Ważne doświadczenia

W toku liceum zdarza się kilka takich doświadczeń, które po prostu trzeba znać nawet, jeśli się ich nie widziało. Wiadomo, że z doświadczeniami podczas lekcji jest ciężko, dlatego postarałam się przedstawić te doświadczenia w jak najbardziej obrazowy sposób.

Badanie procesów fizykochemicznych

1

Zaprojektuj doświadczenie ilustrujące elektrochemiczny sposób ochrony żelaza przed korozją. W opisie uwzględnij sprzęt i odczynniki, czynności, spostrzeżenia oraz wnioski.

• Sprzęt i odczynniki: dwie zlewki, dwie płytki żelazne, kawałek folii aluminiowej oraz woda.
• Opis czynności: do obu zlewek nalewamy wodę. Do jednej zlewki wkładamy płytkę żelazną, zaś do drugiej drugą płytkę żelazną zawiniętą w folię aluminiową. Obie zlewki pozostawiamy na tydzień.
• Obserwacje: po tygodniu żelazo, które nie zostało owinięte w folię aluminiową pokryło się czerwonobrązowym nalotem. W drugiej zlewce żelazo pozostało bez zmian, zaś folia aluminiowa pokryła się białym nalotem.
• Wnioski: powstanie brązowego osadu świadczy o korozji żelaza. Osad ten jest mieszaniną uwodnionych tlenków i wodorotlenków żelaza. Biały nalot to wodorotlenek glinu. Folia aluminiowa pełniła w ogniwie żelazo-aluminiowym funkcję anody i ochrony żelaza przed korozją.

Badanie właściwości fizykochemicznych związków

W tym dziale często mamy do czynienia z porównaniem tych samych właściwości u dwóch substancji. Chyba najbardziej sztandarowa jest moc kwasów, rozpuszczalność i aktywność.

W pierwszym przypadku najlepiej kombinować coś z rozpuszczalnością. Tak, mocniejszy kwas wyprze słabszy z soli i jeśli ten drugi jest w temperaturze pokojowej stały (jak na przykład kwas benzoesowy), to sprawa jest prosta, bo się wytrąci.

Jeśli chodzi o badanie rozpuszczalności, to należy pamiętać, by uwzględnić w opisie takie samo rozdrobnienie, taką samą masę substancji rozpuszczanej i objętość rozpuszczalnika. Nie muszę chyba dodawać, że musi to być ten sam rozpuszczalnik...

Otrzymywanie związków i pierwiastków

Zaprojektowanie doświadczenia z otrzymaniem czegoś często sprawia problem. I nic dziwnego. Odróżnienie czy rozdzielenie dwóch substancji (jeśli dobrze zna się ich właściwości fizykochemiczne) to nie taki znowu problem, jeśli już kilka analogicznych doświadczeń się zaprojektuje. Na otrzymywanie związków i pierwiastków nie ma niestety jednej prostej rady ani sposobu. Na etapie liceum zazwyczaj syntezy nie będą miały więcej, niż dwóch etapów i tym się można pocieszyć. Jedyny dobry sposób to chyba przerobienie dużej liczby doświadczeń. No to do dzieła.

1

Zaproponuj metodę otrzymywania wodorotlenku miedzi(II), jeśli dysponujesz roztworem kwasu siarkowego(VI), węglanem miedzi(II) oraz roztworem wodorotlenku sodu. W opisie uwzględnij użyte odczynniki i sprzęt, spisz po kolei czynności, obserwacje i wnioski.

• Sprzęt i odczynniki: kilka zlewek, roztwór kwasu siarkowego(VI), węglan miedzi(II), roztwór wodorotlenku sodu.
• Opis czynności: stały węglan miedzi(II) umieszczamy w zlewce, a następnie dodajemy kwas siarkowy (VI) i mieszamy aż do całkowitego rozpuszczenia się soli. Następnie ostrożnie dodajemy roztwór wodorotlenku sodu.
• Obserwacje: po dodaniu kwasu siarkowego(VI) do zielonego węglanu miedzi(II) osad ulega roztworzeniu i otrzymujemy niebieski roztwór. Po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu wytrąca się ciemnoniebieski, galaretowaty osad.
• Wnioski: węglan miedzi (II) jest solą nierozpuszczalną w wodzie, jednak reaguje z mocnymi kwasami w myśl reakcji: \[ H_{2}SO_{4} + CuCO_{3} → CO_{2}↑ + H_{2}O + CuSO_{4} \] Wodorotlenek sodu reaguje z powstałą solą, tworząc poszukiwany wodorotlenek miedzi(II). \[ CuSO_{4} + 2 NaOH → Cu(OH)_{2}↓ + Na_{2}SO_{4} \]

Rozdzielanie i identyfikacja substancji

W tym typie doświadczeń należy największą uwagę skupić na ich własnościach fizykochemicznych i różnicach pomiędzy nimi. Może to oczywiste, ale czasem i oczywiste rzeczy trzeba pisać, by lepiej wbiło się do głowy. Mówię fizykochemicznych, a nie tylko chemicznych, bo czasem się zdarza, że substancje są do siebie bardzo podobne i podobnie reagują, ale na przykład mają różne temperatury topnienia lub różną rozpuszczalność w danej substancji. A to też może posłużyć ich odróżnieniu. Złym pomysłem jest skupianie się tylko na jednej stronie. Skoro wiemy już, który z dwóch gazów to chlor, po co bawić się z drugim? Jest kilka powodów.

Tym, który zazwyczaj najbardziej interesuje licealistów jest to, że napisanie reakcji charakterystycznej dla obu odczynników jest punktowane na maturze i jeśli załatwi się tylko jeden, nie dostanie się maksymalnej ilości punktów. Z bardziej laboratoryjnego punktu widzenia czasem jest tak, że reakcja charakterystyczna wychodzi dla jednego z odczynników, a reakcja charakterystyczna na drugi nie wychodzi i jest to sygnał, że przy pierwszej mogliśmy coś sknocić, dlatego otrzymaliśmy pozytywny wynik. "Czynników sknocających" jest wiele i nie będę ich tutaj opisywać, bo to nie jest do końca związane z tematem. Dość jednak powiedzieć, że dobrze jest sobie wyrobić bezpieczny zwyczaj sprawdzania wszystkiego kilka razy.

Niezłym ćwiczeniem jest próba zaprojektowania danego doświadczenia ponownie, ale tym razem innymi reakcjami. Przy odróżnieniach nie zawsze jedna odpowiedź jest możliwa, a sprawia to, że umysł staje się bardziej giętki i gdy na maturze spotkamy się z podobnym zadaniem i (co więcej) będą jeszcze napisane konkretne odczynniki, których trzeba użyć, a które nie będą nam pasowały do pierwszej koncepcji, łatwiej będzie wyjść poza jeden schemat. Ogólnie inne, niestandardowe pomysły, są w naukach ścisłych nagradzane. Naprawdę.

Teraz dość teorii, przejdźmy do przykładów.

Projektowanie i opisywanie doświadczeń

Wymagane do zaprojektowania doświadczenia dzielą się na pewne grupy, z których każda wymaga nieco innego podejścia. Gdy już się to podejście wyćwiczy, kolejne zadania robi się "na jedno kopyto" i idzie już tylko lepiej.

Reakcje w chemii organicznej

Próba Tollensa i próba Trommera

Opis doświadczenia:

1. Próba Tollensa. Do czystej probówki wlewamy roztwór azotanu (V) srebra. Następnie dodajemy nieco wodorotlenku sodu, wodę amoniakalną i formalinę. Tak przygotowany roztwór ogrzewamy.
2. Próba Trommera. Do świeżo strąconego wodorotlenku miedzi (II) dodajemy trochę formaliny i ogrzewamy.

Obserwacje:

1. Na ściankach probówki pojawiła się warstwa metalicznego srebra
2. Pojawił się ceglastoczerwony osad

Wnioski: Formalina jest aldehydem, który łatwo ulega utlenieniu - w reakcji można było wykorzystać dosyć łagodne utleniacze, jakimi są Ag₂O i CuO. Zaszły następujące reakcje:

\[ HCHO + Ag_{2}O \rightarrow HCHOOH + 2 Ag \downarrow\\ HCHO + 2 CuO \rightarrow HCOOH + Cu_{2}O \downarrow \]

Procesy jonowe i redoks

Barwy wskaźników w roztworach kwasów i zasad

Opis doświadczenia: Do czterech probówek wlewamy roztwór kwasu, do następnych czterech roztwór zasady, a ostatnie cztery pozostawiamy wypełnione wodą destylowaną. Potem do pierwszych probówek z kwasem, zasadą i wodą dodajemy nieco lakmusu, do następnych fenoloftaleinę, do kolejnych oranż, a w następnych zanurzamy papierki uniwersalne.

Obserwacje: Roztwory zabarwiły się następująco:

Wskaźnik	Roztwór kwasu	Woda destylowana	Roztwór zasady
lakmus	jasnoczerwony	niebieskawy	fioletowoniebieski
fenoloftaleina	bezbarwny	bezbarwny	malinowy
oranż metylowy	czerwony	pomarańczowy	żółty
papierek uniwersalny	czerwony	żółty	niebieski

Wnioski: Wskaźniki reagują zmianą barwy na obecność jonów H⁺ i OH^- w roztworze.

Właściwości pierwiastków

Właściwości fizyczne siarki

Opis doświadczenia: Badamy różne odmiany krystaliczne siarki, starając się porównać wygląd kryształów, ich barwę oraz zapach i rozpuszczalność w wodzie. Następnie próbki siarki umieszczamy w probówce i ogrzewamy powoli nad płomieniem palnika. Gdy siarka ulegnie stopieniu, przelewamy ją szybko do zlewki z zimną wodą, a potem badamy gdy się zestali i ochłodzi.

Obserwacje:Siarka jest krystalicznym ciałem stałym o żółtej barwie. Jej kryształy mają różne kształty i różnią się między sobą tym, że niektóre są bardziej lub mniej podłużne. Siarka nie rozpuszcza się w wodzie. Po ogrzaniu łatwo ulega stopieniu i wtedy staje się jasnożółta, jest też bardzo płynna (nie "oleista" i "gęsta"). Jednak po dalszym ogrzewaniu zmienia się - jej barwa ciemnieje, zaś sama ciecz staje się gęsta. W następnym etapie zaczyna ponownie się upłynnia i zaczyna parować. Po wlaniu do wody tworzy dość miękką i plastyczną, ciemną masę. Po wlaniu siarki do wody na jej powierzchni powstaje warstewka żółtego pyłu.

Wnioski: Siarka to niemetal, jest ciałem stałym, które posiada stosunkowo niską temperaturę topnienia. Podczas ogrzewania przechodzi kilka "faz", co jest związane z jej pierścieniową strukturą (dla najbardziej popularnych odmian siarki, rombowej i jednoskośnej, są to pierścienie S8). Przy silniejszym ogrzaniu pierścienie te pękają z utworzeniem łańcuchów, co powoduje wzrost gęstości cieczy. Po kolejnym podwyższeniu temperatury łańcuchy pękają dalej, dzieląc się na coraz mniejsze fragmenty, co prowadzi znów to "upłynnienia" siarki. W końcu siarka zaczyna parować. Po gwałtownym oziębieniu siarka nie powraca do takiej samej struktury, jak przed topieniem - jest to związane z tym, że pierścienie nie nadążają się odtworzyć i ułożyć w tak krótkim czasie. Powstający na powierzchni wody pył jest zwany "kwiatem siarczanym" i składa się z rozdrobnionej siarki, która resublimowała z oparów siarki.

Mieszaniny

Rodzaje roztworów

Opis doświadczenia: Trzy zlewki należy napełnić wodą destylowaną do połowy objętości. Do pierwszej z nich dodajemy siarczan(VI) sodu, do drugiej taką samą ilość węglanu wapnia, zaś do trzeciej - siarczanu(VI) żelaza(II). Następnie zawartość zlewek starannie mieszamy i pozostawiamy na kilka minut.

Obserwacje: W pierwszej zlewce roztwór pozostał klarowny, w drugiej zlewce, zawierającej CaCO3, roztwór zmętniał, a potem nierozpuszczony osad opadł na dno. W trzeciej zlewce roztwór przybrał pomarańczową barwę, a po pewnym czasie pojawiło się niewielkie zmętnienie.

Wnioski: W pierwszej zlewce powstał roztwór właściwy, w drugiej otrzymano początkowo zawiesinę, która następnie uległa sedymentacji. W zlewce z siarczanem(VI) żelaza(II) powstał roztwór koloidalny - był to wynik hydrolizy soli.

Jak projektować doświadczenia?

Bez zbędnych ceregieli weźmy się za wyjaśnienie, jak dobrze opisać doświadczenie.

Na pewno opis powinien mieć trzy główne części, o dodatkach pomyślimy potem. Nie są one obowiązkowe i niektórym wcale nie ułatwiają zadania:

Opis czynności

Tutaj wprost opisujemy po kolei co robimy. Przygotowujemy taki czy inny odczynnik, włączamy palnik, doprowadzamy mieszaninę do wrzenia i tym podobne. Na pewno nie powinno się tutaj znaleźć nawet słowo o tym, jakie implikacje ma doświadczenie. To zazwyczaj nie sprawia zbyt dużego problemu. Co się jednak dzieje, gdy jakąś czynność należy wykonać dopiero wtedy, gdy reakcja osiągnie określony stopień? Tutaj zazwyczaj pojawiają się pewne wątpliwości. A teraz przykłady (wyrwane z kontekstu i nieco przypadkowe - tutaj nie zależy nam na roztrząsaniu, czy dane odczynniki faktycznie ze sobą reagują, tylko na tym, żeby to dobrze opisać. Uściślam, gdyby się jakiś mądry znalazł):