. Выделяющийся при взаимодействии амальгамы натрия с водой водород не улавливается.
Интересный вариант электролиза с ртутным катодом
79
Рис. 34. Установка для иллюстрации принципа действия ртутной ванны: 1 — колбы конические по 100 см3 с тубусами в нижней части; 2—соединительная трубка (резиновая); 3 — угольный стержень (анод); 4 -железный стержень (катод); 5 — насыщенный раствор хлористого натрия с фенолфталеином; 6—дистиллированная вода с фенолфталеином; 7—зазоры (щели) для выделения газообразных продуктов электролиза
описан П. К- Григориади*, но для его проведения требуется сравнительно большое количество ртути.
Аналогичная установка, требующая меньше ртути, описана В. Фильбри1 2 (рис. 34) с целью иллюстрации принципа действия промышленной ртутной ванны. Включают электрический ток, напряжением около 20 в, легким покачиванием колбы заставляют ртуть перетекать из анодного пространства в катодное (в технике такое перемещение амальгамы осуществляется с помощью автоматических приспособлений). Перекачку ртути производят несколько раз. Через несколько минут у катода появляется розоватая окраска, указывающая на образование щелочи, тогда как у анода жидкость остается бесцветной. Из других средств наглядности при изучении вопросов электролиза раствора хлористого натрия следует использовать схемы устройства заводской аппаратуры и отдельные диапозитивы. Учебный кинофильм о производстве хлора и щелочей отсутствует. Из узкопленочных фильмов с данным
вопросом связаны: фильм «Поваренная соль и ее добыча» (3 части), содержащий материал о добыче хлористого натрия в одной из шахт Донбасса, из вод Баскунчакского озера и буровых скважин, и фильм «Электролиз» (1 часть, 1936 г.), показывающий процесс электролиза и применение его для производства алюминия.
1 П. К. Григориади, Электролиз с ртутным катодом, «Химия в школе», 1S52, № 1, стр. 60.
2 „Mathematik, Physik und Chemie in der Schule", 1952, № 10,
етр. 540.
30
ПОЛУЧЕНИЕ ГЕНЕРАТОРНОГО (ВОЗДУШНОГО) ГАЗА
Получение воздушного газа является одним из методов газификации твердого топлива, осуществляемых при действии на него кислородом 'воздуха. Химическую основу процесса газификации топлива можно выразить при помощи следующих уравнений:
с 4- О2 = СО2 и СО2 + С = СО.
Первая реакция экзотермическая, вторая — эндотермическая. Обе они протекают при горении твердого топлива и осуществляются в газогенераторах, различные типы которых описаны, аз специальной литературе.
В школьном опыте достаточно воспроизвести эти реакции в простейших установках, описанных В. Н. Верховским *, М. М. Гостевым * и другими авторами.
С первой из приведенных реакций учащиеся знакомятся при изучении вопросов горения, и она не требует доказательств. Вторая же .реакция, уравнением которой учащиеся пользуются, не столь очевидна, и для ее уяснения требуется постановка специального опыта. С этой целью высушенную путем пропускания через концентрированную серную кислоту двуокись углерода восстанавливают углем (древесным или активированным) при возможно более высокой температуре. Восстановление обычно проводится в прямой длинной (30—40 см) железной трубке, которую нагревают в жаровне или на сильной газовой горелке докрасна.
Общий вид установки для выполнения этого опыта изображен па рис. 35, Л. Газоприводная и газоотводная трубки соединены с железной трубкой 3 посредством корковых пробок, обернутых асбестом. Для создания герметичности прибора такие пробки желательно пропитать и промазать жидким стеклом или замешанным с водой жженым гипсом. При работе с окисью углерода нужно принимать меры, предупреждающие возможности отравления этим газом. Особенно это нужно учесть в тех школах, в которых отсутствуют вытяжные шкафы 3.
1 в. Н. Верховский, Техника и методика химического зксперимепта в школе, т. II, Учпедгиз, 1949, стр. 409.
2 М. М. Гостев, Самодельные приборы и пособия по химии, иод ред. К- Я. Парменова, М., изд-во АНН РСФСР, 1950.
3 К. Я. Парменов, Как организовать занятия по химии в средней школе без вытяжного шкафа. Методический сборник «Химия в школе», вып. 1, М., Учпедгиз, 1944, стр. 48.
6 Опыты по химии	81
Z7
Рис. 35. Установки для восстановления двуокиси углерода углем: Л. 1 — газоприводнгя трубка от аппарата-Киппа, заряженного для получения двуокиси углерода; 2— промывная склянка с концентрированной серной кислотой; 3 — железная трубка с древесным или активированным углем; 4--газоотводная трубка с оттянутым концом. Б. 1 — газоприводная трубка от аппарата Киппа, заряженного для получения двуокиси углерода; 2— промывная склянка с концентрированной серной кислотой; 3— реакционная трубка с электроспиралью; 4—кусочки прокаленного древесного угля; 5—(/-образная, трубка с раствором щелочи; 6—газоотводная трубка для окиси углерода; 7 — пневматическая ванна с водой; 8 — цилиндр для собирания газов
Пропускание через железную трубку с углем тока углекислого газа при обыкновенной температуре не сопровождается химической реакцией, тогда как при сильном накаливании этой трубки начинается окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию горючего газа—окиси углерода. В этом убеждаются, поджигая выходящие газы у суженного отверстия газоотводной трубки 4. Окись углерода загорается и горит синева-82
тЫм пламенем. Горение окиси углерода регулируют скоростью притока углекислого газа, который не должен быть слишком большим. Для окончания опыта прекращают нагревание печи и продолжают пропускать через установку двуокись углерода, пока пламя не погаснет и не удалится оставшаяся в приборе окись углерода.
Восстановление двуокиси углерода удобно показать учащимся на уроке, используя электрообогрев в реакционных трубках, описанных па стр. 16 и 17 (рис. 5 и 6). Один из вариантов таких установок изображен на рис. 35, Б.
Ток двуокиси углерода проходит через промывную склянку 2 с концентрированной серной кислотой, после чего он поступает в реакционную трубку 3, содержащую кусочки древесного угля, накаленные докрасна электрической спиралью. Избыток двуокиси углерода поглощается в С/-образной трубке 5, содержащей раствор щелочи, а окись углерода проходит по газоотводной трубке 6 и собирается в пневматической ванне 7 над водой.
Получение окиси углерода при горении угля объясняется последовательным протеканием реакций образования двуокиси углерода и восстановлением ее углем при высокой температуре. Опыт можно показать в том виде (рис. 36), как это описано Ф. А. Вальковым ’. В трубке 2 помещают древесный уголь, который накаливают до тем-
Рис. 36. Установка для доказательства образования окиси углерода при горении угля: / — газоотводная трубка от газометра с кислородом; 2— трубка (стеклянная или фарфоровая) с кусочками уг-ля; 3—промывная склянка с раствором щелочи для поглощения двуокиси углерода; 4—трубка с ватой для поглощения угольной пыли; 5—пневматическая ванна; 6—цилиндр для собирания и сжигания окиси углерода
1 Ф. А. Вальков, Образование окиси углерода при горевия Ж’Щ, «Химия в школе», 1954, № 1, стр. 55.
6?	83
пературы выше 400°. Поступавший из газометра (не изображен на рисунке) кислород окисляет уголь, раскаливая его п-ри этом докрасна. С воздухом процесс окисления протекает не так интенсивно. Па этом примере ясно видно, как концентрация одного из реагирующих веществ влияет на скорость химической .реакции.
Часть образовавшегося углекислого газа восстанавливается до окиси углерода, и оба газа поступают в про-мывалку со щелочью, которая поглощает только СО2. От угольной пыли окись углерода очищают при помощи ваты. Затем СО поступает по газоотводной трубке в пневматическую ванну. Собранный в цилиндре газ горит синеватым пламенем. В процессе горения газа в цилиндр постепенно приливают воду, что способствует спокойному и равномерному горению.
Образование воздушного газа может быть также продемонстрировано в установке, аналогичной той, которая изображена на рис. 35, Б, но с некоторыми изменениями. Существенное значение имеет то, чтобы спираль находилась примерно в середине реакционной трубки. При таком расположении спирали создаются благоприятные условия для хода процесса газификации угля. Уголь, расположенный ближе к току кислорода (левее от спирали), накаливается под действием кислорода, окисляется до углекислого газа. В зависимости от скорости подачи кислорода уголь может или тлеть, или воспламеняться за счет сгорания образовавшейся окиси углерода, горящей в трубке синеватым пламенем. Поступая далее в глубь трубки, двуокись углерода встречает раскаленный уголь вблизи спирали и восстанавливается до окиси углерода, которую очищают от двуокиси углерода, пропуская через раствор щелочи. Окись углерода собирают в цилиндре и поджигают — она Горит синеватым пламенем:
CO + V2O2 = CO2.
Образующийся при этом углекислый газ обнаруживается по появлению белого палета карбоната кальция на стенках помещенного над пламенем стакана, предварительно смоченного известковой водой:
СО2 + Са(ОН)8 = СаСО2| + Н2О.
Общий вид установки изображен на рис. 37. Можно в той же установке пропустить над раскаленным углем не сухой кислород, а влажный. Тогда, наряду с окисью 84
углерода, 'получается водород. Горение такого паро-ки-слородного газа протекает несколько по-иному, чем горение воздушного газа: в первом случае горящий газ светит бледно-голубым, почти бесцветным пламенем, во втором— пламя имеет отчетливо голубой оттенок.
Рис, 37. Получение генераторного (воздушного) газа в реакционной трубке с электронагревом: 1 — газоприводная трубка для кислорода (из газометра); 2— промывная склянка с концентрированной серной кислотой; 3 — реакционная трубка с электроспиралью; 4— уголь; 5 -- стеклянная вата; 6—(/-образная трубка с известковой водой; 7 — (/-образная трубка с раствором едкого натра; 8 — газоотводная трубка для окиси углерода; 9 -- пневматическая ванна с водой; 10 — цилиндр для собирания газов
С соблюдением необходимых предосторожностей образовавшиеся газы могут быть осушены и собраны в сухом цилиндре вытеснением из него воздуха. При сгорании этих газов в цилиндре можно показать, что образуются двуокись углерода и вода; это говорит о наличии в газовой смеси окиси углерода и водорода. Если же подержать над пламенем горящего газа сухой холодный стакан, то его стенки покрываются капельками воды в виде росы; смоченные же стенки стакана известковой водой покрываются белым налетом карбоната кальция.
Следовательно, в таком варианте образуются окись углерода и водород, как и в опыте с водяным газом. Однако соотношение этих газов в обоих опытах неодинаково: водяной газ состоит примерно из равных объемов окиси углерода и водорода, тогда как соотношение объемов этих же газов в паро-кислородном газе может колебаться в более широких пределах.
Для получения паро-кислородпого газа можно собрать
85
специальную установку (рис. 38), в которой водяной пар и кислород сначала поступают по отдельным трубкам 2 и 3, а затем смешиваются и 'проходят через раскаленный уголь, поджигаемый электрической спиралью. Регулируя ток кислорода при помощи крана газометра, а ток водяного пара —нагреванием колбы 1 с водой и посредством тройника 2, нетрудно добиться такого положения, чтобы уголь находился все время в .раскаленном состоянии. Благодаря же экзотермической реакции окисления угля од-
Рис. 38. Получение паро-кислородного газа в реакционной трубке с электронагревом: 1 — колба с кипящей водой; 2 — тройник для регулирования количества водяного пара; 3 — трубка для кислорода (из газометра); 4 и 6—стеклянная вата; 5 — кусочки прокаленного древесного угля; 7—(7-образная трубка с раствором щелочи; 8—газоотводная трубка для водяного газа; 9 — пневматическая ванна; 10—цилиндр для собирания газов
повременно может протекать эндотермическая реакция между углем и водяными парами в течение продолжительного времени. Если же пропускать одни только водяные пары, то температура накаленной спирали оказывается недостаточной для реакции между углем и водяными парами с образованием водяного газа. Для получения последнего служат другие установки с газовым или электрическим нагреванием, о чем будет сказано ниже.
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДЯНОГО ГАЗА
Газификация твердого топлива в данном случае основана на эндотермической реакции взаимодействия угля с водяными парами, в результате чего образуются следу-86
ющие .продукты: .водород, окись углерода и углекислый газ. Протекающие при этом химические реакции можно выразить уравнениями:
С Ч- 2112О — СО2 2f 12 и
С + Н2О = СО |-Н2.
Поскольку оба процесса идут с поглощением тепла, то раскаленный уголь постепенно охлаждается и образование водяного газа прекращается. Чтобы этого не произошло, через определенное время прекращают приток водяного пара и пропускают воздух, вследствие чего уголь снова раскаляется. Следовательно, процесс получения водяного газа происходит циклически, причем оба цикла (вдувание воздуха и водяного пара) чередуются автоматически через определенные промежутки времени.
Водяной газ, представляющий собой смесь примерно равных объемов водорода и окиси углерода, служит высококалорийным топливом, важнейшим источником водорода, идущего для производства аммиака, и ценным сырьем для промышленности органического синтеза. Поэтому ознакомление учащихся с производством водяного газа предусмотрено программой химии для девятых классов. Как и в случае рассмотрения 'вопроса о воздушном газе, учащиеся должны уяснить себе в -первую очередь химическую сторону производства, для чего служит прежде всего демонстрационный опыт.
Опыт может быть поставлен в установке, которая применяется для получения водорода по железопаровому способу (рис. 7, Л). В изгиб трубки кладут кусочки древесного угля или зерненый активированный уголь, и с обеих сторон его помещают в стеклянную вату. В -вертикальное колено трубки -вставляется капельная воронка с водой, а в горизонтальное — газоотводная трубка, через которую собирают образующиеся газы в цилиндр 6, погруженный в пневматическую ванну. Собрав такую установку, нагревают горизонтальную часть трубки до возможно более высокой температуры двумя газовыми горелками или в печи-жаровне до светло-красного каления. Затем 'прибавляют по каплям из капельной воронки воду и собирают выделяющиеся' газы в цилиндр.
Если газы поджечь тотчас же после того, как они были собраны в цилиндре, то можно заметить, что бес-
87
цветное вначале пламя (горение водорода) становится затем голубым (горение окиси углерода). Пламя проникает внутрь цилиндра, при вливании в цилиндр воды выходит из цилиндра и горит над его отверстием. Следует показать учащимся., что при горении водяного газа образуется вода и двуокись углерода. С этой целью над пламенем горящего водяного газа держат холодный сухой стакан: в нем образуются капельки воды, что указывает на наличие в водяном газе водорода. Если подержать над таким пламенем стакан, сполоснутый предварительно известковой водой, то помутнение ее подтверждает наличие в составе водяного газа окиси углерода, сгорающей до двуокиси углерода.
Рис. 39. Получение водного газа в реакционной трубке с внутренним электронагревом; 1 — колба с водой для получения водяного пара; 2—тройник для регулирования количества водяного пара, поступающего в реакционную трубку; 3—реакционная трубка с внутренним элек-троиагревом (см. рис. 5): а — слой асбестовой ваты; б—кусочки древесного угля; 4—аспиратор, служащий одновременно газометром для собирания водяного газа; 5--прямая трубка с краном (или зажимом) и оттянутым концом для поджигания образовавшегося водяного газа
В литературе описаны также и другие варианты демонстрационных опытов по получению водяного газа. .Так, вместо прибавления воды по каплям пропускают водяной пар, получаемый кипячением воды в колбе. Образующиеся газы можно сначала собрать в газометр, откуда его выпускают для испытания, как показано на рис. 39. Один из таких вариантов описан В. Н. Верхов-88
Ским ’• В видоизмененном виде с использованием электро-обогреваемой трубки такая установка представлена на рис. 39. Этот вариант опыта может быть проведен и в не-газифицированпых школах, где имется электросеть. Вместо форфоровой трубки могут быть использованы электроспирали с фарфоровой изоляцией, например, имеющиеся в продаже запасные спирали для электроутюгов.
Получение водяного газа и испытание его свойств производятся на уроке, посвященном разбору материала о газификации твердого топлива.
Здесь же можно указать, что одновременное пропускание водяного пара и хлора над раскаленным углем приводит к образованию хлористого водорода, а также окиси и двуокиси углерода, что служит одним из методов получения синтетической соляной кислоты (стр. 31 и 32, рис. 11 А и 11 Б).
Просмотр фильма «Получение водяного газа» (1 часть, 1937 г.) дает учащимся представление об устройстве и работе промышленных газогенераторов и о способе собирания получаемых газов в газгольдерах.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ
Сухая перец нка (пиролиз) древесины служит для получения целого ряда органических веществ и древесного угля. Изменяя условия опыта: температуру, скорость нагрева, породу древесины и предварительную ее обработку различными реагентами (например, фосфорной кислотой или раствором соды), внося добавки тех или иных металлов (алюминия, железа, магния и других), получают газообразные, жидкие и твердые вещества неодинакового состава и в разных соотношениях.
В школьной -практике опыты по сухой перегонке древесины часто ставятся в виде демонстраций и самостоятельных работ учащихся-. В зависимости от уровня знаний учащихся по химии этот опыт может быть оформлен В том или ином виде. Чаще -всего сухую п-ерегопку дерева производят так, чтобы учащиеся получили представление о наличии в получаемых продуктах жидких веществ (уксусной кислоты, идентифицируемой лакмусом и в подсмольной или на’дсмольной воде) и горючих газов. Слу-
1 В. II. Верховский, Техника и методика химического эксперимента в -школе, т. II, Учпедгиз, 1949, стр. 418.
89
жащие для проведения таких опытов типичные установки изображены на рис. 40, А и 40, Б. В них отражаются в общих чертах процессы происходящие в заводских установках и в транспортных газогенераторах.
Сухая перегонка древесины при изучении органических веществ может быть поставлена в несколько ином плане, позволяющем разделить жидкие продукты реакции на
Рис. 40. Простые установки дня термического разложения (пиролиза) древесины: А. 1 — круглодонная колба с древесными опилками; 2— трубка для отвода продуктов реакции; 3— приемник для жидких продуктов реакций; 4—газоотводная трубка с оттянутым концом; 5 — стакан с холодной водой для охлаждения летучих продуктов пиролиза древесины. Б. 1 — пробирка (с тубусом), содержащая сухие древесные опилки: 2— приемник для смолы (дегтя); 3— приемник для летучих продуктов реакции (подсмольной или надсмольиой воды); 4 — газоотводная трубка с оттянутым концом; 5 — стакан с холодной водой
-отдельные франции, обнаружить в них не только уксусную кислоту, но и метиловый спирт, фенол и другие органические вещества. Установка для такого опыта (рис. 41) описана в журнале «Химия в школе» '.
В перегонную колбу 1 до половины насыпают сухих древесных опилок и укрепляют на асбестовой прокладке в металлическом штативе или на треножнике. К гавоот-водпой трубке 2 присоединяют приемник 3 для смолы. Летучие продукты собираются в приемнике 4, еще более летучие — в 19-образных трубках 5 и 6, а газообразные вещества СО, СН4, Н2 и другие — в газгольдере 7.
1 А. А. Г р а б е ц к и н м А. А. Осипов, Несколько демонстрационных опытов, связанных с изучением основ химического производства, «Химия в школе», 1954 г., № 1.
«0
Для получения наибольшего количества жидких продуктов пиролиза древесины ее быстро нагревают при помощи газовой горелки или примуса до 300—400°. Для уменьшения теплоотдачи рекомендуется верхнюю часть колбы прикрыть асбестом. Через 5—10 мин. в приемнике 4 начинает собираться водный дистиллят, а затем в приемнике 3— смола. Образующиеся прежде всего газообразные вещества поступают в газгольдер, и после вытеснения воздуха (проба на чистоту) их поджигают у газоотводной трубки 8. Они горят почти бесцветным, некоптящим пламенем.
Рис. 41. Усовершенствованная установка для пиролиза древесины: 1 — колба Вюрда с кусочками древесины или опилками; 2—отогнутый под прямым углом отросток колбы Вюрпа; 3—приемник для смолы (дегтя); ^--приемник для подсмольной и надсмольной жидкостей; 5 и 6—(/-образные трубки для сбора высококипятих продуктов; 7 — газгольдер для улавливания газообразных веществ; 8 — газоотводная трубка для поджигания газообразных продуктов пиролиза древесины
Собранный в приемнике 4 водный дистиллят может быть затем подвергнут осторожной разгонке (лучше па водяной бане). Продукты разгонки собираются в 17-образных трубках. Из них берут пипеткой 'пробы и лакмусом испытывают наличие кислот, метилового спирта — восстановлением окиси .меди при нагревании, альдегидов — фелинговой жидкостью.
При другом варианте водный дистиллят в приемнике 4 обрабатывается гашеной известью, и отгоняются метиловый спирт и ацетон. Оставшаяся масса, содержащая уксуснокислый кальций, при нагревании разлагается с образованием ацетона. Действуя на уксуснокислый кальций раствором серной кислоты, получают уксусную кислоту, легко обнаруживаемую по запаху и лакмусом.
91
Описанная установка отражает в некоторой мере заводские условия осуществления пиролиза древесины. Она удобна для выполнения опыта во время внеклассных занятий по химии, так как позволяет ставить эксперимент при различных условиях и определять относительные количества получаемых в каждом отдельном случае продуктов пиролиза данной породы древесины.
термическая переработка каменного угля
По размерам производства и по народнохозяйственному значению пиролиз каменного угля намного превосходит пиролиз древесины, составляя важнейшую отрасль коксохимической промышленности. Однако в качестве школьного опыта сухая перегонка камешюго угля, в отличие от аналогичного опыта с древесиной, ставится сравнительно редко, хотя техника этого эксперимента разработана вполне удовлетворительно и довольно полно освещена в методической литературе. Это обусловлено тем, что пиролиз каменного угля происходит при более высокой температуре, чем пиролиз древесины. Поэтому для проведения опыта требуется огнеупорная трубка и сильное нагревание. Правда, применение жирного каменного угля или бурого угля позволяет осуществить реакцию пиролиза и при более низкой температуре, что упрощает также конструирование нужной аппаратуры.
Удобно производить нагревание угля в прямой металлической (лучше всего железной) трубке длиной 30— 40 см, диаметром 2—3 см. Один конец такой трубки наглухо запирается металлической пробкой, а второй конец ее может закрываться и открываться при помощи завинчивания другой металлической пробкой, в которую вделана узкая металлическая трубка для отвода газообразных и жидких продуктов перегонки. В широкую трубку помещают уголь, измельченный до небольших кусочков и освобожденный от угольной пыли. В остальном установка для пиролиза угля весьма сходна с установками для пиролиза древесины. Два варианта установок изображены на рис. 42 и 43. Непосредственно за приемником жидких продуктов помещают трубку с ватой с целью поглощения мелких капелек жидких продуктов сухой перегонки угля, увлекаемых газами. Если в такую трубку поместить кристаллик уксуснокислого свинца или смочить 92
раствором этой соли часть ваты, то по ее почернению констатируют наличие сероводорода среди газообразных продуктов пиролиза каменного угля. Для улавливания сероводорода его окисляют до свободной серы. В качестве окислителя служит гидрат окиси железа, который
Рис. 42. Упрощенная установка для пиролиза бурого угля: 1 — пробирка железная или из тугоплавкого стекла с бурым углем; 2— приемник для смолы; 3—U-об-разная трубка с ватой, смоченной раствором AqNOa (или Pb(NOa)s); 4 — дистиллированная вода (для поглощения аммиака); 5—полоска лакмусовой бумаги; 6 — сосуды с холодной водой; 7 — газовая горелка; 8—пламя газообразных продуктов пиролиза
перемешивают с кусочками битого фарфора, стекла и т. п. для лучшего сопротивления реагирующих веществ. Для извлечения серы, оставшейся в поглотительной колонке, массу обрабатывают кислотой, причем образуется раствор солей железа, а сера при этом остается без изменения.
Для отделения аммиака от горючих газов их пропускают через газовые колонки, орошаемые водой или раствором серной кислоты. Аммиак и аммиачную воду обнаруживают при помощи лакмуса. Сульфат аммония может быть выделен из раствора выпариванием.
93
Для выделения ароматических углеводородов из каменноугольной смолы ее нужно иметь достаточное количество (около ’/г л).
Рис. 43. Усовершенствованная установка для пиролиза каменного (бурого) угля: 1—широкая железная трубка с камеи-ним (бурым) углем; 2— узкая металлическая трубка для отвода продуктов пиролиза; 3 -приемник для каменноугольной смолы; 4 — стакан с холодной водой; 5—стеклянная трубка с ватой для поглощения капелек жидкости (уносимых током газа) и гидратом окиси железа для поглощения сероводорода; 6—колонка для поглощения аммиака; 7—капельная воронка с водой (или раствором серной кислоты); 8 — приемник для аммиачной воды (или раствора сульфата аммония); 9—газгольдер; 10 - трубка с оттянутым концом для поджигания газа
При иаличии источника сильного нагревания (газаг жаровни и т. и.) удается получить на протяжении 10— 15 мин. заметное количество каменноугольной смолы, аммиачной воды и светильного (коксового) газа. Последний поджигают у конца газоотводной трубки 10, после того как весь воздух из установки вытеснен (во избежание образования взрывчатой смеси).
Таким образом, опыт по пиролизу каменного угля может быть проведен в течение одного урока (при условии предварительной сборки самого прибора). Более детальное знакомство с этим важным и сложным процессом учащиеся получают при рассмотрении промышленных схем., чтении учебника, а также во время внеклассной работы.
Большое учебно-воспитательное значение имеет кипо-
84
фильм о переработке каменного угля. Наряду с показом современного производства в нем уделено также внимание лабораторному опыту по сухой перегонке каменного угля, осуществленной в металлической реторте.
Крекинг нефтепродуктов
Термическая переработка нефти при различных условиях температуры и в присутствии тех или иных катализаторов, объединяемая техническими терминами крекинга и пиролиза, составляет одну из важнейших отраслей химического производства. Этот вопрос рассматривается в школьном курсе химии при изучении органических веществ.
Из всей совокупности разбираемых вопросов о нефти и ее переработке в качестве демонстрационных опытов, отражающих основные производственные процессы, нужно указать наследующие: 1) фракционная разгонка нефти, дающая представление о нефти как смеси углеводородов с весьма различными молекулярными весами,, кипящих при различных температурах; демонстрация действия типичной установки (рис. 44) облегчает учащимся.
Рис. 44. Типичная установка для фракционной перегонки сырой нефти: 1 — колба Вгорца па 250 мл; 2—термометр на 350°; 3 — холодильник Либиха; 4— форштос; 5 (а, б, в, г) — колбочки для собирания различных фракций
возможность разобраться в более сложном промышленном устройстве трубчатых печей, ректификационных колонн и т. д., применяемых в промышленности; 2) перегонка с водяным паром (рис. 45) части мазута, оставшегося
95.
в колбе после фракционной перегонки нефти — прием, используемый на практике, и, наконец, 3) крекинг другой пасти полученного при перегонке нефти мазута, приводящий к образованию жидких и газообразных продуктов, представляющих собой как предельные, так и непредельные углеводороды' с меньшим молекулярным весом, чем углеводороды, входившие в состав мазута. Именно крекинг мазута, а не крекинг очищенного керосина, заслуживает предпочтения, так как этот процесс ближе стоит к промышленным условиям. Крекинг мазута может быть успешно осуществлен в той же установке, что и крекинг керосина. Он требует несколько более сильного нагревания, чем в случае крекинга керосина. Последний может быть
Рис. 45. Установка для перегонки мазута с водяным паром: 1— жестяная банка, наполненная до половины водой (для образования водяного пара); 2— трубка для отвода водяного пара; 3 — круглодонная колба с перегоняемым мазутом; 4 — холодильник (воздушного охлаждения); 5 — приемник (колба, стакан, пробирка); 6-- делительная воронка
произведен не только в железной трубке, как это обычно рекомендуется, но и в стеклянной, внутри которой помещена согнутая спираль — балалаечная струна, способствующая более сильному разогреванию нефтепродуктов пламенем спиртовки. Для крекинга мазута все же следует применять железную трубку, лучше изогнутую, как это было показано на рис. 8 (стр. 22).
В изгиб трубки помещают железные стружки, которые уменьшают скорость протекания мазута и тем самым •96
дольше задерживают его в нагреваемой до самой высокой температуры части трубки--в ее изгибе.
Общий вид установки для -крекинга мазута (и для крекинга керосина) представлен на рис. 46. Ее действие основано на очень медленном (по каплям) прибавлении мазута в реакционную трубку, bi улавливании жидких и газообразных 'продуктов крекинга и в доказательстве наличия в них непредельных углеводородов. Для обнаруживания непредельных углеводородов в образующихся веществах три крекинге нефтепродуктов их можно пропустить через раствор марганцевокислого калия: происхо-
Рис. 46. Установки для крекинга мазута в железной трубке: 1 — изогнутая железная трубка с железными опилками в изгибе; 2- капельная воронка с мазутом; 3— приспособление для счета капель мазута; 4- - U-образная трубка для более низкокинящих продуктов крекинга, 6— стаканы с холодной водой; 7 — газоотводная трубка; 8—цилиндры для собирания газообразных продуктов крекинга нефти; 9 -- пневматическая ванна
дит обесцвечивание этого раствора. Проба из {/-образных трубок берется при помощи стеклянной трубки (или -пипетки), для чего вынимают из одного колена пробку.
Более сложные эксперименты по каталитическому крекингу (в присутствии окиси алюминия и других катализаторов) могут быть -осуществлены на внеклассных занятиях по химии.
Крекинг нефтепродуктов удобно провести в качестве демонстрационного опыта с использованием электрообогрева в виде опирали, -как это изображено на рис. 47.
? Опыты по химии	97
Исходными веществами для крекинга служат: очищенный от непредельных соединений керосин, нефть, от которой 'предварительно отогнаны легко летучие фракции или мазут. Небольшое количество одного из этих веществ, например, керосина, помещают на дно пробирки 1, Нагреванием на спиртовке доказывают, что при этом происходит обычная 'перегонка, а не расщепление крупных молекул на более мелкие. Если же включить электрический ток, то спираль 2 накаляется и подходящие к ней пары углеводородов, находящиеся в керосине, подвергаются кре--кингу. Через несколько минут можно собрать в цилиндрах: 10 газообразные продукты крекинга, а жидкие—в И-образ ной трубке 6. Исходные и 'получаемые жидкие про-
Рис. 47. Установка для крекинга нефтепродуктов с использованием электронагрева: /—реакционный сосуд (пробирка с тубусом); 2 — электроспираль, укрепленная на проволоке и пробке; 3 — электрическая плитка (сопротивление); 4 — электросеть; 5 — мазут (или другой нефтепродукт); 6—(7-образная трубка для собирания жидких продуктов крекинга; 7--сосуд с холодной водой; 8 — газоотводная трубка; 9 — пневматическая ванна; 10— цилиндры для собирания газообразных продуктов крекинга
дукты отличаются друг от друга тем, что в первых отсутствуют непредельные углеводороды, тогда как при крекинге они образуются. Поэтому необходимо показать учащимся реакцию с марганцевокислым калием или с бромной водой для доказательства присутствия двойных связей в молекулах образовавшихся углеводородов. Газообразные продукты крекинга, собранные в цилиндрах 10, поджигают. Они горят спокойно, почти бесцветным или 98
светящим пламенем в зависимости от состава исходных веществ и условий проведения опыта.
ПОЛУЧЕНИЕ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ СИНТЕТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Производство синтетической уксусной кислоты состоит из нескольких стадий: получения карбида кальция и ацетилена, гидратации ацетилена и окисления образовавшегося уксусного альдегида.
В качестве школьных опытов (демонстрационных и лабораторных) разработаны две стадии этого производства: получение ацетилена взаимодействием карбида кальция с водой (лучше с водным раствором хлористого натрия, с которым реакция протекает медленнее, чем с чистой водой, и количество образующегося ацетилена легче поддается регулированию) и гидратация ацетилена в присутствии сернокислой ртути (окисной), играющей роль катализатора (реакция М. Г. Кучерова). Подробное описание этих опытов с вариантами дано Л. А, Цветковым в монографии по технике и методике эксперимента в органической химии, М. П. Пятницким и П. С. Поповым ', В. С. Полосиным 1 2 в журнале «Химия в школе» и другими авторами.
Обычный лабораторный способ получения ацетилена состоит в прибавлении по каплям раствора хлористого натрия (25%-ного) в колбу, содержащую кусочки карбида кальция. Для создания равномерного тока ацетилена и во избежание вспенивания жидкости иногда смачивают карбид кальция этиловым спиртом; в этом случае из капельной воронки прибавляют не раствор хлористого натрия, а воду.
Удобнее получать ацетилен в приборе, напоминающем производственные аппараты. Действием карбида кальция на воду получают в нем ацетилен, собирающийся в газгольдере, из которого ацетилен выводится дальше равномерным током. С этой целью можно воспользоваться надежной и простой установкой, разработанной П. К. Григориади («Химия в школе», 1955, № 6, стр. 40). Реакционный сосуд состоит из двух входящих друг в друга
1 М. П., П я т н и ц к и н и П. С. Попов, Демонстрация реакции М. Г. Кучерова, «Химия в школе», 11951 г., № 6, стр. 611
2 К- С. Полосин, Лабораторный опыт гидратации ацетилена, 'Химия в школе», 1951, № 5, стр. 67.
7*	99
широких стеклянных цилиндров, в; дне которых просверлены отверстия. К верхнему дну внутреннего цилиндра вставляется пробка, через которую проткнута железная проволока с прикрепленной к ней железной цилиндрической коробкой (с отверстиями) для помещения карбида кальция. К нижнему дну цилиндра прикрепляется на пробке газоотводная трубка, доходящая почти до верха внутреннего цилиндра. Во внешний цилиндр наливается вода. Погружение коробки с карбидом кальция на большую или меньшую глубину регулируется путем передвижения ее по проволоке.
Образующийся при соприкосновении карбида кальция с водой ацетилен выходит по газоотводной трубке в склянку с водой, играющей роль гидравлического затвора. Поступление газа контролируется зажимом, благодаря чему внутренний цилиндр газгольдера .поднимается на большую или меньшую высоту, после чего прибор работает автоматически до полного израсходования карбида кальция.
Образующийся ацетилен содержит примеси фосфористых, сернистых и других соединений, придающих ему неприятный запах. Для очистки ацетилен рекомендуют пропускать через раствор сернокислой меди, из которото выпадает черный осадок сернистой меди. Но более эффективным средством для очистки ацетилена является хромо'вая смесь. Обычно хромовая смесь наливается в промывалку, через которую затем пропускают ацетилен. Но можно при очистке ацетилена использовать принцип противотока; ацетилен поступает в нижнюю часть поглотительной колонки, выложенной стеклянным ломом, а хромовая смесь поступает из капельной воронки в верхнюю часть колонки. Такой прием очистки ацетилена используется в технике.
Очищенный ацетилен пропускают в колбу, содержащую раствор сернокислой ртути, нагретый до температуры 70е. Удобнее применять не готовую сернокислую ртуть, а более доступное вещество — желтую окись ртути, обработанную раствором серной кислоты (1:1) при слабом нагревании (например, 0,5 г HgO, 50 мл воды и 30 мл концентрированной H2SO4.)
Полученный прозрачный раствор следует несколько разбавить водой, так как в процессе работы вода испаряется и остающаяся в избытке серная кислота обугли-100
ает попадающие в нее органические вещества и дает Осадок HgSO4. Во избежание этого лучше сразу растворять окись ртути в более разбавленной серной кислоте (1:5).
Образование уксусного альдегида происходит и в> одном реакционном сосуде, когда к смеси окиси ртути и карбида кальция постепенно прибавлять раствор серной кислоты (1 :3). Такой способ, приемлемый для лабораторных опытов, когда требуется получить лишь ничтожные количества уксусного альдегида, обнаруживаемого по запаху и фуксинсернистым реактивам, в демонстрационном опыте себя не оправдал. В опыте с большими количествами веществ происходит чрезмерное разогревание смеси, образуется корка сернокислого кальция, затрудняющая дальнейшее течение реакции, и колба может треснуть. Кроме того, учащиеся не столь отчетливо, как в случае раздельного гидратирования, выделяют две стадии производства, характерные для реакции Кучерова.
На получении разбавленного водного раствора уксусного альдегида и испытании его свойств (образование серебряного зеркала, закиси или гидрата закиси меди) заканчивается обычно опытное освещение этого вопроса. Между тем последняя, т. е. четвертая, стадия производства — окисление уксусного альдегида до уксусной кислоты— также представляет интерес, поскольку уксусная кислота — важнейший продукт органического синтеза, находящий весьма разнообразные применения во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства и быта.
Окисление уксусного альдегида в уксусную кислоту хромовой смесью или другими сильными окислителями осуществить легко. Образование уксусной кислоты можно показать так: нагревают реакционную смесь почти до кипения, выделяющиеся пары уксусной кислоты изменяют окраску влажной лакмусовой бумажки с синей в красную. По такой опыт не отражает промышленного способа окисления уксусного альдегида в, уксусную кислоту, так как в технике применяется в качестве окислителя кислород создуха.
Окисление уксусного альдегида до уксусной кислоты кислородом воздуха может происходить как в газовой Фазе над твердым катализатором, так и в жидкой фазе. Последний способ имеет техническое значение. Следует
101
иметь в виду, что смесь уксусного альдегида с воздухом подобно воздушно-ацетиленовой смеси, взрывает в дщ вольно широких соотношениях компонентов, что делает работу с этими веществами взрывоопасными. Работа с растворами уксусного альдегида более безопасна. Поэтому в качестве школьного опыта нужно исключить вариант окисления уксусного альдегида кислородом воздуха над твердым катализатором в тазовой фазе. Правда, при соблюдении надлежащих условий опыт этот не представляет опасности и дает нужный эффект.
Катализаторами окисления уксусного альдегида до уксусной кислоты молекулярным кислородом являются многие вещества, но лучшие результаты дают соли закиси марганца. Соли эти предварительно растворяют в уксусной кислоте, которая сама служит катализатором разбираемой реакции. Уксуснокислая соль закиси марганца образуется также в самой реакционной смеси, состоящей из раствора марганцевокислого калия, уксусной кислоты и все время поступающего в нее уксусного альдегида. Таким образом, для окисления уксусного альдегида до уксусной кислоты берут разбавленный уксуснокислый раствор, содержащий соли марганца в качестве катализатора. В результате реакции получают раствор уксусной кислоты более высокой концентрации (в технике осуществляется циркуляционный процесс). Но для демонстрационного опыта, когда требуется получить нужный результат вполне отчетливо и в течение возможно более короткого времени, применение в качестве исходных веществ растворов уксусной кислоты неудобно. Если же пропускать уксусный альдегид через раствор солей закиси марганца (или марганцовокислого калия), не содержащего уксусной кислоты, то процесс образования уксусной кислоты удается обнаружить лишь в небольшой степени.
В соответствии со всеми изложенными обстоятельствами становится понятным, почему иллюстрация промышленного способа окисления уксусного альдегида в уксусную кислоту до настоящего времени не получила сколько-нибудь удачного разрешения, в качестве демонстрационного школьного опыта.
На рис. 48, А изображен один из вариантов установки для получения синтетической уксусной кислоты. Получение ацетилена, его очистка и гидратация происходят как 102
Рис, 48, Установки для синтеза уксусной кислоты из ацетилена: Л. 1— круглодонпая колба на 50— 100 мл с кусочками карбида кальция; 2—капельная воронка с оттянутым носиком, содержащая воду или 25%-ный раствор 'Хлористого натрия; 3—газоотводная трубка для неочищенного ацетилена; 4 — промывная склянка с хромовой смесыо; 5 — газоотводная трубка для очищенного ацетилена; 6—колба, содержащая раствор сернокислой ртути (катализатор) и небольшое количество двуокиси марганца: 7—термометр; 8— газоотводная трубка для уксусного альдегида; 9—пробирка с тубусом; 10—вода; И—тройник; 12 — газоотводная трубка для смеси уксусного альдегида и воздуха; 13—поглотительная колонка; 14— газоотводная трубка к аспиратору или водоструйному насосу; 15— капельная воронка с катализатором; 16—колба для собирания уксусной кислоты; 17 — спиртовка, Б. 1 — колба с кусочками карбида кальция; 2 — раствор хлористого натрия (25%-ный); 3—хромовая смесь; 4—раствор серпокислой ртути; 5 — вода; 6--стеклянная вата; 7—раствор марганцовокислого калия; 8— предохранительный цилиндр с водой
103
обычно. При нагревании колбы 6 образовавшийся уксусный альдегид поступает по газоотводной трубке, где смешивается с воздухом, идущим через трубку тройника. Смесь уксусного альдегида с воздухом проходит через газовую колонку, наполненную обрезками стеклянных трубок, смачиваемых раствором солей марганца или марганцевокислого калия в уксусной кислоте. Образующийся более концентрированный раствор уксусной кислоты стекает вниз и собирается в приемник 16. Оптимальная температура этой реакции окисления около 60°. Поэтому раствор, приливаемый в воронку 15, должен быть предварительно нагрет. Пропуская несколько раз реакционную смесь через колонку (при непрерывном поступлении смеси уксусного -альдегида и воздуха), получают уксусную кислоту, более концентрированную, чем была взята первоначально для реакции, и этим самым доказывают наличие реакции окисления уксусного альдегида до уксусной кислоты кислородом воздуха в присутствии солей марганца в качестве катализаторов.
В этом варианте опыт может быть проведен на внеклассных занятиях, когда имеется возможность установить разницу в концентрации исходной и образующейся уксусной кислоты путем титрования. Для демонстрации па уроке такой опыт, как уже отмечалось, не представляет ценности ввиду ограниченности времени. Во избежание присутствия свободной уксусной кислоты в качестве катализатора можно было бы взять уксуснокислый марганец, применяющийся в качестве катализатора также и в промышленности. Однако эта соль малодоступна для школы, а ее приготовление в чистом виде представляет известные 'препаративные трудности. Казалось, можно было бы избежать этой трудности, взяв вместо готовой соли смесь двух солей, например: MnSO4 и CIKCOONa, дающие в водном растворе те же ионы, что уксуснокислый марганец, т. е. ионы Мп++ и СН3СОО~.Однако в этом случае реакция среды, вследствие гидролиза уксуснокислого натрия, становится щелочной, причем гидролиз будет усиливаться при повышенной температуре (60—70°). Очевидно, образующаяся при реакции синтеза уксусная кислота будет расходоваться на нейтрализацию щелочи, и ее обнаружение будет затруднительно. Не приводят также к нужному результату попытки предварительно нейтрализовать смесь растворов MnSO4 и 104
сП COONa серной 'кислотой, так как реакция протекает пи нагревании, а испытание продуктов— при обыкновенной температуре, т. е. когда степень гидролиза различна. Кроме того, вводить кислоту нецелесообразно из методических соображений, поскольку нужно обнаружить кислую среду.
Все эти обстоятельства заставили нас остановиться на другом варианте опыта (рис. 48, Б) и дать учащимся некоторое представление о производственном процессе. В качестве катализатора применяется разбавленный водный раствор КМпО4, и его подкисление серной или уксусной кислотой не производится, так как задача опыта и состоит в доказательстве появления кислотности. Процесс ведут при нагревании до 60 —70° па водяной бане. При этом поступающие в реакционный сосуд газы (избыток ацетилена и уксусный альдегид) восстанавливают КМпО4 до бурых продуктов (гидроокисей Мп4+и Мл + ). Эти продукты легко отфильтровываются через обыкновенный фильтр, и получается совершенно прозрачный раствор. В нем может быть обнаружена уксусная кислота следующим образом. К части раствора прибавляют определенное количество нейтрального лакмуса в плоскодонном стаканчике и сравнивают окраску его с дистиллированной водой в одних и тех же условиях: одинаковое количество жидкости, индикатора, одинаковые размеры сосудов и условия освещения. Тогда легко можно заметить, что полученный раствор является слабо кислым. В этом же можно-убедиться, если к очень слабому щелочному раствору, содержащему фенолфталеин, прибавить немного полученного раствора: произойдет обесцвечивание фенолфталеина.
Однако при окислении марганцевокислым калием в нейтральной среде часть образовавшейся уксусной кислоты находится bi связанном состоянии, в виде СН3СООК-Образуется эта соль в растворе в результате следующих процессов. Выступая в качестве окислителя в нейтральной среде, КМп-О4 распадается по схеме:
2КМпО4 Ч- Н2О -> 2КОН + 2МпО2 [30] Образующаяся уксусная кислота вступает в реакцию нейтрализации с КОН:
СНдСООН -I КОН СНдСООК + Н2О.
Приведенная схема подтверждается тем, что если при
105-
бавить к отфильтрованному продукту реакции раствор серной кислоты и нагреть, то можно обнаружить уксусную кислоту по запаху и по покраснению синей лакмусовой бумажки.
Между тем в осадке, оставшемся на фильтре после •обработки его раствором серной кислоты и нагревания уксусной кислоты установить не удалось, так как уксусный калий переходит в фильтрат, будучи растворимым в воде.
Успешное выполнение опыта в> этом варианте требует некоторых изменений в конструировании установки. Особое внимание необходимо обратить на. то, чтобы предотвратить возможность попадания даже следов серной кислоты из гидратационного сосуда в сосуд, где производится окисление уксусного альдегида. С этой целью между этими сосудами помещается хлоркальциевая трубка или •17-образная трубка с обыкновенной или стеклянной ватой, чтобы задержать капельки жидкости, содержащие серную кислоту, уносимые током газов.
Такая предосторожность необходима, так как без ее соблюдения' серная кислота попадает в продукт и сообщает ему кислую реакцию.
Вместо пробирки с тубусом удобнее применять склянку Дрекселя. Поглотительная колонка ближе отвечает техническим условиям, но громоздка. Для получения достаточного количества уксусной кислоты следует проводить опыт более длительное время (15—20 мин.).
ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ МАСЛА
Гидрогенизация растительных масел осуществляется в промышленности для получения твердых жиров и служит примером каталитического гидрирования, широко применяемого в, органическом синтезе.
Для опыта-1 рекомендуется брать свежее хлопковое, льняное или подсолнечное масло, лучше всего — рафинированное. Водород получают в аппарате Киппа взаимодействием цинка с раствором серной кислоты. Его очищают, пропуская через промывные склянки с подкисленным раствором марганцевокислого калия, едкого натра
1 А. А. Грабецкий и Л. А. Цветков, Школьные опыты по химической •переработке жиров и углеводов, «Химия в школе», 1954,. № 4.
406
и концентрированной серной кислотой (для осушения водорода). Можно также ограничиться двумя промывал-ками — с раствором щелочи и концентрированной H2SO4. В качестве катализатора служит металлический никель. Приготовлению активного катализатора должно быть уделено особое внимание, так как от него зависит в значительной степени успех опыта. В качестве катализаторов реакции гидрогенизации применяется металлический никель, закись никеля NiO или муравьинокислый никель Ni(HCOO)2 • 2Н2О. Последние два вещества восстанавливаются водородом при нагревании до металлического никеля, будучи смешанными с маслом в самом процессе гидрирования.
Для приготовления никелевого катализатора исходным веществом служит чистый углекислый никель N1CO3 или NiO, которую готовят из никелевого купороса NiSO4 • 7Н2О. С этой целью к раствору сернокислого никеля прибавляют раствор соды до слабо щелочной реакции. Выпавший осадок карбоната никеля отфильтровывают и тщательно промывают горячей водой, сушат, измельчают в порошок и прокаливают — образуется закись никеля NiO (и окислы другого состава). Более активным катализатором является металлический никель, образующийся восстановлением водородом при нагревании окислов никеля. Последние помещают в трубку, пропускают через нее водород, и по вытеснении воздуха трубку сильно нагревают. Спустя несколько минут прекращают нагревание и продолжают пропускать водород до остывания трубки с восстановленным металлом.
Муравьинокислый никель готовят так. Прибавляют к нагретому крепкому раствору муравьиной кислоты НСООН небольшими порциями углекислый никель NiCO3, избегая его избытка. Образовавшийся осадок состава Ni (НСОО) 2 ’ 2Н2О отфильтровывают, промывают небольшим количеством воды и сушат при 100—105°.
В качестве никелевого катализатора служит также ошювной карбонат никеля- NiCO3• Ni(OH)2. Его приготовляют при взаимодействии насыщенного раствора сернокислого никеля с 10%-ным раствором соды, взятым в небольшом избытке. Образующийся осадок основной соли отфильтровывают, промывают горячей водой и тщательно просушивают в эксикаторе с концентрированной серной кислотой. Для опыта основной карбонат никеля
J07
смешивают с растительным маслом в весовом отношении 1 : 3. При нагревании соль разлагается, причем образуется закись никеля, восстанавливаемая затем водородом до металлического никеля, являющегося собственно катализатором:
NiCO3 • Ni(OH)2 = 2NiO + Н2О j- СО2;
NiO + Н2 —Ni + НгО.
Для выполнения опыта в течение одного урока необходимо иметь чистые исходные вещества: растительное масло и водород, а также достаточно активный катализатор. Кроме того, для опыта нужно брать небольшое количество масла (2—3 мл), создать сильный ток водорода и шоддерживать температуру около 260°. Для выполнения указанных требований опыт удобно провести в установке, изображенной на рис. 49.
Рис. 49. Установка для гидрогенизации растительного масла: /—аппарат Киппа, заряженный для получения водорода; 2---промывная склянка с подкисленным раствором марганцовокислого калия; 3 — промывная склянка с раствором едкого кали; 4 — промывная, склянка с концентрированной серной кислотой; 5 - длинная пробирка со смесью масла и катализатора; 6—газоприводная трубка; 7—газоотводная трубка, оттянутая на конце
В длинную пробирку 5 помещают 2—3 мл растительного- масла (предварительно тщательно растертого в фарфоровой ступке вместе с никелевым катализатором). Пробирку закрывают пробкой с двумя отверстиями: в од-108
но из них вставляется трубка 6, доходящая 'почти до дна пробирки, а в другое — газоотводная трубка 7 для удаления избытка водорода. Пробирка помещается в песчаную баню, предварительно нагретую до нужной температуры (около 260е).
Через тщательно собранный и проверенный на герметичность прибор пропускают водород в течение 20— 25 мин. После этого пробирку с маслом отделяют и охлаждают, погружая в стакан с холодной водой. Содержимое пробирки затвердевает, тогда как исходное масло взятое для сравнения в другой пробирке, в этих же условиях остается жидким. Для отделения жира от катализатора к смеси прибавляют диэтиловый эфир, пробирку погружают в стакан с теплой водой, встряхивают, а затем фильтруют. После испарения эфира из фильтрата получают чистый жир в виде густой бесцветной массы (саломас).
В процессе пропускания водорода, продолжающегося сравнительно долго, преподаватель знакомит учащихся со схемами заводского аппарата для гидрогенизации масел.
ПОЛУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО (МЕДНОАММИАЧНОГО) ВОЛОКНА
Процесс производства модно аммиачного волокна основан на свойстве целлюлозы растворяться в аммиачном растворе гидроокиси меди. Получение медноаммиачного шелка в качестве демонстрационного опыта в школе описано как в указанных1, так и в других книгах.
Опыт состоит из следующих стадий, соответствующих в осневном производственному процессу. 1) приготовления медноаммиачного раствора; 2) приготовления прядильною раствора (раствора клетчатки, например, ваты, в медноаммиачном растворе); 3) выделения нити из раствора; 4) промывания и высушивания нити.
Приготовление медноаммиачного раствора удобно производить в приборе, изображенном на рис. 50. В колбу 1 емкостью 250—500 мл помещают стружки красной меди 2 и прибавляют в нее водного раствора аммиака
Л. Цветков, Эксперимент по органической химии в школе, Учпедгиз, М., 1950, изд. 2, 1954; А. А. Грабец-Л. А. Цветков, Школьные опыты по химической иере-жиров в углеводов, «Химия в школе», 1054, Ле 4.
средней
КИЙ И Работке
109
Рис. 50. Приспособление для приготовления мед-но-аммиачного раствора: t — колба коническая (или круглая плоскодонная); 2— стружки красной меди; 3 — раствор аммиака (25%); 4 — кусочки зернепой окиси меди; 5—трубка для продувания воздуха; 6 — трубка к водоструйному насосу
(25 %) столько, чтобы не вся медь была покрыта жидкостью* 3. Колбу закрывают пробкой с вставленными в нее двумя стеклянными трубками: одной длинной — 5, доходящей почти, до дна колбы для притока воздуха, и другой — короткой 6, соединенной ' с водоструйным насосом. (На рисунке не изображен). Пропускание воздуха продолжается в течение нескольких часов, и поэтому приготовление медноаммиачного. раствора нужно произвести до-урока, на котором он будет использован.
Прядильный раствор получают путем растворения небольших комочков ваты в мед-ноаммиачном растворе до образования густой сиропообразной массы темно-синего цвета с фиолетовым оттенком, не со
держащей волокон и студнеобразных комков.
Выделение нити из прядильного раствора удобно .производить -при помощи медицинского шприца, конец которого опускают в ванночку с коагулирующим раствором (рис. 51, Л). В качестве последнего применяют разбавленный раствор серной кислоты (1 : 5). Для получения более длинной -нити ее наматывают на стеклянную палочку, укрепленную в штативе на железном стержне, или на раму из согнутой стеклянной палочки.
Тонкие нити из прядильного раствора могут -быть получены и другим способом.
В железном штативе укрепляется стеклянная воронка, к шейке которой присоединена с помощью кусочка резиновой трубки согнутая под прямым углом стеклянная трубка с оттянутым концом (диаметр отверстия равен примерно 0,2 мм).
Нити оставляют в растворе кислоты до обесцвечивания, что происходит в течение нескольких минут. Затем их промывают большим количеством -воды и высушивают ПО
температуре 60—70°. Нить приобретает блестящий Шелковистый вид, хотя и не обладает значительной проч-.
ностыо.
Z?
6
Рис. 51. Приспособления для вытягивания нитей мед-поаммиачного волокна. А. 1 — медицинский шприц, наполненный прядильным раствором; 2—осадительная ванна; 3—пинцет; 4 — металлический стержень; 5— стеклянная трубка, изогнутая в виде рамы (для наматывания нити). Б. 1 — воронка, наполненная прядильным раствором; 2 — кусок резиновой трубки; 3 — стеклянная трубка с загнутым и оттянутым концом; 4 — осадительная ванна; 5— стеклянная палочка для наматывания нити
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ НИТРОБЕНЗОЛА ДО АНИЛИНА
Хотя электролитическое восстановление нитробензола-до анилина не является ведущим в промышленности, но на этом примере удобно показать учащимся общий метод использования электрического тока для синтеза органических веществ. На рис. 52 представлена типичная установка для проведения электролитического восстановления и схема включения вспомогательных приборов. В этих опытах напряжение и плотность тока (наряду с другими условиями, такими, как температура, материал катода, природа электролита) имеют особо важное значение для течения электрохимических процессов и образования тех Или иных продуктов реакции.
В батарейный или химический стакан 1 помещают Цилиндрический сосуд из пористой глины 3, в котором подвешивают полоску листового свинца в качестве ано-Да 4. Другая полоска свинца, помещенная в пространство между глиняной ячейкой и внутренней стенкой сосуда, играет роль катода 2. Внешнее катодное пространство
Ш?
наполняют католитом 5, состоящим из смеси раствора нескольких граммов нитробензола в этиловом спирте и 25% серной кислоты. В глиняный сосуд наливают до того же уровня 15% раствор серной кислоты. Электроды соединяют через реостат 9 и амперметр 10 с источником тока напряжением около 10 в, измеряемом при помощи вольтметра 11 (последний может затем отключаться при помощи ключа 7 и время от времени снова включаться для проверки). Электрод 2 катодного пространства должен быть соединен с отрицательным полюсом источника тока, и он играет роль катода.
Рис. 52. Устапегжа для электролитического восстановления нитробензола до анилина: 1— батарейный или химический стакан; 2 -свинцовая пластинка (изогнутая), играющая роль катода; 3 — цилиндрический стакан из пористой глины; 4— прямая колоса свинца (анод); 5 --католит (25%-ный раствор серной кислоты и нитробензол в спиртовом растворе); 6 — анолит (15%-ный раствор серной кислоты); 7 — 8— выключатели; 9 - реостат, 10— амперметр; 11 — вольтметр
слсднего может быть
После сборки и проверки прибора включают ток через ключ 8 и следят за силой тока (2— 5 а) и по вольтметру — за напряжением (около 10 в).
Спустя несколько минут после начала электролиза берут с помощью пипетки пробу католита и испытывают ее на присутствие анилина. С этой целью несколько капель католита прибавляют к крепкому снежепрофильт-рованному раствору хлорной извести. Появление интенсивного фиолетового окрашивания служит указанием на то, что в результате электролитического восстановления нитробензола образовался анилин. Присутствие по-реакцией — с
показано и другой
хромовой смесью: появляется зеленоватое окрашивание, и затем может образоваться анилиновый краситель черного цвета. Исходный раствор нитробензола этих реакций не обнаруживает, что необходимо показать учащимся.
Изменяя условия электролиза (материал катода, ре-•акцию среды, плотность тока, концентрацию электролита, температуру и др.), можно получить целый ряд промежу
112
точных продуктов восстановления нитробензола: азобензол гидробензол и т. д. Такие электрохимические опыты рдог’ли бы явиться весьма увлекательной работой на замятиях в химическом кружке. В настоящее время изда-но специальное руководство для самостоятельной кружковой работы учащихся старших возрастов, в котором описаны опыты по электросинтезу органических сосдине-,ний (катодные и анодные процессы) и по другим разделам электрохимии1.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ УГЛЕМ
Уголь (главным образом в виде кокса, а также древесного угля) широко применяется в качестве восстановителя при выплавке металлов из окисных руд. Поэтому ознакомление учащихся с общими основами пирометаллургии иа уроках химии предполагает осуществление данной реакции опытным путем.
Обычно с этой целью применяют окись меди или окись свинца, реже — окись железа, так как для ее восстановления требуется более высокая температура. Восстановителем служит порошок древесного угля. Существенно показать, что продуктом реакции является соответствующий металл и двуокись углерода.
Окись железа может быть взята уже готовая или получена прокаливанием размельченного железного купороса в фарфоровом тигле до образования порошка красного цвета. Смесь окиси железа с порошком древесного угля (4:1) помещается в фарфоровый тигель до 2—3% его объема.
Восстановление окиси меди углем2 изображено на рис. 53, А. Смесь кусочков (или порошка) окиси меди с порошком угля (4 вес. ч. на 1 вес. ч.) помещают в пробирку 1, закрывают ее пробиркой с газоотводной трубкой 2, конец которой опущен в известковую воду. При сильном нагревании пробирки выделяется двуокись углерода, вызывающая помутнение известковой воды. Через некоторое время, когда ток углекислого таза приостановится
1 С. В. Васильев, Химические опыты с применением элек-|РВДеского тока. Руководство по внеклассной работе, М., Учпедгиз,
2 В. И. Верховский, Техника и методика химического эксперимента в школе, т. II, Учпедгиз, 1949, стр. 386.
8 бпыты по химии	ИЗ
А
Рис. 53. Приспособление для восстановления окислов металлов углем. А. Простейшие установки: I — для восстановления окиси меди, окиси свинца и других окислов: 1 — пробирка со смесью окиси меди и угольного порошка; 2— газоотводная трубка; 3-—стакан с известковой водой. II—для восстановления окиси свинца: 4— трубка с шаром посередине; 5—смесь порошков окиси свинца и древесного угля (25 в. ч. РЬО на 1,5 в. ч. С); б—газоотводная трубка; 7—стакан с известковой водой. Б. «Горн-очаг» (или электрическая тигельная печь); 8—тигель со смесью окиси свинца и угольного порошка; 9—воздуходувка. В. Действующая модель электропечи для восстановления окиси железа; 10 — угольный анод; 11 — железный тигель (катод) со смесью окиси железа и толченого кокса (3:2); 12 — механизм для выдвигания угольного стержня
почти совсем, прекращают нагревание пробирки и вынимают конец газоотводной трубки из стакана с известковой водой. После остывания пробирки отнимают от нее газоотводную трубку и высыпают содержимое в фарфоровую чашку. Учащиеся убеждаются, что кусочки окиси меди покрылись металлической медью, заметной по характерному цвету. Аналогично производится восстановление окиси свинца (рис. 53, Б).
На рис. 53,В изображен школьный «горн-очаг»1, с помощью которого можно произвести восстановление окислов металлов до металла углем. С этой целью в тигель помещают смесь, состоящую, например, из окиси свинца и угольного порошка, и закрывают его крышкой с отверстием для выхода углекислого газа. Высокая температура в «горне-очаге» поддерживается благодаря продуванию воздуха, что способствует более интенсивному горению
1 Е. Н. О в ч и н н и к о в. Школьный «горн-очаг», «Химия в школе», 1953 г., № 5.
114
угля в «горне-очаге». Через некоторое время тигель вынй-^ают из печи, и в его содержимом обнаруживают расплавленный свинец или королек металла.
Вместо такого «горна-очага» удобнее воспользоваться электрическими печами тигельного типа1, имеющимися в продаже или самодельными.
Устройство, изготовление и работа электропечей не только для выплавки железа, но и других металлов подробно разбирается К- Я- Парменовым 2.
Ценным дополнением к демонстрации опыта получения железа в электропечи служит кинофильм «Электросталь» (1 часть, 1939 т.). В нем показано устройство электропечи, ее загрузка и 'процессы плавки. Показаны также способы управления ходом плавки и контроль процесса. В фильме «Железо» (3 части, 1949 г.) демонстрируются различные способы добычи железной руды, процессы плавления руды в домнах, получение чугуна и чугунных изделий, а также производство стали в мартеновских печах и в конверторах и выработка стальных изделий. В подготовленной к изданию новой серии диапозитивов «Железо» имеется ряд ярких фотографий с изображением общего вида, устройства и действий основных сооружений современных заводов черной металлургии.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА
Как известно, восстановление металлов из окисных руд происходит при высокой температуре, получаемой главным образом сжиганием угля (кокса) в пирометаллургии или электрической дугой — в пироэлектрометаллургии. В процессе сжигания твердого топлива при определенных условиях образуется окись углерода, обладающая свойствами сильного восстановителя и способностью Диффундировать в глубь твердого вещества. Поэтому при выплавке руды в печах шахтного типа, например, bi доменной печи, восстановление металла осуществляется главным образом окисью углерода, а нс углем, как это имеет место при нагревании окислов металлов с углем в
1 И. с. Со колов, Школьная модель электропечи, «Химия в Школе», 104], № з
2 К. Я. П а р м е н о в, Опыты с электрическим током по химии в средней школе, М., Учпедгиз, изд. 2, 1948, стр. 63.
8*	115
закрытом тигле или при прохождении электрической ду. ги внутри смеси, состоящей из окисной руды и угля. У
Для формирования понятий о доменном процессе необходимо, чтобы учащиеся на эксперименте убедились в восстановительных свойствах окиси углерода. Этого можно достичь ‘путем постановки демонстрационного опыта в котором окислы железа, меди, свинца и других металлов взаимодействуют при высокой температуре с окисью углерода, в, результате чего образуется металл в свободном состоянии и двуокись углерода.
Эти опыты являются логическим продолжением опытов по восстановлению металлов из их окислов углем описанных в предыдущем разделе. Вместе с тем они тесно связаны с разобранными ранее вопросами о горении твердого топлива — образованием двуокиси углерода, восстановлением ее до окиси углерода и поэтому имеют сходное техническое оформление.
Опыты могут быть проведены в различных вариантах в, зависимости от того, окисел какого металла берется для восстановления, как получается необходимая для реакции окись углерода и от других условий. Во всех случаях необходимо проявить особую заботу о том, чтобы окись углерода не попадала в помещение. Кроме хорошо действующего вытяжного шкафа или вывода избытка окиси углерода через трубку за окно, можно собирать выделяющиеся газы в газометр или направлять их в пламя горелки, где окись углерода сгорает до двуокиси углерода. Понятно, что' соответствующие приборы должны быть собраны герметично. Существуют поглотители для окиси углерода (например, солянокислый раствор однохлористой меди), но они для школ малодоступны, и пользование ими не исключает соблюдения строгих мер предосторожности.
Для опыта обычно берут окислы меди, свинца и железа.
Окись углерода может быть получена заранее (путем взаимодействия муравьиной кислоты с концентрированной серной кислотой и собрана в газометре) или во время самого урока при проведении реакции восстановления окисла металла. В последнем случае получают окись углерода из муравьиной кислоты или при реакции «неполного» горения угля в кислороде, когда образуется воздушный газ.
116
п Д. Можей1 описал остроумный опыт восстановле-ия окиси меди (или окиси железа) окисью углерода, поручаемого при взаимодействии муравьиной и серной кислот. Сущность опыта ясна из приведенного рисунка (рис. 54)'. Хотя избыток окиси углерода поджигается у выхода пробирки 3, данный опыт следует проводить в вытяжном шкафу.
Рис. 54, Установка для восстановления окиси меди окисью углерода: 1 — пробирка со смесью равных объемов муравьиной и концентрированной серной кислот; 2 — газоотводная трубка для окиси углерода; 3 — пробирка с окисью меди (или окисью железа); 4 — пламя горящей окиси углерода
Восстановление окиси железа окисью углерода протекает по суммарному уравнению:
Fe.2O3 + СО = Fe 4-
4- CO2; Q = 4- 6 ккал.
Это — одна из основных реакций, протекающих в доменной печи при выплавке железа из руд. В доменной печи может происходить и другой процесс—взаимодействие двуокиси углерода с образовавшимся железом по схеме;
4С0.2 4" 3Fe = Fe3O4 4~
4- СО; Q — 4 ккал.
Эта реакция также может быть воспроизведена на опыте, если пропускать ток двуокиси углерода над сильно раскаленным порошком железа. Выделяющиеся из реакционной трубки газы пропускают через раствор щелочи (для поглощения избытка двуокиси углерода), а окись углерода собирают и испытывают, как обычно.
Для опыта служит окись железа и окись углерода, предварительно полученная и собранная в газометре. Образование железа устанавливается по почернению исходного вещества и по появлению у него свойства притягиваться магнитом, взаимодействовать с растворами кислот с выделением водорода и пр.
Образование двуокиси углерода доказывается пробой с известковой водой. Окись углерода этой реакции ие
1 П, Д. м о ж е й, Несколько демонстрационных опытов по хи-Вди ^Металлов, «Химия в школе», 1951, № 2, стр. 76,
117
дает, что легко показать, пропуская ее (перед тем как направить в реакцию с железом) через раствор едкого натра и известковую воду. Общий вид установки для про-ведения данного опыта показан на рис. 55.
В тугоплавкую стеклянную трубку 1 помещают окись железа, перемешанную со стеклянной ватой, и соединяют ее с промывными склянками 4 и 5, как показано на рис. 55. Открывают кран 2 газометра и пускают ток окиси углерода через установку, чтобы вытеснить из нее воздух. После этого нагревают трубку 1 с окисью желе-
3
Рис. 55. Установка для получения железа восстановлением окиси железа окисью углерода: t — реакционная трубка с окисью железа и стеклянной ватой; 2- -трубка от газометра с окисью углерода; 3— промывная склянка с концентрированным раствором едкого натра; 4 и 5—промывные склянки с известковой (или баритовой) водой; 6 — аспиратор-газометр для улавливания избытка окиси углерода; 7—сосуд для сливания воды
за. Спустя непродолжительное время окись восстанавливается до металлического железа. Образующийся углекислый газ вызывает помутнение известковой воды в промывной склянке 5, тогда как известковая вода в склянке 4, через которую проходила окись углерода, остается прозрачной. Железу дают полностью охладиться в трубке в слабом токе окиси углерода, затем железо высыпают в фарфоровую чашку или тарелку. Испытывают продукт реакции магнитом и раствором соляной кислоты и сравнивают его свойства со свойствами исходного вещества — окисью железа.
Данный опыт целесообразно продемонстрировать в процессе изложения учителем материала о выплавке железа из руд. Кроме того, разбираются и другие реакции, .1.18
протекающие при доменном процессе, а также рассматриваются схемы и модели промышленный установок.
Р Большую дидактическую ценность имеет и другой вариант опыта. В нем окись углерода образуется в той же реакционной трубке, в которой происходит восстановление окисла металла1.
Рис. 56. Установка для восстановления окиси свинца окисью углерода: 1 — газометр, наполненный кислородом; 2 — промывная склянка с серной кислотой для наблюдения за током кислорода; 3 — стеклянная трубка (длиной около 35 см и диаметром 1,5 — 2 см), содержащая; а — мелкие кусочки древесного угля; б—порошок окиси свинца, перемешанный со стеклянной ватой; 4 — газоотводная трубка для удаления газов через окно или вытяжной шкаф
Вместо малодоступной зерновой окиси меди для опыта можно взять окись свинца, порошок которого для улучшения контакта с окисью углерода перед внесением в трубку 'перемешивают со стеклянной ватой.
Общий вид установки представлен на рис. 56. Сначала слабо нагревают слой угля «а», а затем сильно в той части трубки 3, которая расположена ближе к газометру. Прогревают окись свинца «б» и пускают сильный ток кислорода из газометра 1. Уголь загорается в токе кислорода; образуется двуокись углерода, которая затем восстанавливается раскаленным углем до окиси углерода. Последняя восстанавливает окись свинца — вещество желтого цвета — до металлического свинца — вещества серого цвета. Через несколько минут, когда можно
1 В. Н. Верховский, Техника и методика химического Эксперимента в школе, т. II, Учпедгиз, 1949, стр. 416,
П9
считать, что восстановление окиси свинца закончено, нагревание прекращают, но продолжают пропускать кислород, пока уголь не погаснет (или догорит) и пока не выйдут образовавшиеся при горении угля газы через трубку 4.
Из трубки извлекают свинец, сравнивают его с исходной окисью свинца и расплющивают на наковальне.
ОБЖИГ СЕРНИСТЫХ РУД
Существенная стадия переработки сернистых руд (меди, цинка, свинца и других металлов) состоит в обжиге последних, т. е. в нагревании их при доступе воздуха. При этом получают наряду с другими продуктами окислы соответствующих металлов и двуокись серы. Окислы металлов восстанавливают затем углем, подобно тому как этот процесс производится в доменной печи при выплавке чугуна. Полученный таким путем металл содержит примеси, удаляемые при дальнейшей переработке огневым и электролитическим рафинированием. Двуокись серы служит сырьем для производства серной кислоты. Так осуществляется принцип комбинирования различных отраслей промышленности, в данном случае — металлургической и химической.
Для демонстрации обжига сернистых руд обычно берут пирит, сернистый свинец, сернистое олово, киноварь и другие сульфиды. Обжиг пирита, широко используемый для сернокислого производства, в металлургии железа имеет лишь второстепенное значение. Весьма наглядно протекает обжиг киновари с образованием сразу металлической ртути, пары которой конденсируют и собирают в приемнике. Однако этот опыт нельзя рекомендовать для демонстрации в условиях средней -школы ввиду опасности попадания ядовитых паров ртути в помещение.
Удобно показать обжиг сернистого свинца. Обжиг производится в реторте (с тубусом), в колбе для перегонки или в пробирке с тубусом. Установка для последнего варианта опыта изображена на рис. 57.
На дно пробирки помещают немного измельченного сернистого свинца, нагревают ее пламенем газовой горелки, пропуская одновременно ток кислорода через трубку 1, соединенную с газометром.
Сернистый свинец раскаляется докрасна и переходит в. окислы свинца. Образующийся при этом сернистый газ 120
проходит по -газоотводной трубке 5 и поступает в стакан (или цилиндр) с водой или раствором лакмуса. Присутствие двуокиси серы доказывается покраснением раствора лакмуса и лакмусовой бумажки, характерным запахом, а также обесцвечиванием водного раствора фуксина (образование фуксинсернистой кислоты).
— О г (ctjuou)
В пробирке происходит образование окиси свинца — вещества жел-
того цвета, легко отличимого от взятого для реакции почти черного сернистого свинца. При этом окись свинца частично плавится в месте нагрева, что может привести к расплавливанию стенок пробирки. Конец обжига узнается по прекращению выделения сернистого газа (проба на лакмус).
Обжиг сернистых руд можно производить также в токе воздуха, но в этом случае требуется более сильное нагревание, чтобы воспрепятствовать образованию сульфатов. Обжиг сернистых руд на воз-
-3
S02
Рис. 57. Установка для обжига сернистых руд: / — газоотводная трубка от газометра с кислородом; 2 — промывная склянка с концентрированной серной кислотой; 3 — трубка для сухого кислорода; 4 — сернистая руда (например, сернистый свинец); 5 — газоотводная трубка для сернистого газа; 6 — водный раствор лакмуса (синего цвета)
духе происходит, таким
образом, менее полно, чем в кислороде, а это осложняет технологический процесс при выплавке меди и других цветных металлов. На этом примере видно преимущество кислородного дутья в металлургии.
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВЛЕННОГО ХЛОРИСТОГО СВИНЦА
Для ознакомления учащихся с методом электрометаллургии удобно продемонстрировать опыт по электролизу расплавленного хлористого свинца. Выделение металла на катоде в данном случае происходит при сравнительно небольшом напряжении (до 15 в) и силе тока в несколько ампер. Для понижения температуры плавления хлористого свинца (около 500°) к нему прибавляют хлористый
1Д
натрий. Наиболее низко плавящаяся смесь (400°) состоит примерно из 13 весовых частей РЬСБ на 1 весовую часть NaCl. В качестве катода служит железный или графитовый стержень; анод применяют обычно графитовый. Электролиз можно проводить в (/-образной трубке или в фарфоровом тигле. В последнем случае необходимо разделить анодное и катодное пространства. Это может быть осуществлено по-разному. В. Н. Верховский рекомендует разделить их асбестовым картоном, не доходящим до самого дна тигля; Б. А. Копылев и др. (см. лит.) помещают графитовый катод в фарфоровый тигелек, находящийся в другом фарфоровом тигле больших размеров, заполненном расплавленным хлористым свинцом. На рис. 58, А, 58, Б и 58, В изображены такие уста
/7
Рис. 58. Установки для электролиза расплавленного хлористого свинца: А. 1—17-образная трубка с тубусом; 2 — расплавленная смесь хлористого свинца и хлористого натрия (1:13); 3— катод (железный); 4 — анод (угольный); 5 — газоотводная трубка для хлора; 6—стакан с раствором щелочи. Б. 1 — тигель фарфоровый; 2 — перегородка из асбестового картона для частичного разделения катодного и анодного пространств; 3—расплавленная смесь хлористого свинца и хлористого натрия; 4 — катод (железный); 5—анод (угольный). В. 1—тигель фарфоровый (электролитическая ванна); 2--тигелек фарфоровый (катодное пространство); 3— расплавленная смесь хлористого свинца и хлористого натрия; 4 и 5 — угольные электроды;
6 — песчаная баня
новки для электролиза расплавленного хлористого свинца. Опыты проводятся с ними аналогично и сводятся в 122
основном к следующим операциям. Расплавляют электролит и, не прекращая слабого нагревания, включают через сопротивление постоянный электрический ток, регулируя его так, чтобы напряжение было. 15 в при силе тока 4—5 а. Через 5—10 мин. выключают ток, удаляют электроды и расплавленный свинец выливают на сковородку или в фарфоровую чашку. Из застывшей массы извлекают королек металла, который можно расплющить на наковальне и дать рассмотреть учащимся. В варианте В свинец собирается в малом тигельке под слоем солей, от которых его легко очистить и испытать.
Аналогично проводятся опыты по электролизу расплавленного хлористого олова и хлористого цинка, в которых не требуется разделения катодного и анодного пространств.
Электролиз расплавленного хлористого цинка можно провести в тигле, в который погружают два угольных (или медных) электрода, подключенных к источнику постоянного электрического тока напряжением 4—5 в. Опыт ведут при нагревании в течение 2—3 мин., после чего электроды вынимают и содержимое тигля выливают в металлическую ступку. Из раздробленной массы можно извлечь кусочки металлического цинка.
Штапф (Н. Stapf, см. лит.) описал электролиз расплавленного хлористого цинка в U-образной трубке, как это было дано при электролизе хлористого свинца (рис. 58, Л). Электролит готовят следующим образом. В фарфоровой чашке растворяют хлористый цинк в концентрированной соляной кислоте. Раствор выпаривают до удаления воды и хлористого водорода. Остающийся в чашке расплавленный хлористый цинк (температура плавления 350°) выливают в 'подготовленную для проведения электролиза U-образную трубку. Включают ток через амперметр и регулируют силу тока в пределах 6—10 а. В процессе электролиза (/-образную трубку продолжают нагревать пламенем газовой горелки. В результате электролиза на катоде выделяется металлический цинк, а на аноде — хлор, удаляемый в приемник.
При выполнении опытов по электролизу расплавленных металлов необходимо соблюдать меры предосторожности ввиду возможности разбрызгивания расплава. Поэтому рекомендуется надеть предохранительные очки. Кроме того, вследствие летучести хлористого свинца
.122
плавление его следует производить bi вытяжном шкафу, а в процессе электролиза — закрывать колена трубки (или тигель) асбестовым картоном. Выделяющийся при электролизе хлор отводится из анодного пространства в приемник (например, в колбу или газометр) или поглощается раствором тиосульфата натрия, щелочи и т. д.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ МЕДИ
Очистка «сырой» меди, получаемой -путем выплавки (в пирометаллургии), производится путем анодного растворения ее с последующим выделением на катоде. Происходящие на электродах электрохимические процессы могут быть выражены следующими уравнениями: на аноде Си — 2е = Си++; на катоде Си++ + 2е = Си |.
Одновременно с -медью осаждаются на дне ванны более благородные металлы (золото, серебро и другие, стоящие в ряду напряжения правее меди), что используется в цветной металлургии для их извлечения. Содержащиеся в сырой меди примеси никеля, железа и других металлов, стоящих в электрохимическом ряду левее меди, переходят в раствор в виде катионов: Ni++, Fe++ и т. д.
Для опыта по электролитическому рафинированию меди можно взять полоску неочищенной меди или сплав меди (например, латунь, содержащую наряду с медью цинк или «серебряную» монету, представляющую собой обычно сплав меди с никелем). В качестве катода удобно воспользоваться угольным стержнем, на котором легко заметить выделение осадка 'красной меди. Расстояние между электродами равно примерно 2—3 см, но может быть и больше для создания дополнительного сопротивления.
Электролитом является 20%-ный раствор серной кислоты, источником тока — аккумулятор, дающий напряжение около 2 в, или другой источник постоянного электрического тока и нужное сопротивление. Плотность тока составляет 1 /50 а на 1 см2, т. е. при поверхности анода в 50 см2 сила тока составляет 1 а. Для проведения опыта служит установка, изображенная на рис. 59.
Вскоре после включения тока угольный катод начинает покрываться красной медью, а жидкость приобретает голубоватую окраску, обусловленную ионами меди Си ++. Если же в качестве анода был взят сплав меди с 124
никелем, то раствор становится зеленоватым от перешедших в раствор ионов никеля Ni++. В условиях демон-
страции опыта на уроке нет необходимости дожидаться, пока электролит приобретет ту или иную окраску, отчетливо заметную всему классу. Достаточно взять пробу почти бесцветного электролита и испытать ее на присутствие ионов Си++или Ni l +. С этой целью и пробе электролита прибавляют крепкий раствор едкой щелочи. Часть щелочи пойдет да нейтрализацию серной кислоты, содержащейся в электролите, а избыток ее дает осадок гидрата окиси меди Си (ОН) 2 голубого цвета и гидрата окиси никеля Ni(OH)2 зеленого цвета. Оба осадка растворяются в водном аммиаке, давая комп
лексные ионы темно-синего
цвета:
и
[Си (NH3)4]++ [Ni -NH3)J++
Рис. 59. Установка для электролитического рафинирования меди: 1 — электролитическая ванна с 20%-ным раствором серной кислоты; 2 — угольный стержень (катод) ; 3 — пластинка из
меди или из сплава меди с никелем, цинком или другими металлами; 4 — трубка для удаления водорода
Внимание учащихся обращается также на анод (неочищенную медь или сплав меди), который после электролиза становится заметно разъединенным с той стороны, которая была обращена к катоду.
Если взять в качестве катода вместо угольного стержня пластинку чистой меди, как это делают в промышленных установках, то на ней нельзя по цвету заметить оседания .меди. Однако увеличение веса катода легко наблюдать, если подвесить его к коромыслу чашки уравновешенных весов, соединив катод с отрицательным полюсом источника электрического тока.
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ
РАСТВОРОВ ИХ СОЛЕЙ
В качестве демонстрационных опытов, иллюстрирующих получение металлов методом гидроэлектрометаллур-гии, могут быть рекомендованы: электролиз раствора
125
сернокислой меди, сернокислого цинка и хлористого олова.
Рис. 60. Установка для электролитического меднения: 1 — ванна с раствором электролита; 2—железный катод (ключ); 3— медная пластинка (анод); 4 — медные проволочки для соединения с источником постоянного тока
Гидроэлектрометаллургический метод получения меди может быть показан на следующем опыте. Измельченная медная руда (малахит, окись или закись меди) вносится в стакан с 10%-ным раствором серной кислоты. Смесь нагревают при помешивании до появления голубого окрашивания раствора медного купороса. Затем раствор подвергают электролизу; медь осаждают на угольном катоде.
Электролиз раствора медного купороса производится аналогично предыдущему опыту по электролитическому рафинированию сырой меди в той же установке (рис. 59). Этот опыт может быть поставлен и в другом варианте, на котором удобно показать использование электролиза для электролитического покрытия медью железных предметов и для получения медного гальванослепка с гипсового изображения.
На рис. 60 изображена установка для меднения железного предмета. Последний предварительно очищают от органических примесей нагреванием в пламени, затем еще в, горячем состоянии его по
гружают в умеренно разбавленную серную кислоту и в заключение — в раствор щелочи и в дистиллированную воду, Анодом служит медная пластинка, а катодом — железное изделие. Электролит представляет собой раствгр 35 г сернокислой меди, 150 г сегнетовой сблч (КООС-СНОП-СНОП  COONa) и 50 г едкого натра в 1 г воды.
Более эффектно протекает демонстрация процесса меднения гипсового изображения. С этой целью гипсовое изделие погружают в расплавленный парафин, чтобы сделать его непроницаемым по отношению к воде. Затем его покрывают при помощи кисточки порошком графита, что
126
бы сделать электропроводным; после этого гипсовое из-делие подвешивается в электролитической ванне и включается электрический ток. Электролиз проводят до тех пор, пока на гипсовом изображении не образуется прочная медная пленка.
Многие интересные опыты по электролитическому покрытию разными металлами (гальванопластика и гальваностегия) нецелесообразно выполнять в качестве демонстраций, так как они обычно требуют много времени.
Электролитическое никелирование, хромирование, кадмирование и т. п. может быть рекомендовано в качестве интересной темы для внеклассных занятий по химии и физике.
Электролиз водного раствора сернокислого цинка представляет типичный пример гидроэлектрометаллургии. Опыт производится следующим образом. Электролитическую ванну (рис. 61) наполняют 10%-ным раствором
сернокислого цинка и соединяют электроды — алюминиевый катод и угольный анод — через амперметр с источником постоянного электрического тока; напряжение для этой цели необходимо иметь около 10 в, а силу тока — 1,5 а. Через некоторое время на внутренней поверхности катода, повернутой к аноду, оседают кристаллы цинка, все время разрастающиеся в глубь электролита. Как только цинковые «деревья» в процессе своего роста достигают апо-Д'а, ток прерывается. При ь%м цинковые «ветки» опадают и растворяются в жидкости с выделением газа
Рис. 61. Установка для электролитического получения цинка; / — электролитическая ванна с 10%-пым раствором сернокислого цинка; 2 — алюминиевая пластинка (катод); 3— угольный стержень (апод); 4 — трубки для изоляции;
5 — крышка с отверстием
(водорода).
Электролизом раствора хлористого олова может быть
получено олово,
X. Штапф (см. лит.) использует в качестве электролита концентрированный раствор хлористого олова.
127
Этот раствор получают при растворейии чистой оловянной фольги (станиоля) в соляной кислоте.
Раствор вводят в электролитическую ванну, имеющую форму цилиндра (рис, 62), Электроды соединяют с
Рис. 62. Установка для
получения металлического олова электролизом раствора хлористого олова: 1 — электролитическая ванна с концентрированным раствором хлористого олова; 2—оловянный анод; 3—медный катод; 4 — пробка для изоляции; 5—оловянное «дерево»
источником постоянного электрического тока, причем^сопротивление подбирается так, чтобы напряжение тока составляло 3,5—4 в, На медном катоде вьщеляется олово в, виде длинных чешуек, растущих наподобие «дерева».
Опыты ставятся в связи с рассмотрением на уроке вопросов электролиза. Они служат также для иллюстрации важного в металлургии метода, и поэтому его полезно повторить при характеристике общих
свойств, металлов.
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ АЛЮМОТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Алюмотермия используется для получения хрома, марганца и других трудновосстанав-ливаемых и тугоплавких металлов и их сплавов. Техника" проведения этого опыта описана В. II. Верховским и други-
ми авторами.
Н. Г. Ключников1 рекомендует получать .металлы и сплавы алюмотермическим путем в шамотных, магнезиальных или корундовых тиглях, так как фарфоровые тигли обычно при этом лопаются. Для получения разнообразных сплавов этот автор приводит состав, шихты, например: 42% МпО2 и 58% Сг2О3, 37% Fe2O3 и 63% Сг2О3. Количество алюминия берется по расчету, в соответствии с составом взятой смеси. Так, для приготовления термитных смесей требуются следующие весовые со
1 Н, Г. Ключников, Алюмотермическое получение металлов и сплавов, «Химия в школе», 1964, № 6, стр. 64.
128
отношения реагирующих веществ: на 1 в. ч. А1 берут: 3 в. ч. Fe2O3 или 3,2 в. ч. Fe3O4; 1,3 в. ч. МпО2 и 1,6 в. ч. Сг2Ьз или 1,1 в. ч. Fe2O3 и 1,8 в. ч. Сг2О3.
Зажигательный состав состоит обычно из смеси перекиси бария и порошкообразного' алюминия в отношении 9:1. Такую смесь помещают в углубление, сделанное в тигле с веществами, или посыпают ею реакционную
Я
Рис. 63. Приспособления для получения металлов алю-мотермпческим способом. А. 1 — тигель (шамотный или фарфоровый); 2 — термитная смесь; 3—алюминиевый порошок и зажигательная смесь; 4—магниевая лепта; 5 — железное ведро с сухим песком. Б 1 — асбестовый «фунтик»; 2— термит; 3— жестяная пластинка; 4 — угольный стержень (па рисунке в разомкнутом виде); 5—реостат; 6- осветительная сеть; 7 — железный противень; 8 — сухой песок. Б. 1 — железный или асбестовый «фунтик»; 2 термическая смесь; 3—зажигательный состав; 4—лента магния; 5—железный штатив с клеммой и лапкой; 6—противень с сухим песком
массу, а посередине делают небольшую возвышенность. Запал состоит из ленты металлического магния, предварительно очищенной от окиси магния. Ленту вставляют в зажигательный состав (рис. 43, А).
X. Штапф рекомендует следующие составы для зажигательных смесей:
1)	10 а сухой перекиси бария очень осторожно перемешивают путем встряхивания в сухой склянке с 15 г порошка магния;
2)	смешивают, как было указано выше, 1 в. ч. порошка алюминия с 4 в. ч. перекиси бария;
9 Опыты по химии	129
3)	изготовляют смесь бертолетовой соли и серы; в качестве запала в данном случае служит полоска бумаги пропитанная 20%-ным раствором селитры и предварительно высушенная.
Р. Я. Антоновская* описала способ поджигания реакционной смеси при помощи электрической дуги (рис. 63,5). Термитную смесь всыпают в асбестовый фунтик, помещенный в кольцо штатива. В фунтик вставляется железная полоска, соединенная через реостат с источником тока (от осветительной сети). Второй электрод представляет собой угольный стержень. Последний погружается в термит для того, чтобы внутри него образовалась электрическая дуга и началась реакция, после чего он сразу же вынимается из смеси; ток выключается, но реакция дальше идет сама по себе. Штатив с фунтиком помещают на железном листе с сухим песком, так как расплавленный металл может прорвать фунтик и вылиться.
В качестве демонстрационного опыта, связанного с изучением важнейших химических производств, целесообразно показать получение 'Металлического марганца или сплавов его с железом и хромом, что используется в металлургии.
Реакция алюминия с двуокисью, марганца протекает очень бурно, вызывая разбрасывание реакционной массы. Более спокойно протекает реакция с алюминиевыми стружками. Прибавление окиси хрома (или другого окисла, непосредственно не восстанавливаемого алюминием) также замедляет процесс. В данном случае образуется сплав марганца с хромом.
Получение металлического марганца алюмотермиче-ским путем производится следующим образом. Около 25 г предварительно прокаленной двуокиси марганца смешивают с 5 г алюминиевых стружек. Смесь помещают в предварительно высушенный тигелек, размер которого подбирается так, чтобы взятые вещества не доходили до края тигля. Тигель устанавливается в сосуд с сухим песком так, чтобы его края не выступали из сосуда. Помещают (как было указано выше) запал из смеси перекиси бария и порошка алюминия (9:1) и вставляют
1 Р. Я. Антоновская, Реакция алюмотермии, «Химия в школе», 1954, № 2, стр. 60.
130
магниевую ленту. Поджигают запал горящей лучинкой, после чего масса сильно раскаляется, разбрасывая искры, и поэтому требуется принять меры предосторожности. В качестве противопожарного средства при выполнении алюмотермических опытов нужно запасти сухой песок. После остывания тигель разбивают, из него извлекают королек металлического марганца.
В школьную практику прочно вошел другой вариант опыта по алюмотермии, в котором вместо тигеля используются небольшие железные или асбестовые «фунтики» (рис. 63, В). В таком виде опыт может быть поставлен па демонстрационном столе, на который помещается сосуд с сухим песком, «фунтик» укрепляется в штативе при помощи зажима и лапки. В него помещается термитная смесь, например: МпО2, Сг2О3 и А1 в весовом отношении 1,3: 1,6 ; 1 и зажигательная смесь, состоящая из 1 в. ч. перекиси бария и 1,5 в. ч. порошка магния.
Поджигание реакционной смеси производят посредством вставленной в нее ленты магния. Реакция протекает не слишком бурно; происходит разбрасывание искр (осторожно!), «фунтик» раскаляется, и обычно часть металла вытекает в. сосуд, содержащий сухой песок. После остывания «фунтика» из него извлекают сплав в виде темной массы, отличающейся большой твердостью. В этом убеждаются при обработке металла напильником до появления блестящей поверхности. И в других опытах по алюмотермии образуются очень твердые продукты реакции, царапающие стекло. Но это обусловлено наличием в шлаке окиси алюминия (твердость кристаллической окиси А12О3 — порядка около 9), тогда как в данном случае получен твердый сплав марганца с хромом.
9*
КАРТОЧКИ ДЕМОНСТРА
№ 1. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА
Водород (VII кл.)
Проведение опыта (10 мин.)
5
Рис. 1
В среднюю часть железной трубки 3 помещают восстановленное железо 4, запирая его с обеих сторон стеклянной или асбестовой ватой 5.
В колбе 1 доводят воду до кипения. Сильно нагревают железную трубку, но не до температуры ее красного каления. В трубку 3 пропускают водяные нары, количество которых регулируется тройником 2. После вытеснения из прибора воздуха берут пробу на испытание чистоты водорода. Затем собирают водород в цилиндре 8 и поджигают у его отверстия газ. Для окончания опыта отнимают газоотводную трубку 6 вместе с пробкой из пневматической ванны 7. прекращают нагревание железной трубки и пропускание в нее водяного пара
132
ЦИОННЫХопытов
ЖЕЛЕЗОПАРОВЫМ СПОСОБОМ	
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения Выделение водорода наблюдается только при достаточно сильном нагревании реагирующих веществ. Скорость выделения водорода зависит от температуры нагрева, количества поступающего водяного пара, степени размельчения железа. Продукт реакции (железная окалина) отличается по внешнему виду и отношению к соляной кислоте от исходного железа. Но оба вещества притягиваются магнитом и, следовательно, обладают магнитными свойствами. Объяснение	Лабораторные принадлежности 2 штатива железных с важимами, кольцом и лапкой; 11 1асбестированная сетка; 2 горелки: 1 колба круглодонная на 250—500 мл; 1 пробка к колбе (с газоотводной трубкой); 1 железная трубка длиной 25 см, диаметром 2 см;
2 корковые пробки с отверстиями (к трубке),
1
на;
1 ния
3Fc -I 4Н2О - Fe3O4 -|- 4J12.
Реакция между железом и водой протекает с выделением тепла (Q = 35,7 ккал). I )о для того чтобы эта реакция протекала с большей скоростью и наблюдалось выделение водорода, требуется нагревание.
При очень высокой температуре, однако, происходит другая реакция: восстановление окислов железа водородом. Следовательно, данная реакция может протекать не только слева направо (-*), но и справа налево ( <— ) и является обратимой реакцией, что обозначается противоположно направленными стрелками (	) вместо знака равенства (-—).
пневматическая ван
цилиндр для собира-газов;
стекло для цилиндра;
пробирка
ния
1
лицд'р);
1 тройник;
резиновая
пакрыва-
(или ци-
трубка
1
для отвода газа длиной 40—50 см;
4 кусочка резиновой трубки для соединения стеклянных трубок между собой;
II магнит,
133
Проведение опыта (110 мин.)
Меры предосторожности
Необходимо обеспечить герметичность установки. В противном случае может образоваться взрывчатая смесь. Собирать водород в цилиндре нужно лишь после того, когда из установки полностью вытеснен воздух.
Окислы, кислоты, основания и соли (VII кл.).
Углекислый кальций (IX кл).
Щелочпоз емельпые металлы (Хкл).
№ 2. РАЗЛОЖЕНИЕ
Проведение опыта (5 мин.)
Рис, 2
В Пространство между витками спирали помещают кусочек мрамора 4 Проверяют прибор па герметичность. Пускают в ход водоструйный насос так, чтобы через трубку 6 во всю установку проходил умеренный ток воздуха. Вставляют вилку
134
Результаты опыта	Оборудование
	Реактивы и материалы Железо восстановленное (порошок) или железные стружки; Соляная кислота; Вода; Стеклянная или асбестовая вата; Лучинка длинная.
углекислого кальция
Результаты опыта
I
Оборудование
Наблюдения
Без нагревания разложение углекислого кальция не Происходит.
После того как спираль раскалилась докрасна, в пробирке 1 с раствором щелочи и в пробирке 2 с известковой водой не произошло видимых изменений, а в приемнике 5 известковая вода становилась мутной. В отличие от мрамора твердый продукт реакции хрупок и взаимодействует с водой; образующийся раствор окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет.
Объяснение
Распад карбоната кальция СаСОз происходит по схеме:
СаСО3 = СаО + СО2.
Эта реакция идет с поглощением тепла и требует нагревания (термическая диссоциация). Присутствие
Лабораторные
принадлежности
1 реакционная трубка с витками спирали от электроплитки;
1 электрическая плитка (сопротивление);
электропровод (изолированный) с вилкой;
розетка (к электросети);
3 большие пробирки с тубусами;
3 пробки с отверстиями (для пробирок);
стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки между собой;
1 водоструйный насос (или аспиратор).
135
Проведение опыта (5 мин.)
в розетку от электросети, пропускают ток в спираль через электроплитку (сопротивление). Через несколько минут выключают электрический ток, продолжая пропускать воздух до остывания спирали. Затем -отнимают трубку 3 со спиралью, извлекают из нее продукт реакции — окись кальция. Сравнивают цвет и механические свойства полученного продукта и взятого для реакции мрамора. Крупинку полученного вещества опускают в пробирку с дистиллированной водой и приливают в нее 2—3 капли раствора фенолфталеина. Наблюдают изменение цвета.
Соляная кислота (VIII кл.;
X кл.— при повторении)
№ 3. ПОЛУЧЕНИЕ СОЛЯНОЙ
Проведение опыта (10 мин.)
Тщательно собирают установку. Пускают умеренный ток водорода, и после вытеснения из нее воздуха (проба па чистоту!) поджигают его у отверстия горелки 1, помещенной под стеклянной воронкой 2. Затем пускают слабый ток хлора так, чтобы водород находился в избытке. Включают водоструйный насос и приливают из капельной воронки 3 воду в поглотительную колонку 4, откуда жидкость вытекает в стакан 5. Из стакана переливают жидкость снова в капельную воронку, и такую циркуляцию производят 2—3 раза. Включают сначала ток хлора, а затем и доступ водорода. Отключают водоструйный насос. Часть полученного раствора соляной кислоты испытывают лакмусом, раствором азотнокислого се-
136
Результаты опыта	Оборудование
окиси калышя доказывается появлением окраски фенолфталеина вследствие образования в водном растворе гидрата окиси кальция Са(О11)и, относящегося к щелочам: СаО 4 Н2О =- Са(ОН)2. Са (ОН)2^Са+|' + 2ОН~ - Наличие двуокиси углерода доказывается тем, что с известковой водой образуется карбонат кальция СаСОз: СО2 + Са(ОН)2 - СаСО31 + 4- н2о.	Реактивы и материалы Кусочек мрамора в виде пластинки; Раствор едкого натра (концентрированный); Известковая вода; Раствор фенолфталеина,
Двуокись углерода, содержащаяся в воздухе, поглощается в пробирке 1 с раствором щелочи: CO2-|-2NaOH = Na2CO3-| Н2О.	
Поэтому известковая вода в пробирке 2 остается прозрачной.	
КИСЛОТЫ СИНТЕТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения Почти бесцветное пламя водорода в воздухе после пуска хлора приобретает бледно-зеленый цвет. При этом образуется белый туман, который уносится в нижнюю часть КОЛОППЫ и там легко поглощается водой, стекающей сверху. Вытекающий из поглотительной колонки раствор соляной кислоты дает характерные реакции с раствором азотнокислого серебра, лакмусом, металлическим магнием и нейтрализуется раствором	Лабораторные принадлежности 1 штатив железный с зажимами и лапками; 1 прибор для получения водорода (аппарат Киппа или аналогичный) ; 1	газометр с хлором; 2	промывные склянки; 1 горелка для сжигания водорода в хлоре
137
Проведение опыта (10 мин.)
Рис. 3
рёбра, металлическим магнием, Остальную часть раствора нейтрализуют титрованным раствором едкого натра с целью определения общего количества хлористого водорода и концентрации полученного раствора соляной кислоты.
138
Результаты опыта
Оборудование
щелочи (в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора). Объяснение. Н2 + С12 = 2НС1. Реакция протекает со значительным выделением тепла. В водном растворе хлористого водорода имеет место равновесие: НС1^Н+ 4- Cl- Наличие в растворе ионов водорода и иоиов хлора доказывается реакциями: СГ + Ag+ = AgCl I 2Н+ +Mg = Mg++ H-H2f Н+4-ОН~=: 1L.O. Полное уравнение реакции нейтрализации: НС1 1- NaOH = NaCl 4- Н2О. 36,5 г 40 г Зная, сколько граммов NaOH содержит 1 мл взятого для реакции раствора щелочи и сколько миллилитров этого раствора идет па нейтрализацию образовавшейся соляной кислоты, рассчитывают по уравнению число граммов HCI и концентрацию раствора соляной кислоты.	(тройник со вставленной в пего трубкой с оттянутым концом); 1 стеклянная воронка; 1 капельная воронка; 1	поглотительная колонка, наполненная битым стеклом; 2	колбы или стакана на 100 мл для сливания соляной кислоты из колонки; 1 водоструйный насос (или аспиратор); 1 бюретка; 1 мерный цилиндр па 50 мл; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки между собой. Реактивы и материалы Хлор (в газометре); Раствор NaCl (насыщенный) для наполнения газометра; Цинк гранулированный; Серная кислота (1:5); Серная кислота (концентрированная); Раствор лакмуса (синего) ; Раствор фенолфталеина; Раствор AgNO3 (разбавленный) ; Магний (порошок); Раствор NaOH (0,1 — молярный).
139
Производство серной кислоты контактным способом (VIII кл.)
№ 4. ОКИСЛЕНИЕ ДВУОКИСИ СЕРЫ АНГИДРИД В ПРИСУТСТВИИ
Проведение опыта (10 мин.)
Рис. 4
Нагревают колбу 1, содержащую медные стружки и концентрированную серную кислоту, и создают ровный ток сернистого газа, направляемого через двугорлую склянку 2 с концентрированной H2SO4. Пропускают в склянку 2 кислород (из газометра) так, чтобы число пузырьков SO2 было вдвое большее, чем число пузырьков О2, Смесь газов проходит дальше в склянку 3 со стеклянной ватой. Одновременно присоединяют водоструйный насос через трубку 4. Включают вилку 5 в розетку 6 от электросети, благодаря чему в трубке 7 накаливается спираль, между витками которой находится катализатор 8, перемешанный с асбестовой ватой. После того, как в пробирке 9, помещенной в стакан 10 с охладительной смесью, скопился хорошо видимый всем учащимся туман из серного ангидрида и образуется в пробирке 11 осадок серно-
140
КИСЛОРОДОМ В СЕРНЫЙ ТВЕРДОГО КАТАЛИЗАТОРА
Результаты опыта
Оборудование
Наблюдения
При пропускании смеси SOs и О2 над катализатором без нагревания реакция между газами отсутствует. При нагревании катализатора образуется туман, который частично поглощается водным раствором. В приемнике 11 с подкисленным раствором хлористого бария появляется белая муть. Полностью серный ангидрид поглощается концентрированной серной кислотой в пробирке 12.
О б ъ и с пение
Образование двуокиси серы проходит согласно уравнениим:
a)	Cu + HsSO4 =
= CuO + HsSO8
H2O+SO2 f
6)	CuO 4-H2SO4 = = CuSO4 4- H2O.
CuO 4- 2H2SO4-CuSO4+ 4-2H2O4-SO2f
Окисление двуокиси серы в серный ангидрид выражает уравнение:
SO2 4" VaOs^SOg;
Q = 23,5 ккал
Уравнение реакции гидратации серного ангидрида:
112О + SO3 = H2SO4.
Лабораторные
принадлежности
1	реакционная трубка с куском спирали от электроплитки;
2	штатива железных с зажимами, лапками и кольцом;
1 асбестированная сетка;
1 спиртовка;
1 колба на 250 мл;
1 капельная воронка;
1 двугорлая склинка;
1 трехгорлая склинка (смеситель);
3 пробирки с тубусами;
1 стакан (для охладительной смеси);
1 водоструйный насос (или аспиратор);
1 газометр (с кислородом);
стеклянные и резиновые трубки дли соединения частей установки между собой;
резиновые пробки с отверстиями;
1 электроплитка (сопротивление);
1 шнур с вилкой;
розетка (к электросети).
141
Проведение опыта (10 мин.)
кислого барии, опыт можно считать законченным. Выключают электрический ток, отделяют водоструйный насос, и прекращают пропускание газов.
Примечание. Если имеется достаточно активный катализатор (например, платинированный асбест или пятиокись ванадия на асбесте), то при более длительном пропускании газов (10—15 мин.) и хорошем охлаждении серный ангидрид может быть получен в жидком и даже в твердом состоянии.
Производство аммиака (IX кл.).
№ 5. СИНТЕЗ АММИАКА ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ
Проведение опыта (10 мин.)
142
Результаты опыта	Оборудование
Качественная реакция на серную кислоту: H2SO4 4- ВаС12 — I3aSO4 | 4“ + 2НС1 Поглощение серного ангидрида концентрированной серной кислотой объясняется тем, что образуется пи-росерная кислота H2StO7: H2SO4+SO3=H2S2O7	Реактивы и материалы Анодные стружки; Серная ^кислота (концентрированная); Раствор ВаС12, 'Подкисленный азотной кислотой; Катализатор на асбесте; Стеклянная вата; Охладительная смесь.
ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
	Результаты опыта	Оборудование
	Наблюдения Азотноводородная смесь, проходя через трубку 5 над катализатором 6, помещенным в спирали 7, без нагрева не образует даже следов аммиака. Аммиак появляется, когда катализатор нагрет. Это доказывается по появлению окраски в растворе фенолфталеина и образованию белого дыма, состоящего из кристалликов хлористого аммония. Объяснение Уравнение реакции получения водорода: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + Н2 4 Уравнение реакции получения азота: a) NH4Cl+NaNC)2^NH4NO2 4 4-NaCl;	Лабораторные принадлежности 1	реакционная трубка с куском спирали от электроплитки; 2	штатива железных с зажимами, лапками и кольцом; 1 асбестированная сетка; I спиртовка; 1 колба на 200 мл; I капельная воронка; I аппарат Киппа (заряженный для получения  водорода); 3 промывные склянки; I тройник; 1 (/-образная трубка; I пробирка; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки между собой;
143
Проведение опыта (10 мин.)
Проверяют прибор на герметичность. Пускают ток азота и водорода, следя за тем, чтобы число пузырьков этих газов относилось, как 1:3. Скорость выделения азота регулируют количеством прибавляемого раствора NaNO2 из капельной воронки 1 и нагреванием колбы 2, содержащей раствор NH4CI, а скорость образования водорода - - краном аппарата Киппа. Проверяют полноту вытеснения воздуха из установки (поджиганием в пробирке газа, собранного у газоотводной трубки 3) и отсутствие аммиака в исходной азотоводородной смеси (при помощи фенолфталеина или лакмуса). Включаем электрический ток. Следим за появлением окраски в (/-образной трубке 4 с раствором фенолфталеина. После появления окраски отнимают (/-образную трубку и к отверстию газоотводной трубки подносят стеклянную пластинку, смоченную концентрированной соляной кислотой (или влажную лакмусовую бумажку красного цвета). Для окончания опыта включают электрический ток, закрывают кран аппарата Киппа, продолжая пропускать некоторое время азот до полного удаления из установки водорода и охлаждения катализатора.
Примечание. В такой же реакционной трубке можно провести опыт разложения аммиака и обнаружить образующийся водород. С этой целью пропускают аммиак над нагретой спиралью с катализатором, собирают и испытывают об-р&зующиеси при этом газы на горючесть.
Производство азотной кислоты (IX кл.)
№ 6. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ
Проведение опыта (5 мин.)
Пропускают кислород через трубку 1 от газометра в водный раствор аммиака, содержащийся в колбе 2. Затем включают электрический ток, благодаря чему спираль 3 с катализатором 4 накаляется. Поступление кислорода регулируют краном газометра, а количество аммиака—путем поднимания или опускания трубки 1 в колбу 2 с раствором аммиака.
144
Результаты опыта
Оборудование
б)	NH4NO2 = 2НгО 4- N21 "^NH^cT + NaNO2 = NaCl +
+ 2H2O 4- N2 f
Одновременно протекает и побочная реакция:
3NH4NO2 = NH4NO3 + 2NO +
4- 2NH3 4- H2O.
Примеси удаляются посредством пропускания азота через креп-кий раствор щелочи и концентрированную серную кислоту.
Синтез аммиака—обратимая экзотермическая реакция:
Na4-3Hs^2NHg, Q=21,8 ккал.
Обнаружение аммиака объясняется приведением следующих реакций:
а)	в растворе (с помощью фенолфталеина) :
NHgl-HsO^NH;1 4-О1Г
б)	в воздухе (по образованию белого дыма в присутствии концентрированной соляной кислоты):
NHS 4 НС1 = NH4CL
резиновые пробки;
1 электроплитка (сопротивление);
1 шнур с вилкой (к электросети).
Реактивы и материалы
Раствор NaNO2 (насыщенный);
Раствор NH4C1 (насыщенный) ;
Раствор NaOIl (крепкий);
Серная кислота (концентрированная) ;
Раствор H2SO4 (1:5);
Цинк гранулированный;
Катализатор (на асбестовой вате);
Раствор фенолфталеина;
Дистиллированная вода.
ОКИСЛЕНИЕ АММИАКА
10	Результаты опыта	Оборудование
	Наблюдения Аммиачнокислородная смесь, нро-кодя над катализатором, без нагревания не реагирует. Когда же спираль сильно накаливает катализатор, то аммиак окисляется кислородом, Опыты ЦО химик	Лабораторные принадлежности 1 реакционная трубка с куском спирали от электроплитки; 1 штатив железный с зажимом и ланкой; 145
Проведение опытов (5 мин.)
Рис. 6
Опыт заканчивают, когда раствор дифениламина в {/-образной трубке 6 приобретет синюю окраску, а в колбе б соберется заметное количество аммонийных солей и окислов азота. Выключают электрический ток, продолжая еще некоторое время пропускать через реакционную трубку аммиачно-кисло-родную смесь. Затем поднимают трубку 1 выше уровня раствора и пропускают через установку кислород до удаления из нее остальных газов.
146
Результаты опыта
Оборудование
причем образуются окислы азота (они вызывают посинение раствора дифениламина) и аммонийные соли (в виде белого дыма). Активные катализаторы (например, трехокись хрома Сг2Оа) остаются некоторое время в раскаленном состоянии даже после того, как будет выключен электрический ток.
Объяснение
Реакция окисления аммиака экзо-термична и протекает согласно следующему уравнению:
4NH3 + 5О2 = 4NO 4- 6Н2О;
. Q = + 279 ккал.
Кроме этой главной реакции, имеет место также ряд побочных процессов, например, при избытке кислорода:
NO 4- V, О2 = 2NO2;
в присутствии водяных паров:
2NO24- H2O^HNO34-HNO2;
или с горячей водой:
3NO2 4- Н2О = 2HNO8 + NO.
Образующиеся кислоты при избытке аммиака дают аммонийные соли, заполняющие приемники в виде белого дыма, состоящего главным образом из NH^NOa, так как NH4NO2— соединение неустойчивое.
Дифениламин окисляется окислами азота, азотной кислотой и другими окислителями до тетрагидрофенил-гпдразина, растворяющегося в серной кислоте с синим окрашиванием:
2(CcIIf,)2NH4 [О] дифениламин
->(CcHb).N2(CcH5)84- Н2О
1 колба коническая на 200 мл;
1 колба плоскодонная на 200 мл;
1 хлоркальциевая трубка;
1 {/-образная трубка;
1 газометр (с кислородом);
резиновые пробки;
стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки друг с другом;
1 электроплитка (сопротивление) ;
1 шнур с вилкой (к электросети).
Реактивы и материалы
Водный раствор аммиака (10%-ный);
Кислород (в газометре);
Натровая известь (или окись кальция);
Катализатор (на асбестовой вате);
Раствор дифениламина в серной кислоте.
тетрафенилгидразин
Ю*
147
Соли аммония (IX кл.)
№ 7. ПОЛУЧЕНИЕ
Проведение опыта (Ю—16 мин.)
Рис. 7
Нагревают колбу 1 с раствором аммиака и одновременно прибавляют из капельной воронки 3 в колонку 2 азотную кислоту по каплям, т. е. направляют реагирующие вещества навстречу друг с другом. Стекающую в стакан жидкость испытывают лакмусовой бумажкой и термоскопом. Если нейтрализация кислоты произошла не полностью, то содержимое стакана приливают в каиельпую воронку 3 и снова пропускают через колонку 2. Так поступают до тех пор, пока находящаяся в стакане с жидкостью полоска лакмусовой бумажки не покажет нейтральной (или слабощелочной) реакции.
Тогда прекращают нагревание колбы II, содержащей раствор аммиака, и дают стечь всей жидкости в стакан. Жидкость из стакана переливают в фарфоровую чашку, осторожно упаривают и охлаждают. Выделившиеся кристаллы аммиачной селитры (после сливания маточного раствора) дают р-ассмотрсль учащимся.
Примечание. После полного удаления воды из раствора аммиачной селитры последняя плавится. Жидкость застывает в сплошную кристаллическую массу белого цвета с желтоватым оттенком.
148
аммиачной селитры
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения Газообразный аммиак и концентрированный раствор азотной кислоты, встречаясь друг с другом в поглотительной колонке 2, образуют белый дым, состоящий из кристалликов нитрата аммония. Раствор соли вместе с избытком азотной кислоты стекает в стакан. Жидкость разогревается. Образующийся при упаривании и охлаждении нейтрального или слабощелочного раствора нитрат аммония представляет собой белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Объяснение Аммиак реагирует с азотной кислотой согласно уравнению: NH8 + HNO8 = NII4NO3. Эта реакция, являясь частным случаем реакции нейтрализации, протекает с выделением тепла. Тепло это используется в промышленности для упарьгания раствора и дает возможность получать также безводную аммиачную селитру.	Лабораторные принадлежности 2 штатива железных с зажимами, лапками и кольцом; 1 асбестированная сетка; 1 колба плоскодонная на 200 мл; 1 поглотительная колонка, наполненная битым стеклом; 1 капельная воронка; 1 воронка для фильтрования; 1	термоскоп; 2	химических стакана; 1 фарфоровая чашка; 1 спиртовка; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки друг с другом; резиновые пробки. Реактивы и материалы Водный раствор аммиака (25%-ный); Азотная кислота (концентрированная) ; Лакмусовая бумажка.
149
Угольная кислота и сс соли (IX кл.)
Сода (X кл.).	№ 8. ПОЛУЧЕНИЕ СОДЫ
Проведение опыта (10—15 мин.)
Рис. 8
Через тщательно собранную установку пропускают из аппарата Киппа сильный ток углекислого газа, который проходит сначала в промывную склянку 1 с водой и через предохранительную двугорлую склянку 2 поступает в воронку 3, помещенную в цилиндре 4. Проходя через мелкие отверстия сита, которым обтянута воронка 3, двуокись углерода хорошо перемешивается с аммиачным раствором хлористого натрия. Избыток углекислого газа, не вступившего в реакцию, проходит по газоотводной трубке 5 в цилиндр 6, содержащий насыщенный раствор хлористого натрия (без аммиака). После выпадения осадка двууглекислой соды прекращают ток углекислого газа, зажимают трубку, соединяющую цилиндр с предохранительной склянкой 2, выпускают раствор через трубку 7, а суспензию соды -— через трубку 8. Часть отфильтрованной и высушенной между листами фильтровальной бумаги соды нагревают в пробирке с газоотводной трубкой, конец которой погружен в известковую воду. Оставшуюся в
150
аммиачным способом
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения	Лабораторные
После пропускания сильного тока углекислого газа на дне цилиндра 4 начинает постепенно оседать суспензия двууглекислой соды в виде мелкокристаллического осадка, тогда как жидкость в цилиндре 6 остается прозрачной. При разложении образовавшейся двууглекислой соды выделяется углекислый газ, что доказывается помутнением известковой воды. Остаток— кальцинированная сода — растворяется в воде с -разогреванием. Раствор этот окрашивает фенолфталеин в более интенсивный цвет, чем раствор двууглекислой соды. Объяснение Образование двууглекислой соды NallCOs идет по схеме: a)	NH8-|-CO2 -bHuO^± ^±NH4HCO3, б)	NaCl 4- NH4HCO3 = = NaIICO3| H-NH4C1	принадлежности 1 штатив железный с зажимом и лапкой; 1 широкая трубка длиной 25—30 см, закрытая пробками с отверстиями; 1 воронка, обтянутая плотным ситом; 1	капельная воронка; 2	стакана на 100 мл; 1 стеклянный цилиндр; 1 двугорлая склянка; 1 промывная склянка; 1	аппарат Киппа, заряженный для получения СО? (или баллон с жидким угольным ангидридом); 1	воронка для фильтрования; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей прибора между собой; 2	пружинных зажима; 1 пробирка с пробкой и газоотводной трубкой.
NH3 + CO2 4- H2O -1- NaCl == = NaHCO8 | +NH4CL	Реактивы и материалы
При разложении NaHCO3 образуется кальцинированная сода Na2CO3r углекислый газ и вода: 2NaIICO3 = NaaCO3 + 4* Н2О 4- СО2 f	мрамор (кусочки); соляная кислота (1:1); насыщенный раствор хлористого натрия в 10%-ном растворе аммиака;
Двуокись углерода обнаруживается реакцией с известковой водой:	раствор фенолфталеина;
СО2 ПСа(ОП)2 = =СаСО3 | 4- Н2О,	известковая вода; фильтровальная бумага.
151
Проведение опыта (10—15 мин.)
пробирке кальцинированную соду (после охлаждения) растворяют в воде, и к полученному раствору прибавляют каплю фенолфталеина. Растворяют в воде и испытывают раствором фенолфталеина такое же количество двууглекислой соды. Сравнивают интенсивность окраски фенолфталеина в обоих случаях.
Разложение воды электрическим
током (VII кл.). Электролиз (IX кл. и при повторении в X кл.)
№ 9. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА И
152
		
	Результаты опыта	Оборудование
	При растворении №2СОа в воде происходит разогревание вследствие образования гидратов. Водные растворы Na2HCOa и Na2CO3 показывают щелочную реакцию, причем более сильно во втором случае, чем в пер- NaHCOs + Н20 NaOH + -f- H2COg. Na2CO8 + 2H2O 2NaOH + + h2co3 В ионном виде: IICOr+HjO^OH" + H2CO3; СО3__+2Н2О^2ОН“-ЬН2СО3-	
КИСЛОРОДА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ воды
Результаты опыта
Оборудование
Н а б л ю д е н и я
После подключения к собранной установке постоянного электрического тока начинается выделение газов, которые, не смешиваясь друг с другом, уходят по газоотводным трубкам 1 и 2 и собираются в цилиндрах (или пробирках) над водой.
Скорость выделения газов увеличивается с ростом силы тока. Последнюю регулируют сопротивлением. В одном из получаемых газов тлеющая лучинка загорается (это—кислород), а второй газ горит сам почти бесцветным пламенем, давая в качестве продукта реакции воду (это—водо-
Лаб ораторные
принадлежности
1 щирокогорлая склянка емкостью 1—2 л;
1 пробка с двумя отверстиями (к склянке);
1 трубка стеклянная широкая;
1 пробка с одним отверстием (к трубке);
стеклянные и резиновые трубки для соединения частей прибора между собой;
железная проволока диаметром около 1 мм
153
Проведение опыта (5 мин).
Собирают установку согласно приведенному рисунку.
Включают источник постоянного электрического тока, регулируя его так, чтобы напряжение составляло около 10 в, а сила тока —около 1 а. Полноту вытеснения воздуха устанавливают путем испытания выделяющихся через трубки 1 и 2 газов (водорода и кислорода). После этого чистый водород и кислород собирают над водой в цилиндры или пробирки одинаковых размеров.. Сравнивают объем образующихся газов и производят с ними качественные реакции.
Меры предосторожности
Необходима тщательная сборка установки, чтобы предотвратить попадание газов из анодного пространства в катодное it наоборот, так как смешение газов может привести к образованию гремучего газа.
I 154
Результаты опыта	Оборудование
род). Газы выделяются приблизительно в таком объемном отношении: иа 1 объем кислорода приходится 2 объема водорода. Объяснение Разложение воды под действием электрического тока может быть представлено схемой: 2Н2О = 2HS t + О2 f на катоде	на аноде ( — ) ( + ) Механизм этого процесса состоит в следующем. Вода, будучи слабым электролитом, все же распадается на ионы: 2Н2О^2Н+ +2ОН~ Ионы теряют свои электрические заряды на электродах: на аноде: 2ОН“ — Че =\Ч [011] 2[ОН] = Н2О + 72О2 па катоде: 2Н'1' + Че = Н2 f Роль едкого натра состоит в увеличении электропроводности раствора вследствие диссоциации этого вещества па ионы: NaOII^Na+ -|- 0Н~ Щелочь, в отличие от кислоты, не реагирует с железными электродами.	(электродный материал); электропровод (изоли- рованный) ; 1 вольтметр; 1 амперметр; 1	реостат; источник постоянного электрического тока напряжением около 10 в; 2	пневматические ванны; 2	цилиндра (или пробирки) для собирания газов; стеклянные пластинки для накрывания цилиндров. Реактивы и материалы раствор едкого натра (20-40%-ный); менделеевская замазка; длинная лучинка.
155
Электролиз.
Едкий натр (X кл.)
№ 10. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИСТОГО
Проведение опыта (10 мин.)
К собранной по приведенному рисунку установке подключают источник постоянного электрического тока и регулируют его так, чтобы происходило не слишком энергичное выделение газов. После вытеснения воздуха из установки и проверки газов на чистоту собирают выходящий по газоотводной трубке 1 водород в цилиндре над водой, а хлор — в цилиндре путем вытеснения воздуха. После того как в цилиндре соберется хлор, 'который будет виден учащимся, к газоотводной трубке 2 присоединяют стеклянную вороику и накрывают ею сосуд с гашеной известью (для поглощения хлора и образования хлорной извести). В приемник 3 медленно поступает жидкость из катодного пространства 4, и одновременно приливается из капельной воронки 5 насыщенный раствор хлористого натрия в анодное пространство 6. Из собранной в приемник 3 жидкости берут пробу и испытывают ее раствором фенолфталеина для доказательства наличия в ней едкого натра. Делают также пробу на ионы хлора с раствором азотнокислого серебра. (Предварительно испытуемый раствор подкисляют азотной кислотой.)
156
НАТРИЯ С ТВЕРДЫМ КАТОДОМ
Результаты опыта
Оборудование
Набл юдения
В процессе электролиза раствора хлористого натрия выделяются газы, в которых легко узнаются водород и хлор. Последний хорошо поглощается гашеной известью, причем получается хлорная известь Раствор фенолфталеина окрашивается жидкостью, собирающейся в сосуде 3, в характерный для щелочного раствора малиновый цвет. Раствор AgNOa дает с пробой, подкисленной азотной кислотой, белый творожистый осадок, показывающий наличие ионов хлора.
Объяснение
В водном растворе хлористого натрия имеются ионы:
Na+,С1-,Н+ и ОН-находящиеся в равновесии с молекулами:
NaCl^Na'1' + СГ
Н2о —н1 +01Г
При включении постоянного электрического тока происходят следующие электродные процессы:
иа аноде:
СГ- 1е = % Cl2 f
на катоде:
Ц-' + 1е = \2 на
Остаются в растворе ионы:
Na1' и ОН-.
Лабораторные принадлежности
1 стеклянный сосуд емкостью в 1 л с тубусом (или склянка с отрезанным дном);
1	пористый керамический стакан;
2	широкие корковые пробки (для закрывания склянки и цилиндра) с отверстиями;
1 капельная воронка;
1 стеклянный кран (или винтовой зажим);
1	колбочка (или стакан) для сливания электрод ита;
стеклянные или резиновые трубки для соединения частей прибора между собой;
2	пневматические ванны;
2 цилиндра для собирания газов;
1 стеклянная воронка;
1 кусок железной или никелевой жести с отверстиями (катод);
1 кусочек железной проволоки, присоединенной к катоду;
1 угольный стержень (анод);
электропровода (изолированные) ;
1 вольтметр;
1 амперметр;
157
Проведение опыта (10 мин.)
Демонстрация опыта заканчивается, когда получены достаточные количества водорода и хлора для проведения качественных испытаний этих газов, а реакция с фенолфталеином показывает присутствие в растворе щелочи (гидроксильных ионов).
Меры предосторожности
Необходима тщательная сборка прибора и соблюдение указанных выше условий проведения опыта во избежание образования взрывчатых смесей и попадания хлора в помещение.
Примечание. Хлор может быть собран в небольшом газометре над насыщенным раствором хлористого натрия и использован для получения соляной кислоты синтетическим способом и других опытов.
Электролиз.
Едкий натр (X кл.)
№ 11. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРА ХЛОРИСТОГО
Проведение опыта (10 мин).
К собранной, согласно приведенной схеме, установке подключают постоянный электрический ток, регулируя его так, чтобы на ртутном катоде 1 не происходило выделения водорода, но шло на угольном аноде 2 медленное выделение хлора, обнаруживаемое йодк-рахмальной бумажкой, поднесенной к отверстию газоотводной трубки 3. Через трубку 4 сливают в стакан немного жидкости и с помощью фенолфталеина доказывают, что в ней отсутствует щелочь. Через 2 —3 минуты выпускают через трубку 5 часть ртути в другой стакан с дистиллированной водой. Одновременно через воронку 6 приливают новую порцию ртути и пускают ее с такой скоростью, чтобы образовавшаяся амальгама переливалась через края нижней воронки и стекала на дно сосуда 7 и через трубку 5 снова переходила в стакан с дистиллированной водой.
158
Результаты опыта
Оборудование
При выпаривании раствора можно получить твердый едкий натр NaOH (в смеси с хлористым натрием).
На аноде происходит также побочный процесс:
2ОН""- 2е — Н2ОО2.
Поступающий из капельной воронки 5 насыщенный раствор хлористого натрия, удаляет ионы гидроксила от анода, препятствуя их разрядке и тем самым увеличивая выход едкого натра. Ионы ОН - обнаруживаются реакцией с фенолфталеином, а остающиеся в растворе ионы С1 - —реакцией с АцГ<Оа. Роль I!NOa заключается в нейтрализации щелочи, от которой мог бы выпасть черный осадок Ag2O вместо ожидаемого белого осадка AgCl.
1 реостат;
источник постоянного электрического тока напряжением около 10 в.
Реактивы и материалы
Раствор NaCl (насыщенный в анодном пространстве и почти насыщенный в катодном пространстве);
Раствор фенолфталеина;
йодкрахмальпая бумажка (для обнаружения хлора);
Гашеная известь или раствор едкого натра (для поглощения хлора);
Менделеевская замазка.
НАТРИЯ С РТУТНЫМ КАТОДОМ
Результаты опыта
Оборудование
Наблюдения
В процессе электролиза раствора хлористого натрия на ртутном катоде не наблюдается выделения водорода, тогда как из анодного пространства через трубку S выходит хлор, обнаруживаемый по посинению йодкрахмальной бумаги. Попадая в стакан с водой, амальгама натрия разлагается, при этом выделяется водород и образуется едкий натр (малиновое окрашивание с раствором фенолфталеина).
Лабораторные принадлежности
1	банка емкостью в 1 л с отрезанным дном;
2	корковые пробки с отверстиями (к банке);
2	капельные воронки;
3	стеклянные воронки (малые);
1 химический стакан для сливания электролита;
159
Проведение опыта (ГО мин).
Рис. 11
Так осуществляется непрерывное удаление амальгамы по мере ее образования,
Разложение амальгамы натрия водой ускоряется при контакте с менее благородным металлом, чем ртуть. С этой целью в стакан опускают железо, например, очищенные гвоздики. Затем берут 'Пробу жидкости из стакана, в который была налита амальтама, и испытывают ее раствором 'фенолфталеина. Когда в жидкости будет обнаружена щелочь, опыт можно считать законченным.
Обращается внимание учащихся, что в данном случае образуется чистая щелочь, не содержащая примесей хлористого натрия, что устанавливается пробой с подкисленным HNO3 раствором АеК'Оз.
Меры предосторожности
Стараются не проливать ртуть, так как пары ее весьма ядовиты. I !аливание ртути в капельную воронку 6 производится через воронку при -помощи фарфорового стакана с носиком над широким сосудом с водой.
160
Результаты опыта
Оборудование
При выпаривании такого раствора получается твердый едкий натр в чистом виде (без примесей хлористого натрия).
Объяснение
В водном растворе хлористого натрия имеются ионы:
Na+, СГ, Н+ и ОН-.
При включении постоянного электрического тока достаточного напряжения происходят следующие электродные процессы:
на аноде:
СГ-\е = Ч2 Cl21
Частично идет также процесс;
2ОН~ - 2е = Н2О 4- 72 О21
на катоде:
Na+ 4- 1е = Na
(а не H+4-le = 1/2 Н2 f )
вследствие высокого водородного перенапряжения на ртутном катоде, Образование амальгамы можно выразить схемой:
nNa 4- т Hg = Na„Hgm.
В разлагателе происходит реакция, которую можно упрощенно записать так:
NaHg -|- Н2О — NaOH 4-+ Hg + 72 H2t
Освобождающаяся ртуть снова пускается в процесс через капельную воронку 6.
1 фарфоровый стакан для сливания ртути (и амальгамы натрия);
1 ванночка (кристаллизатор) для помещения стакана с ртутью и амальгамой;
1	цилиндр для собирания газов;
1	тройник;
2	стеклянных крана (или винтовых зажима);
1 кусочек стеклянной трубки длиной около 5 см с припаянным к пей кусочком проволоки (для контакта с ртутным катодом) ;
стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки друг с другом;
1 угольный стержень (анод);
электрические провода (изолированные);
1 вольтметр;
1 амперметр;
1 реостат.
Реактивы и материалы
Раствор хлористого натрия (насыщенный);
Ртуть металлическая (около 30 мл);
Вода дистиллированная;
Вода обыкновенная;
Раствор фенолфталеина;
йодкрахмальпая бумажка;
Менделеевская замазка;
Железные гвоздики.
Ч Опыты
110 химии
161
Горение (VII кл.).
Сжигание твердого топлива (IX кл.).
Воздушный газ (IX кл.)
№ 12. ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Проведение опыта (5 мин).
Рис. 12
Проверяют собранную установку на герметичность.
Не нагревая угля, пропускают слабый ток углекислого газа из аппарата Киппа через промывалку 1 с концентрированной H2SO4. Включают электрический ток, вследствие чего электрическая спираль в реакционной трубке 2 раскаляется докрасна и разогревает лежащие вокруг нее кусочки угля 3. После вытеснения из прибора воздуха начинают собирать в цилиндре 4 образующуюся окись углерода, которая в 1/-об-разной трубке 5 со щелочью освобождает от избытка СОг.
Для окончания опыта выключают электрический ток, продолжая пропускать через установку двуокись углерода, пока вся окись углерода не удалится из трубок и не соберется в цилиндре. Затем вынимают газоотводную трубку 6 из пневматической ванны 7 и закрывают кран аппарата Киппа. Цилиндр с окисью углерода под водой прикрывают стеклышком и ставят на стол. Поджигают 'газ у отверстия цилиндра, постепенно приливая в цилиндр воду. Подносят к пламени стакан, смоченный известковой водой.
162
ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА УГЛЕМ
Результаты опыта
Оборудование
Наблюдения
Прохождение двуокиси углерода через уголь па холоду не сопровождается химической реакцией между этими веществами. Если же пропустить слабый ток углекислого газа через раскаленный электрической спиралью древесный уголь, то образуется окись углерода — бесцветный газ, не поглощающийся раствором щелочи и водой и горящий голубым пламенем. Продукт горения дает осадок с известковой водой.
Объяснение
Взаимодействие углекислого газа с углем является эндотермической реакцией, протекающей при сильном нагревании:
со2 + CZT2CO.
Реакция эта обратима. Разделение смеси СО и СО?, поступающей из реакционной трубки <?, основано на реакции двуокиси углерода со щелочью:
СОг 4- 2NaOH=Na2CO34-H2O.
Окись углерода, в отличие от двуокиси углерода, горит на воздухе:
СО 4 7, о2 = со2.
Лабораторные принадлежности
1 реакционная трубка со спиралью от электроплитки;
1 штатив железный с зажимом и лапкой;
1 промывная склянка;
1 t/ образная трубка;
1 пневматическая ванна;
1 цилиндр для собирания газов;
1	стеклянная пластинка для накрывания цилиндра;
2	химических стакана;
1 аппарат Киппа, заряженный для получения СО2;
трубки стеклянные или резиновые для соединения различных частей установки между собой;
1 электроплитка (сопротивление);
1 шнур с вилкой (к электросети).
Реактивы и материалы
Мрамор (в кусочках);
Соляная кислота (1:1);
Серная кислота (концентрированная) ;
11*
163
Проведение опыта (5 мин).
Меры предосторожности
Прибор должен быть тщательно собран и проверен на герметичность. При собирании и испытании окиси углерода последняя не должна попадать в помещение, так как это может привести к серьезным отравлениям.
Газификация твердого топлива.
Воздушный газ (IX кл.).
№ 13. ПОЛУЧЕНИЕ
Проведение опыта (10 мин).
Рис. 13
Проверяют прибор па герметичность. Включают электрический ток и накаливают электрическую спираль 1 в реакционной трубке 2. Пускают из газометра через промывную склянку 3 с концентрированной серной кислотой кислород, поступающий в реакционную трубку и вызывающий сильное раскаливание и горение угля 4. Образовавшиеся газообразные продукты горения очищаются стеклянной ватой 5 и проходят в (/-образные трубки 6 и 7 с известковой водой и раствором щелочи. Двуокись углерода при этом поглощается, а окись
164
Результаты опыта
Оборудование
Образование СО? при горении СО доказывается тем, что стакан, смоченный известковой водой, покрывается белым налетом карбоната кальция:
СО2 + Са(ОН)2 =
= СаСО3 | Н-Н2О.
Древесный уголь прокаленный (в кусочка-х);
Раствор едкого натра (крепкий);
Известковая вода обыкновенная;
Лучинка (длинная).
(ВОЗДУШНОГО) ГАЗА
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения Уголь, расположенный ближе всего к входящему кислороду, сильно накаливается, и над ним наблюдается синеватое пламя. Почти сразу же после начала реакции известковая вода мутнеет. После вытеснения воздуха в цилиндре 9 начинает собираться бесцветный газ. При поджигании этот газ горит голубым пламенем, что характерно для окиси углерода. Продукт горения этого газа дает осадок в известковой воде. Двуокись углерода поглощается в U-об-разных трубках известковой водой и раствором щелочи. Объяснен ие При высокой температуре реакция углерода с кислородом приводит к образованию двух газообразных продуктов: двуокиси углерода СО2 и окиси углерода СО, что может быть схематично выражено уравнениями: С 4- О2 = СО2. СО2 4- С = 2СО.	Лабораторные принадлежности 1 реакционная трубка со спиралью от электроплитки; 1 штатив железный с зажимом и ланкой; 1	промывная склянка: 2	(/-образные трубки; 1 пневматическая ванна; 1 цилиндр для собирания газов; 1 стекло для накрывания цилиндра; 1 газометр (с кислородом); 1 химический стакан; пробки резиновые; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки друг с другом; 1 электроплитка (сопротивление) ; 1 шнур с вилкой (к электросети).
165
Проведение опыта (10 мин).
углерода проходит дальше по газоотводной трубке 8 и собирается в цилиндре 9 над водой. После того, как цилиндр заполнится окисью углерода, выключают электрический ток, продолжая пропускать в течение нескольких секунд ток кислорода для удаления оставшихся в приборе газов. Затем вынимают газоотводную трубку 8 из пневматической ванны 10. Цилиндр под водой прикрывают стеклом, ставят па стол, и поджигают окись углерода у отверстия цилиндра, подливая в пего постепенно воду из стакана. Подносят к пламени стакан, смоченный известковой водой.
Меры предосторожности
Необходимо предотвратить возможность попадания окиси углерода в помещение ввиду сильной ядовитости этого газа.
Газификация твердого топлива.
Воздушный и водяной газы (IX кл.).
№ 14. ПОЛУЧЕНИЕ
Проведение опыта (15 мин.)
Проверяют прибор па герметичность. Включают электрический ток и начинают пропускать из газометра через трубку 1 кислород, чем доводят уголь 2 до раскаленного состояния. Затем, не прекращая пропускать кислород, подводят к раскаленному углю водяные пары из колбы 3, нагреваемой горелкой. Ток кислорода регулируют крапом газометра, а ток водяных паров—нагреванием колбы с водой и тройником 4, через отросток которого удаляется избыток пара и образовавшиеся капельки воды. Благодаря этому уголь всё время поддерживается в раскаленном состоянии, и процесс образования паро-кислородпого газа идет непрерывно. Газ очищается, проходя через стеклянную вату 5 и раствор щелочи 6.
Опыт закапчивается, когда в цилиндре 7 собирается газ, состоящий из смеси окиси углерода и водорода. После этого
)$6
Результаты опыта	Оборудование
Первая реакция протекает со значительным выделением тепла, вто-оая — требует поступления тепла извне. Разделение СО от СОг основано на свойстве двуокиси углерода вступать в реакцию со щелочами: СО„+Са(ОН)2=СаСОи J-+н2о, СО2 + 2NaOI I = =Na2CO3 + Н2О. Горение оставшейся окиси углерода идет согласно уравнению: 2СО + О2 = СО2. Образовавшаяся двуокись углерода дает на стенках стакана с известковой водой белый палет, состоящий из	Реактивы и материал ы Кислород (в газометре); Серная кислота (концентрированная); Древесный уголь прокаленный, в кусочках; Стеклянная вата; Раствор едкого натра (крепкий); Известковая вода; Вода обыкновенная; Лучинка (длинная).
СаСОз.
ПАРОКИСЛОРОДНОГО ГАЗА
	Результаты опыта	Оборудование
	Наблюдения При одновременном пропускании кислорода и водяных паров в определенном соотношении над раскаленным углем, последний во время всего опыта остается сильно нагретым, и процесс образования газов идет непрерывно. При поджигании газа, собранного в цилиндре, видно бледно-голубое пламя. Иногда удается заметить, что бесцветное вначале пламя становится затем голубоватым, так как вначале горит более легкий во-	Лабораторные принадлежности 1	реакционная трубка со спиралью от электроплитки; 2	штатива железных с зажимами, лапками и кольцом; 11 аебестироваппая сетка; 1 колба па 200 мл; 1 газометр (с кислородом); 1 горелка; 2 тройника; 1 U-образная трубка;
167
Проведение опыта (15 .мии.)
Рис. 14
выключают электрический ток и вынимают газоотводную трубку 8 из пневматической ванны 9. Закрыв под водой стеклом цилиндр, ставят его на стол и поджигают находящиеся в нем газы; одновременно, по мере выгорания газа, приливают в цилиндр воду из стакана. Над пламенем горящего газа держат сухой стакан, а затем стакан, смоченный известковой водой.
Меры предосторожности
Необходимо предотвратить попадание окиси углерода в помещение ввиду сильной ядовитости этого газа. ’Следует также помнить, что образующиеся газы (СО н На) дают с воздухом взрывчатые смеси.
168
Результаты опыта	Оборудование
дород, а затем более тяжелый газ — окись углерода. Ца стенках сухого стакана образуются капельки воды, па стакане, смоченном известковой водой, появляется белый налет. Объяснение Горение угля--это экзотермическая реакция, протекающая но схеме: С 4- О2 = СО2. Одновременно происходит образование окиси углерода, что можно упрощенно представить так: СО2 + с = 2СО. Взаимодействие у-пя с т'зами воды протекает с ноглощепне.м тепла: С-Ь2Н2О = СО2 4-2Н2О; Q = — 18 ккал, С 4- Н2О = СО + Н2О; Q = — 28 ккал. Когда все эти реакции происходят одновременно, то можно добиться общего положительного теплового эффекта и непрерывного протекания процесса. В результате наряду с двуокисью углерода образуются окись углерода и водород в разных соотношениях в зависимости от условий опыта. Наличие водорода доказывается появлением на стенках стакана капелек воды: Н24->/2 О2 = Н2О. Наличие окиси углерода доказывается реакцией образования двуокиси углерода, обнаруживаемой по появлению белого осадка в извест-ковой воде: а)	СО 4- О2 = СО2 б)	СО2 + Са(ОН)2 = = СаСО3 | 4- НгО.	1 пневматическая ванна; 1 цилиндр для собирания газов; 1	стекло для накрывания цилиндра; 2	химических стакана; трубки стеклянные и резиновые для соединения частей установки Друг с другом; 1 электроплитка (сопротивление) ; 1 шнур с вилкой (к электросети). Реактивы и материалы кислород (в газометре); древесный уголь прокаленный (в кусочках); стеклянная вата; раствор едкого натра (крепкий); известковая вода; вода обыкновенная; лучинка (длинная).
169
Древесный уголь (IX кл.).
Карбоновые кислоты (X кл.)
№ 15. СУХАЯ
Проведение опыта (15 мин.)
Рис. 15
Пробирку 1 с древесными опилками нагревают сначала слабым, а затем сильным пламенем. После вытеснения из прибора воздуха собирают в пробирке выделяющиеся у газоотводной трубки 2 газы и испытывают их па горючесть. Затем поджигают газообразные продукты разложения древесины у отверстия трубки 2. Когда в пробирке 3, погруженной в стакан с холодной водой 4, соберется 2—3 мл водного дистиллята, а в пробирке 5—заметное количество смолы, опыт можно считать законченным. Убирают горелку под пробиркой 1, вследствие чего пламя у газоотводной трубки 2 гаснет, а поступление в приемники 3 и 5 жидких продуктов пиролиза древесины прекращается. Берут пробы водного дистиллята и испытывают их лакмусом, фелинговой жидкостью, нагретой медной пластинкой, покрытой слоем окиси меди (опа получается, если подержать кусок меди в окислительном пламени горелки). В смоле обнаруживают фенол реакцией с хлорным железом. Для этого небольшое количество смолы переносят в ’пробирку с водой, встряхивают содержимое и К полученной смеси .прибавляют 'раствор хлорного железа.
170
ПЕРЕГОНКА ДРЕВЕСИНЫ
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения При нагревании древесные опилки темнеют и постепенно обугливаются. Сначала образуются газообразные продукты пиролиза древесины, затем появляется водный дистиллят и смола. Газообразные вещества горят почти бесцветным некоптящим пламенем. Водный дистиллят показывает кислую реакцию па лакмус; в нем обнаруживаются альдегиды (выпадает желтый или красный осадок при нагревании пробы с фелипговой жидкостью), метиловый спирт (происходит восстановление окиси- меди до металлической меди). Проба смолы с хлорным железом дает характерное фиолетовое окрашивание, что указывает па присутствие в пей фенола. Твердый остаток в пробирке t имеет черный цвет и представляет собой древесный уоль, Объяснение При нагревании древесины без доступа воздуха опа претерпевает сложные превращения, в результате которых образуется целый ряд новых веществ (СО, Н2, Clli и Другие газы, метиловый спирт СНзОН, уксусная кислота СНзСООН, альдегиды, фенол QHbOH и др.) и остается твердое вещество — древесный уголь. Коли-	Лабораторные принадлежности 1	штатив железный с зажимом и лапкой; 2	пробирки с тубусами; 2	пробирки (для собирания смолы и испытания газообразных продуктов) ; 1 стакан (для холодной воды); 1 горелка; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей прибора между собой; корковые пробки; деревянный штатив (с пробирками). Реактивы и материалы древесные опилки (сухие); лакмусовая бумажка (синяя); медная пластинка, покрытая окисью меди; фелицгова жидкость; хлорное железо (раствор) ; вода холодная; лучинка (длинная).
Д71
Проведение опыта (10—15 мин.)
Меры предосторожности
Газы у отверстия трубки 2 поджигают лишь после того, как из установки вытеснен воздух. В противном случае возможен взрыв, так как при пиролизе древесины образуются метан, водород и другие газы, дающие взрывчатые смеси с воздухом.
Коксование каменного угля.
Каменноугольная смола как сырье для промышленности органического синтеза (X класс)
№ 16. СУХАЯ ПЕРЕГОНКА
Реакционный сосуд t сильно нагревают пламенем газовой горелки 2. После того как из пробирки вытеснен воздух, поджигают газы, выделяющиеся у оттянутого конца газоотводной трубки 3. Горючие газы очищаются от смолы, проходя через (/-образную трубку 4 с ватой. Одновременно происходит очистка газа от сероводорода, так как часть ваты смочена раствором РЬ(КОз)2 (или AgNOs). Аммиак поглощается водой в пробирке 5, погруженной в стакан 6 с холодной водой.
172
Результаты опыта
Оборудование
чественпые соотношения получаемых продуктов колеблются в зависимости от породы древесины и условий проведения опыта (скорость и температура нагрева, присутствие катализаторов и др.).
КАМЕННОГО (ИЛИ БУРОГО) УГЛЯ
	Результаты опыта	Оборудование
	Наблюдения При сильном нагревании угля образуются различные газообразные и жидкие вещества; часть из них собирается и идентифицируется. По 'почернению ваты, смоченной раствором РЬ(1\’Оз)2 (или AgNOa), заключают, что среди пих имеется сероводород. Изменение окраски, лакмусовой бумажки, опущенной в пробирку с дистиллированной водой, из красной в синюю свидетельствует о присутствии аммиака. Прошедшие через воду газы, т. е. нерастворимые в ней, горят почти бесцветным пламенем, подобно метану. Жидкие вещества (каменноугольная смола) представляют собой черпую густую жидкость с неприятным запахом. Объяснение Сильное пагревапие бурого (или каменного) угля без доступа воздуха приводит к образованию целого ряда повых веществ: горючих газов	Лабораторные принадлежности 1 штатив железный с зажимами и лапкой; 1 железная трубка, закрытая с одного конца (или тугоплавкая широкая пробирка); 1 газовая горелка; 1	(/-образная трубка; 2	стакапа для холодной воды; 3	стеклянные трубки, изогнутые под прямым углом; 1 прямая трубка с оттянутым концом; резиновые трубки (короткие) для соединения частей прибора между собой; пробки корковые.
173
Проведение опыта (10—16 мин.)
Аммиак обнаруживается по изменению цвета лакмусовой бумажки 7. Смола поступает в пробирку 8, погруженную в холодную воду в стакане 9.
Примечание. Для извлечения бензола и других веществ, содержащихся в каменноугольной смоле, требуется значительно большее количество исходного продукта, чем то, которое может быть получено па уроке. Но и при наличии больших количеств смолы опыты с ней па уроке неуместны, так как требуют много времени, но могут быть проведены во время внеклассных занятий.
Переработка нефти и ее продукты
Крекинг процесс (X кл.)
№ 17. КРЕКИНГ
Проведение опыта (10 мин).
На дно пробирки t наливают 1—2 мл очищенного керосина; пробирку закрывают пробкой с укрепленной на ней спиралью. Малым пламенем спиртовки осторожно нагревают дно пробирки, вызывая испарение керосина 2. Включают электрический ток, вследствие чего пары керосина проходят над раскаленной докрасна спиралью 3. Образующиеся жидкие продукты термического распада углеводородов, содержащихся в керосине, собираются в (/-образной трубке 4, погруженной в сосуд 5 с холодной водой. Газообразные продукты крекинга проходят по газоотводной трубке 6 и после вытеснения из прибора воздуха собираются в цилиндрах 7. Под конец опыта газоотводную трубку 6 вынимают из ванны 8 и погружают в пробирку с раствором KMnOi (или в
174
Результаты опыта
Оборудование
(метана и других), аммиака, сероводорода, а также жидких продуктов (смолы), в которых содержится бензол, фенол и ряд других веществ, используемых в органических синтезах. Наличие аммиака в газах доказывается посинением лакмусовой бумажки от ионов гидроксила:
NH3+H2O = NH4+ + OH~
Сероводород обнаруживается по появлению черного осадка PbS или AbsS:
Pb(NO3)2 -|- H2S = PbS 4- -|-+ 2HNO3,
2 AgNO3 + H2S = Ag2S >[• -j--4-2HNO,.
Реактивы и материалы
Бурый уголь или коксующийся каменный уголь (кусочки);
Вата (для очистки газа от смолы);
Растворимое стекло;
Вода дистиллированная;
Вода холодная;
Раствор РЬ(КОз)г или AgNO3 (для обнаружения сероводорода);
Лакмусовая бумажка (красная);
Лучинка длинная.
КЕРОСИНА (ИЛИ МАЗУТА)
Результаты опыта	Оборудование
На б л юления При нагревании спиртовкой пробирки с очищенным керосином последний частично перегоняется, по при этом распада молекул не происходит, так как непредельных газообразных продуктов не образуется. Если же пары керосина подвергнуть воздействию более высокой температуры, пропуская их над раскаленной докрасна спиралью, то образуются новые вещества: жидкие и газообразные углеводороды, среди которых, наряду с предельными углеводородами, появляются и непредельные. Па-	Лабораторные п ринадлежпости 1 пробирка с тубусом; спираль от электроплитки; 1 штатив железный с зажимом и лапкой; 1 (/-образная трубка, закрытая пробками; 2 стакана (для воды); 1	пневматическая ванна; 2	цилиндра для собирания газов;
175
Проведение опыта (НО мин).
Рис. 17
бромную воду). Затем вынимают трубку из жидкости и выключают электрический ток. Пипеткой берут из П-образной трубки пробу жидких продуктов крекинга нефти и испытывают их на присутствие непредельных углеводородов. Поджигают с помощью лучинки собранные в цилиндрах газообразные продукты крекинга нефти. В процессе их горения подливают в цилиндр из стакана воду. Держат над пламенем сухой стакан, а затем другой стакан, смоченный известковой водой.
Меры предосторожности
Газообразные продукты крекинга собирают в цилиндр лишь после того, как из прибора полностью вытеснен воздух, во избежание образования взрывчатых смесей.
176
Результаты опыта
Оборудование
личие непредельных углеводородов доказывается реакцией с раствором КМпО< и бромной водой (происходит обесцвечивание этих растворов). В стакане над пламенем образуются капельки воды и белый налет (от СаСОз).
Объяснение
Распад высокомолекулярных углеводородов происходит при высокой температуре (особенно легко в присутствии катализаторов, например, окиси алюминия). При этом образуются предельные и непредельные углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Распад молекулы предельного углеводорода на две другие молекулы, из которых одна принадлежит к предельным, а вторая — к непредельным углеводородам, можно представить схемой:
СПз-----(СН2)„------сн3->
->СН8-----(СН2)—— СН8 4-
+(СН2)Х.
Обесцвечивание раствора КМп()4 и бромной воды обусловлено реакциями присоединения к непредельным yi доводам:
2 стекла для накрывания цилиндров;
резиновые трубки; короткая (для соединения частей прибора) и длинная (для отвода газов в цилиндр);
1 спиртовка;
1 электроплитка (сопротивление) ;
шнур с вилкой к электросети;
1 штатив с пробирками;
1 пипетка.
Реактивы и материалы
керосин, одищенный от непредельных углеводородов (или мазут);
раствор КМпОа (разбавленный);
бромная вода;
вода холодная;
1 лучинка длинная.
2 С = С 4- Н2о 4- [О] ->
I I
ОН он
/ С = С^+Вг2->/ С-С\
I I
Вг Вг
12
Опыты ПО ХИМИИ
177
Карбоновые кислоты. Уксусная кислота Реакция М. Г. Кучерова (X класс)
№ 18. ПОЛУЧЕНИЕ УКСУСНОЙ
Проведение опыта (15—20 мин.)
Рис. 18
Из капельной воронки 1 медленно приливают раствор поваренок соли на карбид кальция 2, добиваясь равномерного тока ацетилена, и одновременно пускают в ход водоструйный насос. Ацетилен проходит через промывную склянку 3 с хромовой смесью и, очищенный от примесей, поступает в колбу 4 с раствором HgSOi (0,25 г окиси ртути растворяют в 40 мл раствора серной кислоты 1:1), где подвергается гидратации при 70—80°. Образовавшийся уксусный альдегид поступает в пробирку 5 с небольшим количеством воды, в которой он растворяется, и частично проходит дальше через стеклянную вату 6, trc освобождается от возможных капелек раствора серной кислоты, уносимых током газов. Затем уксусный альдегид смешивается с воздухом, поступающим через тройник 7, и проходит в пробирку 8 с раствором KMnOi, нагреваемым на водяной бане 9. Через несколько минут отнимают пробирку .5 с водой, а газообразный альдегид пропускают непосредственно в хлоркальциевую трубку 6, для чего соединяют ее с газоотводной трубкой 10. Через 10—15 мин. опыт заканчивают. Содержимое пробирки 8 фильтруют, прозрачный бесцветный фильтрат испытывают раствором лакмуса, производя
178
КИСЛОТЫ СИНТЕТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения После того как скорость, течение газов и нагревание отрегулированы, процесс идет сам по себе, пока не израсходуется взятый карбид кальция, В растворе из пробирки 5 легко обнаружить уксусный альдегид по запаху и характерным реакциям (образование серебряного зеркала, осадка закиси меди и др.). Жидкость в пробирке 8, содержащая KMnOi, вскоре становится бурой вследствие образования соединений марганца низшей валентности. Фильтрат дает кислую реакцию на лакмус. При подкислении фильтрата серной кислотой и .нагревании возможно обнаружить в парах уксусную кислоту (по запаху и реакции с лакмусовой бумажкой). Объяснение Синтез уксусной кислоты происходит в несколько стадий. Основные из них воспроизводятся в данном опыте: 1.	Получение ацетилена: СаС2+2Н2О = Са[ОН)2+ С2Н2. 2.	Гидратация ацетилена (реакция Кучерова): ^0 сн= СН+Н2О ->СН3 - с \ н 3.	Окисление уксусного альдегида кислородом воздуха в присутствии марганцевого катализатора; ХН О CHs-cf ' он	Лабораторные принадлежности 1 железный штатив с зажимом, лапкой и кольцом; 3 асбестированные сетки: 2 тагана: 2 колбы плоскодонные на 100 мл; 1	коническая колба на 100 мл: 2	пробирки с тубусами; 1 промывная склянка; 1 цилиндр с водой (предохранитель); две спиртовки; стеклянные и резиновые трубки для соединения частей установки между собой; пробки резиновые; 1 тройник; 1 хлоркальциевая трубка; 1 капельная воронка; 1 термометр до 100°. Реактивы и материалы Карбид кальция (кусочки) — около 5 г; Раствор NaCl (25%-й); Хромовая смесь; Окись ртути	или HgSO4; Серная кислота (1:5);
12*
179
Проведение опыта (15—20 мин.)
контрольный опыт с дистиллированной водой. К части фильтрата прибавляют раствор H2SO4 и нагревают. Ощущается характерный запах уксусной кислоты, лакмусовая бумажка, поднесенная к парам, показывает кислую реакцию.
Меры предосторожности
Работа с ацетиленом требует большой осторожности, так как этот газ (а также уксусный альдегид) образует опасные взрывчатые смеси с воздухом.
Жиры.
Гидрогенизация жиров (X кл.).
№ 19. ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ
Проведение опыта (20—25 мин.)
2—3 мл растительного масла тщательно растирают с никелевым катализатором в фарфоровой ступке, и полученную смесь переносят в пробирку 1, которую закрывают пробкой со вставленными в псе двумя трубками: одна из них имеет оттянутый конец и доходит почти до дна пробирки, а ДРУ-
180
Результаты опыта	Оборудование
Последняя стадия происходит лишь в малой степени, по достаточной для обнаружения уксусной кислоты.	Раствор КМпОа (разбавленный) ; Фелипгова жидкость; Аммиачный раствор окиси серебра; Раствор лакмуса (нейтральный); Лакмусовые бумажки (синие); Стеклянная вата.
РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА
	Результаты опыта	Оборудование
	Набл юдения В начале опыта водород легко проходит через нагретое масло с катализатором, по затем масло становится более вязким, что несколько затрудняет прохождение через пего газа, Продукт реакции вместе с катализатором после охлаждения представляет собой очень Вязкую массу, которая не выливается из пробирки, как это наблюдалось с ним до проведения гидрогенизации. Отделенный от катализатора жир представляет собой почти бесцветную густую массу, заметно отличающуюся от исходного жидкого масла. Объяснение В состав жидких жиров входят остатки непредельных карбоновых кислот, а в состав твердых жиров — остатки предельных карбоновых кис-	Лабораторные принадлежности 1 штатив железный с зажимом, лапкой и кольцом; 1 асбестировапная сетка; 1 баня водяная; 1 газовая горелка (или электроплитка); 1 термометр до 300°; 1 пробирка узкая и высокая; 3 промывные склянки; 1 аппарат Киппа (заряженный для получения водорода); стеклянные трубки, согнутые под прямым углом; две — с оттянутыми концами; резиновые трубки для
181
Проведение опыта (5 мин.)
гая — короткая — служит для удаления избытка водорода. Проверяют установку па герметичность и пропускают через нее сильный ток водорода. Под пробирку подводят песчаную баню, предварительно нагретую до 260°. Спустя 20—25 мин, прекращают нагревание пробирки 1, удалив песчаную баню 2, и затем выключают ток водорода, закрыв крап 3 аппарата Киппа, Пробирку 1 отделяют от остальной установки и погружают в холодную воду. Сравнивают вязкость полученного продукта и исходного масла. Отделяют жир от катализатора; к продукту реакции прибавляют диэтилового эфира, встряхивают содержимое, нагревают па водяной бане и фильтруют. Эфирный раствор выливают па часовые стекла и дают растворителю испариться. Рядом с полученным жиром помещают каплю исходного растительного масла для сравнения.
Меры предосторожности
Прибор должен быть вполне герметичным. Поджигание избытка водорода у отверстия газоотводной трубки 4 производится только в том случае, когда из всей установки был предварительно удален воздух. Избыток водорода может быть также отведен в вытяжной шкаф.
Результаты опыта
Оборудование
лот. Превращение жидких жиров в твердые происходит посредством присоединения водорода по одной или нескольким двойным связям. Этот процесс, называемый гидрогенизацией, протекает при участии никелевого катализатора (порошка металлического никеля или соединений никеля, легко восстанавливаемых до металлического никеля, например, закиси никеля, муравьинокислого никеля и др,).
Сущность процесса гидрогенизации непредельных соединений можно выразить схемой:
- CH - СН - 4- Н2 ->
- СН2 - СН2 -
соединения частей установки;
4 пробки резиновые с двумя отверстиями;
1 фарфоровая ступка с пестиком;
1 воронка стеклянная; часовые стекла;
1 штатив с пробирками.
Реактивы и материалы
Растительное масло (рафинированное);
Никелевый катализатор;
Цинк гранулированный) ;
Серная кислота (1:5);
Серная кислота (концентрированная);
Едкое кали (раствор);
Раствор КМпО4, подкисленный серной кислотой;
Эфир диэтиловый;
Холодная вода;
Фильтровальная бумага.
№ 20. ПОЛУЧЕНИЕ
К л етч а т к а.
Искусственный шелк (X кл.)
Проведение опыта (15—20 мин.)
В небольшой стакан или широкую пробирку наливают заранее приготовленный медпоаммиачпый раствор и помещают в пего небольшой комочек ваты. Содержимое пробирки перемешивают до полного растворения ваты. Так же поступают и со следующей порцией ваты, пока не получится густая сиропообразная масса темпо-синего цвета. Полученным таким путем прядильным раствором заполняют медицинский шприц 1, конец шприца погружают в стеклянную ванночку 2 с раствором серной кислоты (1:5). При выдавливании из шприца прядильный раствор соприкасается с кислотой и коагулирует. Образующуюся нить подхватывают при помощи пинцета 3 и наматывают на стеклянную раму 4, вращая ее
вокруг металлического стержня 5 так, чтобы отдельные нити не соприкасались друг с другом. Полученный моток нитей держат несколько минут в ванночке с раствором серной кислоты (1:5) для разрушения медпоаммиачпЫ'Х комплексов целлюлозы, затем, ставшие бесцветными нити тщательно npoj мывают водопроводной, а под конец дистиллированной водой и сушат в сушильном шкафу при температуре 60 — 70°С.
184
доЕДНОАММИАЧНОГО ШЕЛКА
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения Вата довольно быстро растворяется в медноаммиачпом растворе. Прядильный раствор представляет собой сиропообразную массу темно-синего цвета с фиолетовым оттенком, Све-жеосаждеппая пить имеет голубую окраску, но под действием кислоты она обесцвечивается. После промывки водой нить представляет собой еще липкую массу, и только после высушивания она приобретает блеск и механическую прочность. Объяснение Медпоаммиачпый раствор* представляет собой комплексное соединение, состав и строение которого выражает формула: [Cu(NH8)4] (ОН)2. Этот реактив переводит целлюлозу в сложный медпоаммиачпый комплекс, образующий в воде коллоидный раствор. Полученный раствор под действием кислоты (а также щелочи и даже воды) коагулирует. При этом медпоаммиачпый комплекс целлюлозы разрушается, в результате чего выделяется целлюлоза в неизменном виде, а в раствор переходят соли меди и аммония, например, CuSO4 и (NH4)2 SO4,	Лабораторные принадлежности 1 штатив железный с зажимом и лапкой; 1 железный стержень, входящий в стеклянную трубку; 1 трубка стеклянная, изогнутая в виде рамы для наматывания нити; 1 шприц медицинский с иглой; 1 пинцет: 1 стеклянная ванночка; 1 стакан; 1 штатив с пробирками; 1 сушильный шкаф. Реактивы и материалы ЛАедноаммиачпый раствор’; Вата хлопковая; Серная кислота (1:5); Вода дистиллированная.
* Раствор этот готовят до урока, пропуская в течение нескольких часов воздух через раствор аммиака (25%-пый), содержащий медные стружки и немного зерпевой окиси меди.	
185
Получение, свойства и применение анилина. Значение работ
Н, Н, Зинина
№ 21. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ
Проведение опыта (НО мин).
1—2 мл нитробензола растворяют в этиловом спирте, К полученному раствору прибавляют 25%-ного раствора серной кислоты и заполняют приготовленным католитом 1 пространство между стеклянным и глиняным стаканом электролитической ванны 2. В глиняный стакан 3 наливают до того же уровня, что и в стеклянный сосуд 2, 15%-ный раствор серной кислоты, играющий роль анолита 4. Собрав установку согласно приведенной выше схеме, включают источник постоянного электрического тока S, подбирая сопротивление 6 так,
Рис. 21
чтобы вольтметр 7 показывал напряжение около 10 в, а амперметр 8— силу тока около 3 а. Через несколько минут берут пипеткой пробу католита 1 и прибавляют к пей крепкий свежеприготовленный и профильтрованный раствор хлорной извести. Вторую пробу испытывают хромовой смесью. Опыт заканчивается, когда взятые пробы показывают положительную реакцию па присутствие анилина.
1S6
ВОССТАНОВЛЕНИЕ НИТРОБЕНЗОЛА
Результаты опыта	Оборудование
Наблюдения После включения электрического тока происходит выделение газов: водорода па катоде, кислорода — на аноде. Внешних изменений в католите не происходит. Но испытание католита показывает, что в нем содержится анилин: с крепким раствором хлорной извести получается фиолетовое окрашивание, а с хромовой смесью— темно-зеленое, переходящее в черное. Исходный раствор нитробензола этих реакций не дает. Объяснение На свинцовом катоде в серпокислом растворе нитробензол восстанавливается до анилина, что может быть выражено схемой: 6Н+4-6е = 6[Н], C6HBNO2 +6[Н]-> нитробензол -C6H6NH2+2H2O. анилин Часть водорода выделяется в свободном виде: 2Н+ + 2е = Н2 f , что снижает выход продукта по току.	Лабораторные принадлежности 1 батарейный или большой химический стакан; 1 цилиндрический стакан из пористой глины (диафрагма); 1 свинцовая пластинка изогнутая (катод); 1 свинцовая пластинка прямая (анод); 1 вольтметр; 1 амперметр; 1 реостат; 2 выключателя; электроп ровода; источник постоянного электрического тока; 1 воронка стеклянная; 1	пипетка; 2	колбы или стакана; штатив с пробирками. Реактивы и материалы Нитробензол	(1 — 2 мл); Серная кислота (15%-ный раствор) — анолит; Серная кислота (25%-ный раствор) —для католита; Спирт этиловый; Хлорная известь; Бихромат калия; Вода; Фильтровальная бумага.
187
Общие способы выплавки металлов из руд (X кл.)
№ 22. ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Проведение опыта (1Ю мип).
Приготовляют смесь из 25 в. ч. окиси свинца и 1,5 в. ч. порошка древесного угля. Помещают эту смесь в расширенную часть 2 реакционной трубки 1. Собрав прибор согласно приведенной схеме, нагревают расширенную часть трубки пламенем горелки сначала слабо, а затем сильно. Нагревание прекращают после того, как образуется металлический свинец, а известковая вода в стакане 3 станет мутной. Тогда отнимают газоотводную трубку 4, дают реакционной трубке немного остыть, после чего высыпают ее содержимое «а асбест. Извлекают королек металла, рассматривают его внешний вид и расплющивают свинец па наковальне.
Рис. 22.
ОКИСИ СВИНЦА УГЛЕМ
Результаты опытов	Оборудование
Наблюдения	Лабораторные принадлежности
На стенках реакционной трубки 1 при нагревании появляется металлическое оеркало из расплавленного свинца. Металл собирается также па дне расширенной части трубки. Затвердевший свинец легко расплющивается. Одновременно с образованием металла известковая вода мутнеет (происходит выпадение карбоната кальция).	1 железный штатив с зажимом и лапкой; 1 реакционная трубка с шаром посредине; 1 газоотводная трубка -с пробкой; 1 пробка без отверстия (для закрывания трубки); 1 стакан;
Объяснение	1 горелка.
Восстановление окиси свинца РЬО до металлического свинца углем — слабо эндотермический процесс (Q = — 6,5 ккал па 2 моля), протекающий согласно уравнению:	Реактивы и материалы Окись свинца (порошок) ; Древесный уголь (по-
РЬО + С = 2 РЬ + СО2.	рошок); Известковая вода;
Свинец узнается по металлическому блеску, тяжести и ковкости. Двуокись углерода обнаруживается пр выпадению осадков карбоната кальция при прохождении через известковую воду:	Кусок асбеста; Молоток; Наковальня (или старый утюг и т. п.).
СО2 + Са(ОН)2 =
—СаСО3 -J' 4" Н2О-
Выплавка железа из руд.
Доменный процесс (л кл.)
№ 23. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКИСИ
Проведение опыта (10 мин.)
Рис. 23
Проверяют собранную согласно приведенному рисунку установку па герметичность. Из газометра 1 пропускают окись углерода для вытеснения из установки воздуха. Сильно нагревают реакционную трубку 2, содержащую порошок окиси железа, перемешанный со стеклянной ватой. Через несколько минут прекращают нагревание трубки 2, по продолжают пропускать слабый ток окиси углерода через трубку до полного ее охлаждения. Затем закрывают кран газометра и через установку продувают воздух для удаления оставшейся в ней окиси углерода, которая собирается в сосуде 3. Закрывают винтовым зажимом 4 сосуд 3 и отделяют от установки реакционную трубку 2. Высыпают содержимое ее в фарфоровую чашку и отделяют стеклянную вату от продукта реакции. Последний сравнивают с исходной окисью железа по цвету, магнитным свойствам и отношению к соляной кислоте.
Меры предосторожности
Необходимо обеспечить полную герметичность всех частей установки, так как попадание окиси углерода в помещение может вызвать серьезное отравление.
190
ЖЕЛЕЗА окисью углерода
Результаты опыта
Оборудование -
Наблюдения
При пропускании окиси углерода над окисью железа без нагревания реакции между этими веществами не происходит. При нагревании же реакционной трубки 2 начинается окислительно-восстановительный процесс, о чем свидетельствует появление в этой трубке вещества с другой окраской и помутнение известковой воды в третьей промывной склянке. Полученное железо— порошок темпосерого цвета—притягивается магнитом и реагирует с соляной кислотой с выделением водорода, тогда как взятая для реакции окись железа — вещество красного цвета, не обладающее магнитными свойствами и не вытесняющее из соляной кислоты водорода.
Объяснение
Взаимодействие окиси железа с окисью углерода идет по схеме:
Fe2O3 4- ЗСО г" Fe + ЗСО2.
Эта слабо экзотермическая реакция (Q = +6 ккал) является обратимой. Образование двуокиси углерода доказывается тем, что в промывной склянке 3 появляется осадок карбоната кальция:
СО2 + Са(ОН)2 - СаСОз +
4- Н2О.
В средней склянке осадок карбоната кальция не образуется, так как окись углерода очищается от примесей СО2 пропусканием смеси газов через раствор щелочи, находящийся в первой склянке:
CO24-2NaOH = Na2CO3 4- Н2О.
Лабораторные принадлежности
1 железный штатив с зажимом и лапкой;
1 реакционная трубка из тугоплавкого стекла;
1 газометр с окисью углерода;
3 промывные склянки;
1 аспиратор-газометр;
1	ванночка (или другой сосуд) для сливания воды;
1	фарфоровая чашка;
трубки стеклянные и резиновые для соединения частей установки между собой;
резиновые пробки с просверленными отверстиями;
2	винтовых зажима;
1 горелка;
1 магнит.
Реактивы и материалы
Окись железа (порошок);
Окись углерода (в газометре);
Раствор едкого натра (кон центр ированный);
Известковая вода;
Стеклянная вата;
Соляная кислота (1:1).
191
Общие способы выплавки металлов из руд (X класс) №> 24. ОБЖИГ СЕРНИ
Проведение опыта (10 мин.)
Рис. 24
Тонко измельчают в железной или фарфоровой ступке кусочек сернистого свинца (минерала галенита), помещают очень немного руды на дно пробирки 1 и закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой 2. Дно пробирки нагревают пламенем горелки, 'пропуская одновременно над нагретой рудой ток сухого кислорода из газометра. Кислород осушается, проходя через промывную склянку 3 с концентрированной серной кислотой. Образующийся сернистый газ проходит по газоотводной трубке 4 в стакан 5 с раствором лакмуса (синего цвета) илн .раствором фуксина (розового цвета). Конец обжига узнается по прекращению выделения двуокиси серы (проба с синей лакмусовой бумажкой, поднесенной Й концу газоотводной трубки 4). Прекращают нагревание пробирки и поступление в нее кислорода. После остывания содержимое пробирки высыпают в фарфоровую чашку (или на часовое стекло), а в другую такую же чашку (или .часовое стекло) помещают исходную сернистую руду для сравнения.
Пр и меча н и е. Обжиг сернистого свинца можно провести и в пробирке из обыкновенного стекла. Но для этого нужно взять минимальное количество руды, нагревание вести не особенно сильно при умеренном токе кислорода (или воздуха).
192
СТОГО СВИНЦА
	Результаты опыта	Оборудование
	Набл ю д е н и я При нагревании сернистого свинца в токе кислорода происходит сильное раскаливание реакционной смеси, Образуется вещество желтоватого цвета (окись свинца), которое может вследствие сильного разогрева расплавиться и вызвать размягчение стекла пробирки. Одновременно выделяется двуокись серы, которая проходит через водный раствор лакмуса 5, изменяет его окраску из синей в красную, а розовый раствор фуксина обесцвечивается. Объяснение Обжиг сернистого свинца—экзотермическая реакция, протекающая согласно уравнению: 2PbS 4- ЗО2 = 2РЬО 4- 2SO2. При высокой температуре обжига образуется окись свинца РЬО (глет)— наиболее устойчивое при этих условиях кислородное соединение свинца. Двуокись серы создает в водной среде кислую реакцию вследствие образования сернистой кислоты: SO2 4- Н2о = H2SO3, -H2SO3^2H+ 4- SO3~~. С фуксином двуокись серы образует бесцветное молекулярное соединение, легко разрушающееся при нагревании. Принтом выделяется двуокись серы, и раствор снова приобретает розовую окраску, обусловленную фуксином.	Лабораторные п ринадлежности 1 железный штатив с зажимом и лапкой; 1 пробирка большая с тубусом (из тугоплавкого стекла); 1	промывная склянка; 2	стакана химических; 1 газометр (с кислородом); трубки стеклянные и резиновые для соединения частей установки между собой; пробки резиновые; 1	горелка; 2	фарфоровые чашки (или два часовых стекла); 1 фарфоровая (или железная) ступка с пестиком. Реактивы и материалы Сернистый свинец (порошок) ; Кислород (в газометре); Серная кислота (концентрированная); Раствор лакмуса (синий); Раствор фуксина (разбавленный); Лакмусовые бумажки (синие).
13	Опыты по химии	193
Общие способы выплавки металлов.
Электролиз расплавов (X кл.)
№ 25. ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВ
В 17-образную трубку 1 насыпают примерно до 7з ее объема смесь порошков хлористого свинца и поваренной соли и закрывают колена трубки асбестовым картоном. Расплавляют электролит 2 и поддерживают его в жидком состоянии на протяжении всего опыта. Убирают асбестовый картон, колена 17-образной трубки 1 закрывают пробками со вставленными в них электродами: железным катодом 3 и угольным анодом 4. Электроды при помощи электропроводов присоединяют к источнику постоянного электрического тока и рёгулируют его так, чтобы сила тока составляла 4—5 а при напряжении около 15 в. К отверстию газоотводной трубки 5 подносят влажную йодкрахмальную бумажку для обнаружения хлора. Затем газоотводную трубку погружают в стакан 6 с крепким раствором щелочи (или в цилиндр для собирания газов). Через несколько минут, когда на дне (7-образной трубки соберется расплавленный металл, выключают электрический ток и прекращают нагревание. Содержимое (7-обра.зной трубки выливают в фарфоровую чашку, из которой после застывания всей массы извлекают кусочек свинца. Его очищают от соли и расплющивают на наковальне.
Меры предосторожности
Пары хлористого свинца ядовиты; поэтому нужно избегать попадания их в помещение. Расплавление электролита лучше производить под тягой.
194
ЛЕННОГО ХЛОРИСТОГО СВИНЦА
	Результаты опытов	Оборудование
	Наблюдения Смесь PbClj и NaCl плавится при сильном нагревании. При этом выделяются пары белого цвета, состоящие из кристаллов более летучего вещества—хлористого свинца. Во время электролиза катод покрывается слоем расплавленного металла, который стекает на дно (7-образной трубки 1. Одновременно из анодного пространства выделяется хлор. Извлеченный из остывшей смеси металл отличается большим удельным весом, он серого цвета, мягок и очень пластичен. Объяснение Смесь из 13 в. ч. РЬСЬ и 1 в. ч. NaCl плавится при более низкой температуре (около 400°), чем чистый хлористый свинец (около 500°). При прохождении через расплав электрического тока достаточного напряжения (около 15 в) на электродах происходят следующие электрохимические процессы: на аноде: 2С1~ —	= Cl2 f на катоде; РЬ+ + 4~ 2е = РЬ | При этих условиях ионы натрия Na+ не разряжаются, так как сродство у них к электрону меньше, чем у ионов свинца РЬ ++	Лабораторные п р ин а дл ежи ост и 1 железный штатив с зажимом, лапкой и кольцом; 1 асбестированная сетка; 1 газовая горелка; 1 (7-образная трубка с одним тубусом; 1 газоотводная трубка; 1 кусочек резиновой трубки; 1 стакан (или цилиндр) для поглощения или собирания хлора; фарфоровая	чашка (для выливания расплавленного свинца); молоток; наковальня (старый утюг и т. п.); тигельные щипцы; 1 угольный стержень или гвоздь (анод); 1	железный стержень (катод); 2	корковые пробки с отверстиями (для анода и катода); 1 вольтметр; электропровода; 1	амперметр; 11	реостат; источник постоянного электрического тока. Реактивы и материалы Смесь порошков PbCU и NaCl (13 в. ч. и 1 в. ч.); йодкрахмальная бумажка; Раствор едкого натра (концентрированный); асбестовый картон.
Общие способы получения металлов.
Электролиз растворов (IX и X кл,)
№ 26, ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ
Проведение опыта (3—5 мии.)
Рис. 26
К собранной по приведенному рисунку установке подключают источник постоянного электрического тока, регулируя его так, чтобы напряжение составляло около 2 в при небольшой плотности тока (около ’До а па 1 см2). Опыт можно закончить, когда угольный катод 1 покроется хорошо видным слоем меди вследствие частичного растворения анода 3. Так как электролит приобретает еле заметную зеленую окраску, то берут из электролитической ванны 2 пипеткой его пробу в пробирку, куда приливают крепкого раствора щелочи. После нейтрализации серной кислоты выпадает осадок гидрата закиси никеля светло-зеленого цвета. Окраска становится более интенсивной, если к выпавшему осадку прилить раствор аммиака: осадок растворяется с образованием раствора темно-синего цвета. Аналогичные опыты проделывают с готовым раствором сернокислого никеля. Собирают в пробирке 4 газ, выделяющийся через газоотводную трубку 5 и испытывают его на горючесть.
196
РАФИНИРОВАНИЕ МЕДИ
Результаты опыта
Оборудование
Набл годепия
Вскоре после включения электрического тока угольной катод 2 покрывается слоем меди красного цвета. Одновременно через трубку 5 выделяется водород. Раствор постепенно приобретает зеленоватую окраску (от присутствия в нем ионов никеля Ni++). Анод (например, «серебрян-ная» монета) в результате электролиза оказывается заметно разъединенным с той стороны, которая была обращена к катоду.
Объяснение
В водном растворе серная кислота диссоциирует на ионы:
H2SO4Z±2H+ + SO4
При пропускании через электролит электрического тока происходят следующие электродные процессы: на аноде (состоящем из сплава меди с никелем):
Си — 2е = Си+ +, Ni - 2e = Ni++; па катоде (угольном):
Си++4-2е=Си|
2Н+ + 2е = H2 f
Ионы никеля при этих условиях не разряжаются в соответствии с положением этого металла в электрохимическом ряду — левее водорода. Таким образом в растворе накапливаются ионы Ni++, что доказывается качественными реакциями (образование Ni(0H)2, комплексного иона
[Ni(NH3)J+ + и NiSO4-7H2O при упаривании раствора с последующей кристаллизацией никелевого купороса).
Лабораторные принадлежности
1 железный штатив с зажимом и лапкой;
1 широкая трубка (или ламповое стекло);
1	угольный стержень (анод);
2	резиновые пробки (для закрывания трубки и укрепления электродов);
1 короткая стеклянная трубка;
1 пипетка;
штатив с пробирками;
1 вольтметр;
1 амперметр;
1 реостат;
электропровода;
источник постоянного электрического тока.
Реактивы и материалы
Серная кислота (20%-ный раствор);
Сплав меди с никелем («серебряная» монета, пластинка из «нейзильбера» и т. п_);
Раствор едкого натра (концентрированный);
Раствор аммиака:
Раствор сернокислого никеля;
Лучинка,
197
Общие способы получения металлов.
Электролиз водных растворов.
Гидроэлектрометаллургия (IX и X кл.)
№ 27. ПОЛУЧЕНИЕ ЦИНКА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ ВОДНОГО
Проведение опыта (10 мин).
Рис. fl
В стакан 1 наливают 10%-ного раствора сернокислого цинка, закрывают его крышкой 2 с укрепленными на ней при помощи пробок 3 электродами,- алюминиевым катодом 4 и угольным анодом 5. Последние присоединяют к источнику постоянного электрического тока так, чтобы угольный стержень 5 был в качестве анода, а алюминиевая пластинка 4 служила катодом, Регулируют сопротивление так, чтобы напряжение достигало 10 в, а сила тока--около 1,5 а.
Опыт заканчивается, когда будут хорошо видны оседающие на катоде кристаллы цинка и когда они вновь растворяются в электролите при выпадении в осадок с выделением газообразного водорода. Из отверстия 6 в крышке 2 берут пробу электролита и прибавляют ее в раствор синего лакмуса.
198
РАСТВОРА СЕРНОКИСЛОГО ЦИНКА
Результаты опыта	Оборудование
Набл юде и и я
включения электрического поверхности катода, повер-аноду, начинают оседать кристаллики цинка, по-
разрастающиеся в глубь Как только
После тока на нутой к игольчатые степенно электролита. Как только пинковые кристаллы достигают анода, ток прерывается. Кристаллы пинка, опавшие на дно электролитической ванны, растворяются в электролите с выделением газа (водорода). На аноде выделяется кислород, частично -разрушающий угольный стержень. Электролит показывает сильно кислую реакцию на лакмус.
Лабораторные принадлежности
Объяснение
сернокислого рав-
Zn+ + + S04-- и
В водном растворе цинка имеют место следующие човесные состояния:
ZnSO4
2H2OZt2H++ 201Г.
При прохождении через такой раствор постоянного электрического тока на электродах происходит разрядка ионов Zn ++ и ионов ОН— ;—на катоде: Zn + + + 2е = Zn |, — на аноде:
2 ОН- - 2е = Н20 + V2 02 f
Скапливающиеся в электролите ионы водорода Н + создают в нем кислую реакцию. Но выделившийся на катоде цинк не растворяется в кислой среде. Опадающие же на дно ванны кристаллики цинка частично растворяются в кислоте; выделяется водород
1 -химический или батарейный стакан емкостью в 1 л,
1 деревянная крышка с тремя отверстиями;
1 угольный стержень (анод);
1 алюминиевая пластинка (катод);
2 НИЯ
1
1
1
пробки для укрепле-электродов;
вольтметр;
амперметр;
реостат;
электропроводы.
Реактивы и материалы
Раствор (10%-ный)
Zn S04;
Раствор лакмуса (синий) .
199
Общие способы выплавки металлов Алюминий. Алюмотермия (X кл.)
№ 28. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Проведение опыта (10 мин.).
Рис. 28
На стол ставят большой железный противеггь t, посредине которого находится железный штатив 2, и насыпают в противень сплошным слоем сухой песок. Приготовляют из жести или асбестового картона небольшой «фунтик» 3 и насыпают в него до 3/а объема термитную смесь 4. В середипу «фунтика» вставляют кусок ленты магния 5 и посыпают всю поверхность зажигательной смесью, а вокруг ленты магния делают из нее небольшую возвышенность 6. С помощью лучинки поджигают ленту магния и ждут, пока закончится реакция и остынут образовавшиеся продукты. Извлекают из «фунтика» (или из песка на противне) образовавшийся металл. Очищают его поверхность напильником. Испытывают твердость полученного сплава, а также твердость шлака (АЬОз), нанося им царапины на куске стекла.
Меры предосторожности
Необходимо следить, чтобы искры и брызги металла не попадали иа людей и на окружающие предметы. Кроме противня с сухим песком, при выполнении данного опыта нужно поставить предохранительное стекло для защиты учащихся, а учителю нужно надеть предохранительные очки.
200
АЛЮМОТЁРМИЧЕСКЙМ
МЕТОДОМ
Результаты опытов
Оборудование
Наблюдения
Реакция протекает сравнительно умеренно. Образовавшийся расплавленный металл выливается на песок или частично остается на «фуатике» и застывает. Сплав марганца с хромом отличается большой твердостью: он царапает стекло, с трудом поддается о-бработке напильником. Шлак представляющий собой окись алюминия АЬОз, обладает еще большей твердостью — он легко оставляет царапины на стекле, подобно корунду— природной разновидности АкОз.
Объяснение
Взаимодействие алюминия с окис-лами многих металлов — сильно экзотермическая реакция, в результате которой восстанавливается тот или иной металл, а алюминий окисляется до окиси алюминия. В общем виде уравнение реакции получения металлов алюмотермическим способом может быть представлено в следующем виде:
1 мсо„
2/?	3	6
4 — Мс + х ккал.
2п
Лабораторные п рии адл еж и ости
1 штатив железный с зажимом и лапкой; -
1 железный. противень; защитное стекло;
предохранительные очки.
Реактивы и материалы
термитная смесь:
порошки AI, СгаОз п МпОз в весовом отношении 1 :1,6; 1,3;
зажигательная смесь:
1 в. ч. перекиси бария и I в. ч. порошка магния;
лента магния;
кусок жести или асбестового картона (для изготовления «фунтика»);
сухой песок;
напильник;
кусок окопного стекла; лучинка длинная.
201
Приложение 1
ТИПОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ
Оборудование, необходимое для выполнения описанных выше демонстрационных опытов, в основном приведено в «Списке типового учебного оборудования для средней школы» (М., Учпедгиз, 1956). Некоторое оборудование, как, например, электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр и др.) значится в «Обязательных списках» по разделу физики и должно находиться в физических кабинетах. Поэтому нет никакой необходимости перечислять все оборудование для опытов. Вместе с тем полезно обратит!, внимание на некоторые существенные детали в оборудовании для демонстрационных опытов производственного характера, которые опущены или недостаточно подробно' отражены в «Обязательном списке». К таким деталям относятся, в частности, реакционные трубки из стекла, фарфора и железа разных диаметров, способные выдерживать достаточно сильный нагрев, и различные поглотительные устройства для газов; промывные склянки и поглотительные колонки (рис. 1 и 2). Необходимо также выделить нагревательные и измерительные приборы, поскольку они играют особо важную роль при выполнении многих демонстрационных опытов (рис. 3, 4, 5, 6).
Все установки могут быть легко смонтированы при условии наличия в школе нужных составных частей — «узлов» (реакционные трубки, промывные склянки, поглотительные колонки, измерительные приборы и т. д.)_ Они применяются не только для выполнения какого-нибудь одного опыта, но обслуживают многие установки, в которых совершаются аналогичные процессы. Однако весьма желательно иметь готовые установки для выполнения некоторых опытов.
Конечно, в собранном виде нет необходимости сохранять всю установку. Достаточно иметь наготове лишь ее главную, характерную часть. Например, для получения синтетической соляной кислоты достаточно иметь в готовом виде горелку и камеру для сжигания водорода в хлоре и собирания образующегося хлористого водорода. Все же остальные приспособления (приборы для получения водорода и хлора, промывные склянки, поглотительная колонка с капельной воронкой, сборник образовавшейся соляной кислоты) могут быть легко присоединены к основной части. Это диктуется ограниченностью школьного оборудования и недостатком места для его хранения. Кроме того, сам процесс монтажа установки, к которому обычно привлекаются учащиеся, имеет определенную учебно-воспитательную ценность, способствуя также дальнейшему совершенствованию самого прибора.
202
Список наиболее важного оборудования
№ п/п	Наименование	Размер и вид	Количество
	Л. Лабораторные принадлежности		
1	Бани песчаные		1—2 л	1
2	Колбы перегонные Вюрца		250 мл	4
3		500 „	2
4	Колбы конические . 			500 ,	5
5	Лодочки фарфоровые для сжигания	обыкнов.	2
6	Поглотительные колонки		—	6
7	Пробирки с тубусом		длина 18 см	10
8	Склянки промывные . 			разные	10
9	„ двугорлые	  .	200 мл	8
10	и трехгорлые 		200 „	3
11	Стаканы керамические		—	3
12	, батарейные		1000 мл	2
13	„ химические 			разные	5
14	Тигли фарфоровые		5 мл и 50 мл	2
15	„ железные ...... - . . .	50 мл	2
16	Трубки стеклянные с краном1 . . .	диам. 0,5 см	3
17	„ стеклянные тугоплавкие . .	. 1,5-2 .	5
18	И	И	U	•	•	„	3-4 ,	3
19	„ фарфоровые 		. 1-1.5 ,	2
20		.	3-4 ,	2
21	„ железные прямые		„ 1.5—2 ,	4
22	„ хлоркальциевые с 1 шаром	—	5
23	„ изогнутые под прямым углом	„	1,5—2 с м	2
24	Трубки (/-образные обыкновенные .	. 1—1,5.	6
25	.	.	„	с одним тубусом	. 1—1,5 „	2
26	„	„с двумя тубусами	. 1-1,5 „	4
27	Тройники обыкновенные 		0,5 ,	2
28	Тройники с краном 		»	0,5 „	1
	Б. Вспомогательные		
	приборы, приспособления		
*	и некоторые „узлы”		
1	Аккумуляторы 		свинцовые или	
		щелочные	2
2	Амперметр			1
3	Аппараты Киппа		малые	3
4	Аспираторы				2
5	Водоструйный насос			1
6	Вольтметр 			1
7	1 азометры		малые	4
1 Длина этих трубок £5—30 и 35—40 см
203
№ и/п	Наименование	Размер и вид	Количество
8	Дефлегматоры 			2
9	Реакционные трубки с внешним		
	электронагревом 			2
10	Реакц. трубки с внутренним эле-		
11	ктронагревом	 Реакц. трубки с электронагревом		2
	в	в	спиралью			2
12	Печь муфельная (тигельная) ....		1
13	Жаровни или „горн-очаг“			2
14	Пинцет			I
15	Спирали для электроплиток ....		2
16	Реостат	.	.		1
17	Термоскопы			2
18	Термопары 			2
19	Шприц медицинский			1
Приложение II
РЕАКТИВЫ И МАТЕРИАЛЫ!
№ н/п	Название веществ	Количество
1	Альдегид уксусный (образец)		10-20 г
2	Алюминий порошок		10 .
3	„ стружка		10 .
4	„ пластинки (электроды) ....	2 шт.
5	, окись (катализатор) .....	5 г
6	Аммиак (раствор 25% )		500 ,
7	Аммоний хлористый	. 		100 ,
8	„ азотнокислый (образец) .....	50 ,
9	„ сернокислый (образец) ....	50 ,
10	Аммоний двухромовокислый 		20 ,
11	„ ванадиевокислый		2 „
12	Анилин (образец) .			ю .
13	Асбест (картон и вата)		10;» „
14	Барий перекись 		10 ,
15	Барий хлористый		10 ,
16	Бромная вода 		10 мл
17	Бумага фильтровальная . 			1 лист
18	Бумага иодкрахмальная		1 книжечка
19	Бумага лакмусовая (синяя и красная) . .	2 книжечки
20	Вата хлопковая		1 пачка
21	Дистиллированая вода		500 мл
22	Гипс жженый (в порошке)		100 г
23	Графит искусственный в палочках (эле-	
	кгроды) . -	.			4—6 шт.
24	Деготь каменноугольный (образец) ....	50 г
25	Дифениламин .			2 „
26	Древесина (опилки, лучинки)	....	50 „
27	Железо восстановленное (порошок)	20 „
28	„ церистое (кремни для зажигалок)	2—3 шт.
29	„ опилки 	 .	20 г
80	Проволока, жесть		100 „
31	Железо окись		50 „
32	м гидрат окиси 	 .	50 „
33	„ сернистое (закисное)		юо „
34	„ хлорное 		ю ,
1 В список включены все реактивы и материалы, необходимые для выполнения описанных в основном тексте опытов. Количества реактивов и материалов указаны приблизительно, так как они зависят от размеров установок и выбора варианта опыта. Отмечены также важнейшие продукты и полупродукты разбираемых реакций; Они выставляются на демонстрационном столе как образцы для сравнения с получаемыми веществами на уроке.
205
№ п/п	Название веществ	Количество
35	Известь натровая		50 .
36	„ гашеная		50 „
37	„ хлорная 		20 „
38	Известковая вода 		200 мл
39	Калий гидрат окиси (едкое кали) ....	100 г
40	„ двухромовокислый 		100 ,
41	„ марганцевокислый		100 ,
42	„ йодистый		10 „
43	Кальций окись (негашеная известь) . . .	100 ,
44	Кальций карбид 		100 ,
45	Керосин (очищенный)		50 мл
46	Кирпич красный		кусочек
47	Кислота азотная (уд. в. 1,4)		50 г
48	, серная (уд. в. 1,84)		1 кг
49	„ соляная (уд. в. 1,19)		200 г
50	„ муравьиная 		100 .
51	„ уксусная (8О°/о)		50 »
52	„ щавелевая		100 ,
51	Коллодий		10 .
54	Лакмус (нейтрального раствора)		50 мл
55	Магний (порошок)		1 г
56	Магний (лента) 			1 круг
57	Мазут		50 г
58	Масло хлопковое (подсолнечное или льня-	
	ное)		20 »
59	Медь металлическая (стружка, проволока,	
	пластинка) 		100 ,
60	Медь окись (зерненая) 			20 ,
61	»	„ (порошок)		20 »
62	Медь сернокислая		100 ,
63	Марганец двуокись		10 ,
64	Мрамор 			500 ,
65	Менделеевская замазка		50 ,
66	Натрий гидрат окиси 			400 „
67	„ азотистокислый 		50 „
68	„ сернистокислый		200 .
69	, углекислый (образец)		20 ,
70	„ натрий хлористый 		500 „
71	„ кремнистый 		50 »
72	Нейзильбер (сплав меди с никелем) анод	1 пластинка
73	Нефть сырая 		200 г
74	Никель металлический —проволока, жесть	
		1 шт.
75	Никель сернокислый		50 г
76	„ азотнокислый		50 »
77	„ углекислый	-	20 »
78	Нитробензол				10 ,
?об
№ п/п	Название веществ	Количество
79	Олово хлористое 		20 г
80	Парафин 		50 „
81	Песок сухой (кварцевый)		2 кг
82	Пирит		50 г
83	Ртуть металлическая 		20—10 ,
84	„ окись 		10 .
85	Сера черенковая или комовая 		20 .
86	Свинец металлический в пластинках . . .	2 шт. по 100 г
87	. окись 		20 г
88	„ азотнокислый			10 ,
89	„ уксуснокислый		10 „
90	» хлористый (кристаллический) . .	100 ,
91	„ сернистый 		10 ,
92	Серебро азотнокислое 		1 ,
93	Спирт этиловый		50 „
94	Стеклянная вата		50 ,
95	Соль поваренная		500 ,
96	Соль сегнетовая		ю „
97	Термит 		100 „
98	Уголь древесный		50 ,
99	Уголь каменный (жирный)		юо „
100	Уголь бурый		100 ,
101	Фелингова жидкость		50 мл
102	Фенолфталеин		1 г
103	Фуксин 		0,1 „
104	Хром окись		10 „
105	Эфир диэтиловый		50 мл
106	Целлюлоза (вата, лилит)		20 г
107	Цинк металлический гранулированный . .	200 .
108	Цинк сернокислый		50 .
ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ УЧИТЕЛЯ1
Антоновская Р. Я. Реакция алюмометрии, «Химия в школе», 1954 г., № 2,
Б а т (о к В. П. Внеклассные опыты по химии. (Получение соляной кислоты взаимодействием хлора и паров воды, металлического натрия и др.) «Химия в школе», 1955 г., № $.
Беженцев М. Б.* Техника и методика лекционного эксперимента по курсу химии, ОПТИ КТП СССР, 1938.
Брокман К-* Электрохимия органических соединений. (Процессы электрического окисления и восстановления.) Л., Химтеорет-издат, 1937.
Буткевич Г. А. Предупреждение взрывов при опытах с горючими газами, «Химия в школе», 1939 г., № 2.
Вальдштейп Л. И. Ознакомление учащихся с успехами и задачами химизации народного хозяйства СССР, «Известия АПН РСФСР», 1951, вьш. 31.
Валиков Ф. А. Образование окиси углерода при горении угля, «Химия в школе», 1954 г., № 1.
Вальков Ф. А. Несколько опытов получения металлов, «Химия в школе», 1954 г., № 6, стр. 65.
Васильев С. В. Получение некоторых веществ электролизом, «Химия в школе», 1051 г., № 1.
Васильев С. В.* Химические опыты с применением электрического опыта. Руководство по внеклассной работе, М., Учпедгиз, 1956.
Верховский В. Н.* Техника и методика химического эксперимента в школе, т. 1 и II, Л., Учпедгиз, 1947 и 1949.
Вер-ховский В. Н. Техника безопасности при работах в химической лаборатории, «Химия в школе». 1940 г., № 1.
Вольфович С. И, Егоров А. П., Эпштейн Д. А.* Об
1 Звездочкой (*) отмечены отдельные издания-
208
щая химическая технология, под ред. С. И. Вольфовича, т. I, М.— Л., Госхимиздат, 1953.
Воскресенский П. И.* Техника лабораторных работ (по химии), изд. 4, рассмотр. и переработ, Госхимиздат, 1947.
Глориозов П. Л. Демонстрирование опытов учащимися. Методический сборник «Химия в школе», вып. Ill, 1948 г., стр. 115.
Глориозов П. Л., Сморгонский Л. И.* Практические занятия по химии в средней школе (педагогическая библиотека учителя). М., изд-во АПН РСФСР, 1955.
Гостев М. М. * Химический завод на столе, М., ОНТИ, 1036.
Гостев М. М.* Самодельные приборы и пособия по химии, под ред. К- Я. Парменова. М., изд-во АПН РСФСР, 1950.
Грабецкий Л. Л., Осипов Л. Л. Несколько демонстрационных опытов, связанных с изучением основ -химического производства, «Химия в школе», 1954 г., № 1.
Грабецкий Л. Л., Цветков Л. Л. Школьные опыты по химической переработке жиров и углеродов, «Химия в школе», 1954 г., № 4.
Грабецкий Л. Л., Парменов К- Я.* Учебное оборудование по химии для средней школы, М., изд-во АПН РСФСР, 1955.
Грабецкий Л. Л., Тетерин М. Л. Использование электроспирали для нагревания реагирующих веществ, «Химия в школе», 1956 г-, № 1.
Григориади П. К- Электролиз с ртутным катодом, «Химия в школе», 1952 г., № 1.
Григори-ади П. К- Прибор для получения ацетилена, «Химия в школе», 1956 г-, № 6.
Добржанекий Л. Е.* Аннотация фрагментов научно-популярного киножурнала «Наука и техника» (1940—1951), М, нзд-во «Советская наука», 1952.
Д р а н и ц ы н а В. Б., Малиновский В. С. Демонстрация в школе поглощения газов по способу противотока, «Химия в школ.е», 1954 г., № 5.
Жерехов Г. И* Демонстрация принципов действия технических установок, М., Учпедгиз, 1954.
Зонис С. Л., Мазуров С. В.* Лекционные опыты и демонстрационные материалы по органической химии, под ред. проф. Б. П. Долгова, М., Госхимиздат, 1956.
Егоров Л. П., Шерешевский Л. И., Ш м а н е н-к о в И. В.* Общая химическая технология неорганических веществ, изд. 3, перераб., М., Го-стехиздат, 1955.
1 Звездочкой (*) отмечены отдельные издания.
14 Опыты по' химии	209
Егоркин В. Ф., Кирюшкин Д. М„ Полосин В. С.* Внеклассные практические занятия по химии. Руководство для учащихся средней школы, М., Учпедгиз, 1956.
Каблуков И. А. (акад.). К вопросу о роли и постановке опытов при прохождении химии, «Химия в школе», 1938 г., К» 3.
Казарновский С. Н., Кузнецов Л. А.* Синтетическая уксусная кислота, М.—Л., Госхимиздат, 1946.
Кирюшкин Д. М. К методике демонстрационных опытов по химии, «Химия в школе», 11955 г., № 2.
Ключников Н. Г. Руководство по неорганическому синтезу, М.—Л., Госхимиздат, 11953.
Ключников Н. Г.* Алюмотермическое получение металлов и сплавов, «Химия в школе», 1954 г., № 6.
Ключников Н. Г. О восстановлении окислов водорода и о химической прочности окислов, «Химия в -школе», 1955 г., Хе 5.
Ко ж и ко в А. П. Аппарат для получения соляной кислоты, аммиака и других водных растворов газов, «Химия в школе», 11955 г., Хе И.
Кривонос Ф. Ф., Денисов А. А. Синтез гексахлорана в химическом кружке, «Химия в школе», 1956 г., Кв 6.
К о п ы л е в Б. А., Сычев М. М., Т р а б е р Д.* Руководство к практическим занятиям по общей химической технологии, М.—Л., Госхимиздат, 1953.
Кучеренко Н. И. Действующие модели химических установок, «Химия в школе», 1956 г., № 1.
Ларионов А. С., Мысовская Е. Н., Рахматуллин А. Т. Простейший прибор для демонстрации крекинга нефтепродуктов, «Химия в школе», 1954 г., № 5.
Малиновский В. С., Р ю х и н а Т. П. Демонстрация в школе применения адсорбции в промышленности, «Химия в школе», 1955 г.
Молдавер Т. И. Гальванические покрытия металлов, «Химия в школе», 1955 г., Кв 2.
Можей П. Д. Несколько демонстрационных опытов по химии неметаллов, «Химия в школе», 1951 г.. Ле 2.
Можей П. Д. Демонстрационный опыт получения соляной кислоты синтетическим способом, «Химия в школе», 1955 г., Хе 5.
Мясоедова Т. Г. Опыты по гальваническому покрытию металлов, «Химия в школе», 1956 г., Х° 6.
Несина К. П. Прибор для получения щелочей калия и натрия, «Химия в школе», 1955 г., № 5.
Новиков И. А. Прибор для электролиза водного раствора поваренной соли, «Химия в школе», 1956 г.. Хв 6.
210
Овчинников Е. Н. Прибор для демонстрации окисления аммиака, «Химия в школе», 1940 г., Хе 3.
Овчинников Е. Н. Школьный горн-очаг, «Химия в школе», 1953 г., Хе 5, стр. 63.
О с и н о в Л. Л. Методика ознакомления учащихся с производством натрия и едкого натра, «Химия в школе», 1956 г., № 5.
Павлов Б. А., Соловьева Л. С.* Технология неорганических веществ. Пособие для учителей средней школы, под ред. проф. П. М. Лукьянова. М_, Учпедгиз, 1954.
Парменов К. Я.* Демонстрационный химический эксперимент, М., изд-во АПП РСФСР, 1954.
Парменов К- Я- Демонстрационные опыты по химии. Методический сборник «Химия в школе», вып. II, 1945 г., стр. 82.
Парменов К- Я.* Опыты с электрическим током по химии в средней школе, изд. 2, М., Учпедгиз, 1048.
Парменов К- Я. О работе над учебно-наглядными пособиями и оборудованием, «Советская педагогика», 1949 г., Хе 1.
Парменов К. Я. Самодельные приборы для уяснения принципа электроочистки. Методический сборник «Химия в школе», вып. III, 1948 г., стр. 166.
Парменов К- Я- Как организовать занятия по химии в средней школе без вытяжного шкафа. Методический сборник «Химия в школе», вып. I, 1049 г., стр. 48.
Полосин В. Л. * Лекционные опыты по общей химии, М.—Л., Госхимиздат, 1950.
Полосин В. С.* Лабораторный опыт гидратации ацетилена, «Химия в школе», 1951 г. Хе 5.
Полосин В. С. Электролиз воды, «Химия в школе», 1953, Хе 3.
Полосин В. С. Демонстрация синтеза аммиака из атмосферного азота, «Химия в школе», 1955, Хе 6 (см. еще Хе 2, 1957).
Производственные экскурсии по химии в школе*. Сборник статей из опыта учителей, под ред. Л. А. Цветкова, М„ Учпедгиз, 1953.
Полякова В. А. Урок на тему «Синтез аммиака» с использованием производственных моделей, «Химия в школе», 1954 г., № 4.
Полякова В. А. Уроки па тему «Производство уксусной кислоты, «Химия в школе», 1956 г., Х° 5.
Пятницкий М. М., Попов П. С. Демонстрация реакции М. Г. Кучерова, «Химия в школе», 1951 г., Хе 6.
Рейнбольдт Г.* Техника химического демонстрационного эксперимента, М_, ОНТИ, 1935.
И*	2П
Рогожин Б. Я- Искусственные и синтетические волокна, «Химия в школе», 1954 г., № 1.
Руне Г.* Лекционные опыты по органической-химии. Перевод, переработ. и дополн. проф. В. Л. Измаильским, М., 1936.
Ряузов Л. И., Груздев В. Л., Артеменко М. А.* Технология искусственных волокон. Гостехлегпром, 1952.
Савич Т. 3. Методика изучения производства серной кислоты в VIII классе, «Химия в школе», 1952 г., № 1.
Сафонова И. Н. О некоторых условиях эффективности школьного химического эксперимента. Методический сборник «Химия в школе», выи. III, 1948 г., стр. 139.
Севрюков Н. Н., Кузьмин Б. Л., Чилинцев Е. В. Общая металлургия, М„ Гостехиздат, 1964.
Селиванов ДА. П.* Безопасность работ в химических лабораториях, М., Медгиз, 1954.
Скребков К- Ф- Демонстрация принципа противотока нри получении соляной кислоты, «Химия в школе», 1954 г.. № 1.
Соколов И. С. Школьная модель электропечи, «Химия в школе», 1941 г„ № 3.
Список типового учебного оборудования для средней школ ы*, М., Учпедгиз, 1956.
Список научи о-п опулярных, документально-х р о н и к а л ь н ы-х и учебно-технических фильмов, М., изд-во Московской городской конторы Главкинопроката, 1953.
Справочник но химии для учителей средней школы. Составил П. П. Коржев, изд. ,3, переработ. М., Учпедгиз, 1954.
Степанова О. С. Гидрогенизационные процессы в промышленности, «Химия в школе», 1953 г., № 6.
Стышнов А. И. Использование дымохода печи в качестве вытяжного шкафа, «Химия в школе», 1953 г., № 5.
Сударев М. П. Демонстрационные опыты по химии (металлы и сплавы). Методический сборник «Химин в школе», вып. III, 1948 г., стр. 153.
Троицкий С. В. Действующая модель получения синтетической соляной кислоты, «Химия в школе», 1955 г.,	5.
Туры ш ев И. К- Простые опыты по применению электролиза в технике, «Химия в школе», 1957, № 1.
Тэмп А. Н. Усовершенствованный прибор для сухой перегонки дерева, «Химия в школе», 1954 г., А° 3.
Тэмп А. Н, Тэмп В. В. Опыты разложения известняка на уроках химии, «Химия в школе», 1956 г., № 6.
У г р ю м о в П. Г. *. Органический синтез в промышленности. Пособие для учителей, М., Учпедгиз, 1955-212
Угрюмо в П. Г. Газификация твердого топлива, «Химия в школе», 1955 г., Л"° 2.
Учебные кинофильмы и аппаратура*. Каталог-справочник. Министерство просвещения РСФСР, Главснабпром 1950.
Федосеев П. Н., Л а г о ш н а я Р. М. Простейшие демонстрационные опыты по гетерогенному катализу. Методический сборник «Химия в школе», вын. IV, стр. 337.
Федосеев П. Н. Каталитическое окисление аммиака и этилового спирта, «Химия в школе», 1952 г., № 2.
Федосеев П. Н. Простые приборы для химических опытов, «Химия в школе», 1055 г., № 2.
Фельдт В. В. Эксперимент как основа преподавания химии в средней школе. Методический сборник «Химия в школе», вып. I, 1944 г., стр. 3.
Фельдт В. В.* Техника и методика химического эксперимента в средней школе. Руководство для студентов пединститутов, М„ Учпедгиз, 1949.
Фельдт В. В. Подготовка учащихся к практической деятельности в процессе преподавания химии, изд-во АПН РСФСР, 1950.
Кинофильм на уроках химии, «Химия в школе», 1952 г.; № 2.
Чендров А. Д. Опыты для демонстрации условий течения химической реакции окислением аммиака, «Химия в школе», 1956 г., № 3.
Чендров А. Д. Прибор для демонстрации ускорения химических реакций, «Химия в школе», 1956 г., № 1.
Черняк Ч. А. Жаровня в качестве нагревательного прибора. Методический сборник, «Химия в школе», вып. III, 1948. стр. 172.
Цветков Л. А.* Эксперимент по органической химии в средней школе. Техника и методика. Пособие для учителей, М., Учпедгиз, изд. 2, переработ., 1954.
Цветков Л. А. Химические опыты при изучении каучука и нефти, «Химия в школе», 1953 г„ № 6.
Цейтлин Н. Е. Советы' -по изготовлению учебных пособий и инвентаря. Пособие для учителя, М., Учпедгиз, 1948.
Шам щурин А. А. Получение синтетических смол и пластмасс, «Химия в школе», 1951 г., № 1.
Шаповаленко С. Г., Эпштейн Д. А., Цветков Л. А., Глориозов П„ А.* Вопросы политехнического обучения в преподавании химии, М„ Учпедгиз, 1954.
213
Шапойал ей к о С. Г.* Об изученйи Основ современной химической индустрии в средней школе. Из опыта работы городских и сельских школ. Сб. «Политехническое обучение в средней школе», М., изд-во АПН РСФСР, 1956.
Шахов Г. А. Металлургия. Общий курс, М., Металлургиздат, 1948.
Шмароков Г. Е. Демонстрационные опыты получения серной кислоты, «Химия в школе», 1952 г., № 5.
Шостаковский М. Ф. и Кононов Н. Ф. Производство уксусной кислоты, «Химия в школе», 1954 г., № 6.
Эпштейн Д. Л.* Научные основы химического производства, вып. I, М., изд-во АПН РСФСР, 1952.
Эпштейн Д. А.*, Шурхин С. Л. Учебные модели заводских химических установок, М., Учпедгиз, 1953,
Эпштейн Д. А. Основы химической технологии, М., изд-во АПН РСФСР, 1957.
Эпштейн Д. Л., Грабецкий Л. А., Осипов Л. А-, Шурхин С. Л. Опыты и наглядные пособия для ознакомления учащихся с производством синтетического аммиака и азотной кислоты, «Химия в школе», 1054 г., № 2.
Юрков Г. К. Применение проекционного фонаря для демонстрации химических опытов, «Химия в школе», 1941 г., № 2.
Arthur Р.* Lecture Demonstrations in General Chemistry, London, 1935.
Stapf H.* Chemische Versuche im Unterricht. Teil I, 11, III, Berlin—Leipzig, 1953, 1955.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Некоторые вопросы методики демонстрационных опытов 3
Получение водорода железопаровым	способом	... 20
Разложение углекислого кальция.........................23
Получение соляной кислоты синтетическим способом .	27
Полученйе серной кислоты контактным	способом	.	.33
Синтез аммиака нз элементов............................42
Получение азотной кислоты окислением аммиака .	. 52
Получение аммиачной селитры ....	.	. 59
Получение соды аммиачным способом .	.	.	.	.	.	62
Получение водорода и кислорода электролизом воды .	. 66
Электролиз раствора хлористого натрия в приборе с твердым катодом............................................ .	69
Электролиз раствора хлористого натрия в приборе с ртутным катодом...........................................76
Получение генераторного (воздушного) газа .	.	81
Получение водяного газа ......... 86
Термическая переработка древесины......................89
Термическая переработка каменного угля ...	92
Крекинг нефтепродуктов ............................... 95
Получение уксусной кислоты синтетическим способом .	. 99
Гидрогенезация масла..................................106
Получение искусственного (медноаммиачного) волокна 109
Электролитическое восстановление нитробензола .	.111
Восстановление окислов металлов углем ............... 113
Восстановление окислов металлов окисью углерода .	.115
Обжиг сернистых руд.................................  120
Электролиз расплавленного хлористого свинца .	.121
Электролитическое рафинирование меди..................124
Получение металлов электролизом растворов их солей 125
Получение металлов алюмотермическим способом .	.	.128
Карточки демонстрационных опытов	... 132
Приложения
1. Типовое оборудование для проведения опытов .	. 202
11. Реактивы и материалы ...... 205
Литература для учителя .	......... 208
Александр Антонович Грабецкий ОПЫТЫ ПО ХИМИИ Редактор Г, Г. Гуськов Техн, редактор В. В. Тарасова Корректор 3. А. Олыианная
Сдано в набор 24/XII 1056 г. Подписано к печати 23/IV 1957 г. Формат 84ХЮ8'/з2 бум. л, 3,38 печ. л. 11,17 Уч.-изд. л. 11,18 Л 04054	Тираж 26 000
Изд-во ЛПН РСФСР, Москва, Погодинская ул., 8. Зак. 1116 Типография изд-ва ЛПН РСФСР, Москва, Лобковский „ер., 5/16. Цепа 4 руб.
ОПЕЧАТКИ
К книге А. А. Грабецкого „Опыты по химии11
Стр.	Строка		I Спечатано	Следует читать
	сверху	снизу		
26	8		ч расход	распад
33		4	бисульфата	бисульфита
48		4	сжатием	сжиганием
84		4	СаСО2	СаСО3
106	7-8		уксусный	уксуснокислый
117	13-14		Fe2O3 + CO =	Fe2O3 + ЗСО =
			= Fe 4 СО2	= 2Fe + ЗСО2
117	26		+ СО	4 4СО
147	21 левый столбец		NO4 С2О2 = = 2NO2	NO 4- *, 2О2 • = no2
153	5		Na2HCO3	NaHCO3
169	левый столбец		С 4- 2Н2О = = СО2 4- 2Н2О	С + 2Н2О = г- СО2 4 2Н2
169	20		с + Н2О =	С -F Н2О ~
	левый столбец		= СО 1- Н2О	- со + Н2
208		8	0ПЫ1Й	тока
213		19	окислением аммиа	окисления аммиа-
			ка	ка