Исследовательская работа: "Химия кислот"

Введение Михаил   Васильевич   Ломоносов   считал   химию   одной   из   главных   областей   своего научного творчества. Не зря в течение двух веков химию называли спагирической наукой от греческого   спао   ­   отделять   и   агейро   ­   соединять.   Он   начал   заниматься   химическими исследованиями уже в ранний период своей деятельности, будучи студентом Марбургского университета. Первый научный труд Ломоносова «О превращении твердого тела в жидкое, в зависимости от движения предсуществующей жидкости» написан в 1738 г. Вторая работа «О различии смешанных тел, состоящем в сцеплении корпускул» была завершена год спустя.   Эти   работы   будущего   ученого   явились   началом   изучения   мельчайших   частичек материи, из которых состоит вся природа. Через два десятилетия они оформились в стройную атомно­молекулярную концепцию, обессмертившую имя ее автора.  Вернувшись   в   1741   г.   на   родину   Ломоносов   приступил   к   экспериментальным исследованиям в области химии.  Химия ­ наука об изменениях, происходящих в смешанном теле. Таким образом, в этой формулировке   предмета   химии   Ломоносов   впервые   представляет   её   в   виде   науки,   а   не искусства.  Весной   1743   г.   Ломоносов   написал   первый   вариант   своей   известной   работы   «О действии химических растворителей вообще». Кончался период ее чисто экспериментального развития,   когда   химики   производили   с   химическими   веществами   различные   операции   в большинстве случаев вслепую или на основе туманных представлений, которые оставила в наследство алхимия.  1744   год,   получив   необходимые   химические   препараты,   Ломоносов   осуществил большую серию экспериментов по растворению металлов в кислотах и солей в воде. Эти опыты подробно изложены в окончательном варианте работы, представленном в Академию наук 7 декабря 1744 г. и прочитанном в Академическом собрании в марте следующего года.  Ломоносов   разделил   все   процессы   растворения   на   две   группы.   К   одной   он   отнёс растворение металлов в кислотах, когда в процессе растворения выделяется тепло, а к другой –  растворение  солей  в  воде  с  поглощением  тепла.  Сначала  Ломоносов  растворял  тонкую железную проволоку в азотной кислоте разной концентрации, наблюдая через микроскоп ход растворения   металла.   Ломоносов   заметил   огромную   массу   отбрасываемых   частиц   с бесчисленными пузырьками, непрерывно следовавшими друг за другом. Ломоносов обратил внимание, что при растворении металлов в кислотах наблюдается разогревание, а при растворении солей – охлаждение. Затем он определял количество выделенного при этом газа  и его состав. Далее ученый исследовал растворимость гидрата окиси железа и уксуснокислой   меди (медной  зелени) в  азотной кислоте, крепкой  и разбавленной. При этом Ломоносов наблюдал и описал явление, известное в наше время как пассивация металла, при котором на его поверхности образуется тонкая защитная пленка, резко замедляющая процесс коррозии.  Продолжая   свои   исследования   растворимости   металлов   в   кислотах,   Ломоносов осуществил   эксперименты   растворения   меди   в   условиях   вакуума,   изучал   специфику растворения в азотной кислоте различных металлов: железа, меди, цинка, серебра, свинца и даже ртути. Полученные результаты он сопоставлял с удельным весом металлов. Выделение тепла в реакциях Ломоносов объяснял следующим образом: «Частицы металла разносятся по растворителю, воздействуют трением на частицы последнего и приводят их во вращение и так как вращательное движение есть причина теплоты» .  Процессы растворения металлов и солей Ломоносов объяснял с механических позиций, характерных   для  его   эпохи.   Подобно  Р.Бойлю,  он  был   уверен  в  пористой  структуре  как металлов   и   солей,   так   и   жидких   растворителей.   В   процессе   растворения,   по   мнению Ломоносова,   воздух,   содержащийся   в   порах   кислоты,   внедряется   в   поры   металла   и, соединяясь   там   со   «сгущенным»   воздухом   металла,   приобретает   «огромную   упругость», ломая   металл   на   мельчайшие   частицы,   наблюдавшиеся   в   микроскоп.   Избытки   «воздуха», образующегося   при   химическом   взаимодействия   кислоты   и   металла,   являются   одним   из продуктов реакции. Ломоносов не знал тогда, что это был водород, свойства которого были изучены А.Лавуазье через два десятилетия после смерти Ломоносова.  Ломоносов правильно подметил тот случай, когда разбавленная водой кислота лучше растворяет   металл,   чем   концентрированная.   Известно,   например,   что   многие   металлы   не растворяются в очень концентрированной серной кислоте, а в разбавленной водой интенсивно растворяются с выделением водорода. Следует   заметить,   что   Ломоносов   основывал   свои   умозаключения   на   собственных опытах по растворению металлов и солей. Прошло   время,   прежде   чем   учёный   получил   в   своё   распоряжение   прекрасную химическую лабораторию. В лаборатория производилась экспертная оценка различных красок отечественного   производства,   и   эти   краски   сравнивались   с   ввозимыми   из­за   рубежа. Создавались и собственные краски. Характеризуя взаимодействие науки и практики, Ломоносов особенно подчёркивал  значение химии в исследовании природы и создании "полезных производств". Учёный  предвидел ту огромную роль, которую призвана играть химия в практической деятельности  людей, их повседневной жизни.   Сам Ломоносов успешно сочетал свои теоретические разработки в области химии с  блестящими экспериментальными исследованиями, направленными как на установление  закономерностей науки, так и на решение практических задач производства.  Нас очень заинтересовала работа Михаила Васильевича по растворению металлов в  кислотах, когда выделяется тепло. А самое интересное нам показалось то, что металлы по­ разному взаимодействуют с разбавленными и концентрированными кислотами.. С этой целью  Все  нами были изучены более подробно химические свойства данных кислот и металлов.  наши исследования имели целью подтвердить данные эксперементов, которые проводил  Ломоносов. Цель данной работы: 1.Сформировать понятие о сущности процесса растворения, как физико­химического  явления; 2. Подтвердить доказательства Ломоносова, в проведенных им химических реакциях,  разбавленных и концентрированных  кислот с металлами; 3.Познакомиться с историей теории растворов; 4.Убедиться в том, что многие металлы не растворяются в очень концентрированной серной  кислоте, а в разбавленной водой интенсивно растворяются с выделением водорода. Объектом нашего исследования стали разбавленная и концентрированная серная кислота,   разбавленная и концентрированная азотная кислота, железо, медь, цинк. .  Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1.Изучить   литературные   источники   о  сущности   процесса   растворения,   как   физико­ химического явления; 2.Практически   ознакомиться   с   методикой  протекания   химических   реакций   при взаимодействии металлов с концентрированными и разбавленными кислотами; 3.Провести   анкетирование   среди  учащихся   Партизанской   школы   с   целью   выяснения правильности в проведенных Ломоносовым эксперементов над металлами и кислотами. Место проведения исследовательской работы­МОУ «Партизанская СОШ». 2.Методы исследования 2.1. Взаимодействие разбавленной серной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu. В три пробирки наливаем 3 мл разбавленной серной кислоты и в каждую из них  добавляем по металлу (Fe, Zn, Cu.). В результате реакции металлы, которые в  электрохимическом ряду напряжений находятся до водорода, должны образовывать  сульфаты металлов и выделять водород.   2.2. Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu. В три пробирки наливаем 3 мл концентрированной серной кислоты и добавляем в  каждую из них по металлу.   В результате реакции металлы, которые в электрохимическом  ряду напряжений находятся после водорода, должны образоваться сульфаты металлов, а  также продукт восстановления серной кислоты — SO2. Железо с концентрированной серной кислотой не будет реагировать.  С цинком концентрированная серная кислота в зависимости от концентрации одновременно  могут образовываться различные продукты восстановления серной кислоты — SO2, S, H2S. 2.3.  Взаимодействие разбавленной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu. В три пробирки наливаем 3 мл разбавленной азотной кислоты и в каждую из них  добавляем по металлу (Fe, Zn, Cu.).В результате реакции будет выделяться бесцветный газ  (NO) без запаха. 2.4.  Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu. В три пробирки наливаем 3 мл разбавленной азотной кислоты и в каждую из них  добавляем по металлу (Fe, Zn, Cu.). В пробирке, которая содержит железо реакции не  происходит. В реакциях с цинком и медью будет выделяться ядовитый газ бурого цвета с  характерным запахом. 3. Результаты исследования. Для проведения своей исследовательской работы о растворимости металлов в  кислотах, мы  взяли 2 кислоты: серную и азотную, а также металлы: железо, цинк и медь.Мы хотели  повторить эксперементы, проведенные Ломоносовым М.В. в 1744 году и доказать в их  справедливости. Таблица 1. Взаимодействие разбавленной серной кислоты с металлами: Металлы Железо (Fe) Цинк (Zn) Медь (Cu) Fe, Zn, Cu. Реакция Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 Zn +  H2SO4 = ZnSO4 + H2 Cu +  H2SO4 = Что наблюдали Выделение водорода Выделение водорода Реакции не происходит Выводы: Так как медь находится в  электрохимическом ряду напряжений после водорода,  то она взаимодействовать с разбавленной серной кислотой не будет. А при взаимодействии  разбавленной серной кислоты с железом и цинком образуются сульфаты этих металлов и  выделяется газ (водород) в виде пузырьков. Цинк и железо восстанавливают водород из  кислоты, так как  в ряду напряжения они расположены левее водорода. Чем левее находится металл в ряду активности, тем интенсивнее он взаимодействует с  кислотами. Таблица 2.  Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu Металлы Реакция Железо (Fe) Fe + H2SO4 = Цинк (Zn) 1) Zn + 2 H2SO4 = ZnSO4 +  Что наблюдали Реакции не происходит,  концентрированная серная  кислота  пассивирует. Выделяется газ с резким  H2O + SO2 запахом. 2) 3Zn + 4 H2SO4 = 3ZnSO4 +   4H2O + S Выделяется осадок желтого  цвета. 3) 4Zn + 5 H2SO4 = 4ZnSO4 +  4H2O + H2S Выделяется газ с неприятным  запахом «тухлых яиц». Медь (Cu) Cu + 2H2SO4 = CuSO4 +2 H2O  Выделяется газ с резким  + SO2 запахом. Выводы: Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, особенно при  нагревании. Она окисляет многие металлы, неметаллы и некоторые органические вещества.  При взаимодействии  концентрированной серной кислоты с металлами, которые в электрохимическом ряду напряжений находятся после водорода, образуются сульфаты  металлов, а также продукт восстановления серной кислоты — SO2. Более активными металлами  концентрированная серная кислота может  восстанавливаться до свободной серы или сероводорода.  Железо с концентрированной серной кислотой не реагирует, потому что она  пассивирует в нем. Поэтому концентрированную серную кислоту хранят и транспортируют в  железных цистернах. С цинком концентрированная серная кислота в зависимости от концентрации  одновременно могут образовываться различные продукты восстановления серной кислоты —  SO2, S, H2S. В меньшей концентрации (1:2) выделяется газ (SO2) c резким запахом. При концентрации (3:4) выделяется осадок желтого цвета (S). При концентрации (4:5) выделяется газ ( H2S) с неприятным запахом «тухлых яиц». Таблица 3.  Взаимодействие разбавленной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu. Металлы Реакция Что наблюдали Железо (Fe) Цинк (Zn) 3Fe + 8HNO3 = 3Fe(NO3)2 +  2NO + 4H2O 3Zu + 8HNO3 = 3Zu(NO3)2 +  Выделяется бесцветный газ,  без запаха. Выделяется бесцветный газ, Медь (Cu) 2NO + 4H2O 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 +  без запаха. Выделяется бесцветный газ,  2NO + 4H2O без запаха. Выводы: Азотная кислота­одна из наиболее сильных кислот, она является сильным  окислителем. Азотная кислота взаимодействует практически со всеми металлами,  находящимися в конце ряда напряжений, кроме золота и платины. Так как металлы: Fe, Zn, Cu являются менее активными металлами, то в реакции с  разбавленной азотной кислотой будет выделяться бесцветный газ (NO) без запаха. Таблица 4.  Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu Металлы Реакция Железо (Fe) Fe + HNO3 = Цинк (Zn) Zu + 4HNO3 = Zu(NO3)2 +  2NO2 + 2H2O Медь (Cu) Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 +  2NO2+ 2H2O Что наблюдали Реакции не происходит,  концентрированная азотная  кислота  пассивирует. Выделяется ядовитый газ  бурого цвета с характерным  запахом. Выделяется ядовитый газ  бурого цвета с характерным  запахом. Выводы: При взаимодействии железа с концентрированной азотной кислотой реакци не  происходит, так как  кислота  пассивирует. В реакциях с цинком и медью ­ выделяется ядовитый газ бурого цвета с характерным запахом. 4. Заключение 1744   год   Ломоносов   осуществил   большую   серию   экспериментов   по   растворению металлов в кислотах и солей в воде.  Он правильно  обратил внимание, что при растворении металлов   в   кислотах   наблюдается   разогревание.   Далее   ученый   исследовал   растворимость гидрата окиси железа и уксуснокислой меди (медной зелени) в азотной кислоте, крепкой и разбавленной. При этом Ломоносов наблюдал и описал явление, известное в наше время как пассивация металла, при котором на его поверхности образуется тонкая защитная пленка, резко замедляющая процесс коррозии. .  Ломоносов правильно подметил тот случай, когда разбавленная водой кислота лучше растворяет   металл,   чем   концентрированная.   Известно,   например,   что   многие   металлы   не растворяются в очень концентрированной серной кислоте, а в разбавленной водой интенсивно растворяются с выделением водорода. Также мы хотим сказать,что Михаил Васильевич правильно дал определение  «Выделение  тепла в реакциях», которое имело следующую формулировку: «Частицы металла разносятся  по растворителю, воздействуют трением на частицы последнего и приводят их во вращение и  так как вращательное движение есть причина теплоты»  Для взаимодействия кислот с металлом должны выполняться некоторые условия:  1.Металл должен быть достаточно активным (реакционноспособным) по отношению к  кислотам. Например, золото, серебро, ртуть и некоторые другие металлы с кислотами не  реагируют. Такие металлы как натрий, кальций, цинк ­ напротив ­ реагируют очень активно с  выделением газообразного водорода и большого количества тепла. Активные металлы вытесняют водород из кислот 2.Медь не реагирует с серной кислотой: в ряду напряжения медь ­ правее водорода. Чем левее находится металл в ряду активности, тем интенсивнее он взаимодействует с  кислотами.     3.   Кислота должна быть достаточно сильной, чтобы реагировать с металлом. Под силой  кислоты понимают ее способность отдавать ионы водорода H+. Например, кислоты растений (яблочная, лимонная, щавелевая и т.д.) являются  слабыми кислотами и очень медленно реагируют с такими металлами как цинк, хром,  железо, никель, олово, свинец (хотя с основаниями и оксидами металлов они  способны реагировать).    4. Есть металлы, которые реагируют с разбавленными кислотами, но не реагирует с  концентрированными (т.е. безводными) кислотами ­ серной кислотой и азотной  кислотой.Эти металлы ­ Al, Fe, Cr, Ni и некоторые другие ­ при контакте с безводными кислотами сразу же покрываются продуктами окисления (пассивируются). Продукты окисления, образующие прочные пленки, могут растворяться в водных растворах  кислот, но нерастворимы в кислотах концентрированных. 12 Содержание: 1. Введение..............................................................................................................................4­6 стр. Цели и задачи...........................................................................................................................6­7стр. 2. Методы исследования..........................................................................................................7­8стр. 2.1.Взаимодействие разбавленной серной кислоты с металлами: Fe, Zn,Cu......................7 стр.    2.2. Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu.........7 стр.. 2.3.Взаимодействие разбавленной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu...................7стр. 2.4.Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с металлами: Fe, Zn, Cu........7­8 стр.  3. Результаты исследования..................................................................................................8­11 стр. Заключение...........................................................................................................................11­12 стр. Приложение...............................................................................................................................14 стр. Прилож ение Список литература: 1. Шипарева Г.А. Программы элективных курсов. Химия. 8­9 классы. ­ М. : Дрофа, 2006.     2.  Энциклопедический словарь юного химика.     3. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. Москва 2006г     4.  С. Громбах «Медицина в трудах М.В. Ломоносова», 1985 г.     5. К. Манолов «Великие химики» том I.