Экспериментальные основы химии

На этой странице вы узнаете

• Как активированный уголь может помочь нам в быту?
• Обычный чай — это химический индикатор?
• Как фиалки открыли лакмус?

Если бы вы сейчас смотрели видео-канал, а не читали статью, мы бы показали вам один из самых интересных опытов под названием «Фараонова змея» или «борода Фараона». Он действительно очень зрелищный — будто бы из синего пламени выползают и вьются коричневые змеи. Поищите в сети, если заинтересовались.

Для многих самое интересное в химии — эксперименты. Очень интересно смешивать вещества и наблюдать различные признаки реакции. Но проведение лабораторных экспериментов — это еще и своего рода исследование, для успешного проведения которого нужно знать основные методы исследования и уметь работать с оборудованием.

Научные методы исследования химических веществ и превращений

Помните молодого химика из нашей статьи «Правила работы в лаборатории. Лабораторная посуда и оборудование»? Так вот, после покупки всего необходимого для своей лаборатории он начал покорять химию, но столкнулся с вопросом: а как вообще исследуют химические вещества и их превращения? Давайте поможем нашему молодому специалисту.

Есть несколько методов химического исследования:

1. Наблюдение.

Наблюдение в науке несколько отличается от наблюдения в привычном нам смысле. Мы должны точно определить, что именно собираемся наблюдать, составить план, сформулировать гипотезу о том, что мы должны увидеть. Например, наблюдать мы можем за признаками реакций — изменение цвета раствора, растворение или выпадение осадка, выделение газа.

2. Эксперимент. 

Эксперимент — это проведение химической реакции в полностью контролируемых и управляемых нами условиях. С помощью эксперимента мы подтверждаем или опровергаем какую-либо гипотезу.

3. Моделирование.

Иногда эксперимент невозможно провести в соответствующих условиях. Например, наш химик собрался проводить реакции с выделением токсичных паров ртути, как в ныне запрещенном опыте с «Фараоновой змеей». Но вытяжным шкафом еще пока не обзавелся. 

В таком случае эксперимент проводится с помощью моделирования. Оно может быть предметным — модели атомов, элементов, веществ, химических установок и знаковым — символы химических элементов, формулы веществ, уравнения реакций. Когда мы с вами решаем химическую задачу, можно сказать, мы применяем метод моделирования. 

Методы разделения смесей и очистки веществ

Наш молодой химик столкнулся с тем, что далеко не все вещества в жизни находятся в чистом виде. Для получения чистых веществ существуют следующие способы разделения смесей и очистки веществ:

1. Использование магнита. Здесь все легко. Если смесь содержит железо, кобальт или никель, то магнит их притягивает к себе.

2. Воронка фильтрования. Чаще всего нужна для разделения воды и нерастворимых в ней твердых веществ.

3. Выпаривание. Когда происходит образование пара? При нагревании какого-то раствора. Если есть растворитель (чаще всего вода) и какое-то растворенное в нем вещество, то этот метод нам подходит. Температуры кипения воды и растворенного вещества должны быть различными.

4. Делительная воронка. С ее помощью мы разделяем несмешивающиеся друг с другом жидкости, то есть жидкости с разной плотностью.

Например:

• бензин и воду;
• масло и воду.

Жидкость с меньшей плотностью «всплывет». Например, вспомните, как в холодном супе капельки жира или масла всегда всплывают наверх, так происходит, потому что плотность жира меньше плотности воды.

5. Обработка водой. Таким способом разделяют два твердых вещества, одно из которых растворимо в воде, а другое — нет. 

6. Отстаивание. Таким способом разделяем почти любую гетерогенную смесь. Здесь даже делать ничего не надо. Просто ждем, пока твердое вещество осядет на дно.

7. Декантация. Этот метод используют для разделения раствора и осадка — например, воды и сульфата бария — нерастворимой соли. Просто сливаем жидкость.

8. Кристаллизация («метод снеговика»). Для разделения смеси жидкостей с разными температурами замерзания, смесь можно заморозить до меньшей температуры замерзания одного из веществ, и тогда оно замерзнет, а второе останется жидким.

9. Фракционная перегонка. Таким способом разделяем две растворимые друг в друге жидкости с разными температурами кипения.

Примеры:

• ацетон и вода;
• спирт и вода;
• гексан и бензол.

10. Возгонка. Йод и некоторые другие вещества способны возгоняться (сублимироваться), то есть переходить из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя фазу жидкости. Например, так очищают йод от железных опилок. Как они оказались вместе это уже другой вопрос.

11. Адсорбция. Для очистки газов и жидкостей часто используют метод адсорбции. В процессе адсорбируемое вещество накапливается на поверхности другого. К адсорбентам относятся активированный уголь и силикагель.

Как активированный уголь может помочь нам в быту? Активированный уголь хорошо знаком нам как средство при пищевых отравлениях. Он, словно губка, впитывает в себя все токсичные вещества из нашего организма. Также он используется в фильтрах для очистки воздуха и воды. А еще активированный уголь можно использовать как средство для избавления от неприятных запахов — просто поставьте миску с несколькими таблетками угля рядом с мусорным ведром, кошачьим туалетом или корзиной для грязного белья.  Хорошо активированный уголь помогает комнатным растениям, если в земле завелась плесень. Добавьте измельченный активированный уголь в почву, он будет впитывать лишнюю влагу и препятствовать развитию плесени.

Индикаторы

Еще есть такие товарищи, которых зовут индикаторы. Это соединения, позволяющие визуализировать изменение концентрации какого-либо вещества в растворе. Их трое:

• лакмус,
• метилоранж,
• фенолфталеин.

Обычный чай — это химический индикатор? А вы когда-нибудь задумывались, почему чай светлеет, когда мы кладем туда кусочек лимона? Дело в том, что в листьях черного чая содержится пигмент теарубигин, который в кислой среде (добавление дольки лимона) светлеет, а в щелочной — наоборот, темнеет.  Вы можете это проверить, добавив в чай кальцинированной соды (Na2CO3) и создав тем самым щелочную среду. Пить такой чай с кальцинированной содой, конечно, нельзя. Получается, чай — это химический индикатор? Можно сказать, что да. Так что наш молодой химик в экстренных ситуациях при отсутствии других классических индикаторов может заварить чайный пакетик.

Для чего они нужны?

Для определения среды раствора. Подробнее про среды раствора можно прочитать в статье «Гидролиз солей».

Цвет каждого индикатора в конкретной среде отражен в таблице:

Если запомнить цвета индикаторов для вас трудно, молодой химик сочинил (он еще немного и поэт) вот такие стишки:

Лакмус

Индикатор лакмус красный

кислоту укажет ясно.

Индикатор лакмус синий,

щелочь здесь, не будь разиней.

Когда ж нейтральная среда,

он фиолетовый всегда.

Метилоранж

От щелочи я желт как в лихорадке,

Я розовею от кислот, как от стыда.

И я бросаюсь в воду без оглядки,

Здесь я оранжевый практически всегда.

Фенолфталеин

Фенолфталеиновый — в щелочах малиновый,

Но несмотря на это в кислотах он без цвета.

• Окраску лакмуса еще можно запомнить по кодовому слову KFC — красный, фиолетовый, синий. 
• Первые буквы названий цветов окраски метилоранжа — розовый, оранжевый, желтый — сливаются в слово «РОЖь». 
• А с фенолфталеином еще проще — просто запомнить, что он окрасится только в щелочной среде.

Как фиалки открыли лакмус? Такое понятие, как химические индикаторы открыл известный химик Роберт Бойль. А было это так: в лабораторию Бойля зашел садовник и принес ему корзину фиалок. Но в это время Бойлю нужно было проводить опыт, поэтому фиалки он машинально бросил на стол.  В ходе опыта выделялся едкий дым, и после его завершения Бойль увидел, что фиалки дымились. Чтобы спасти цветы, Бойль поставил их воду и увидел, что их лепестки поменяли цвет с фиолетового на красный. Бойль не прошел мимо такого явления, а принялся готовить растворы с разными средами и опускал туда фиалки, которые в некоторых растворах меняли цвет лепестков. Затем он начал проводить такие же эксперименты с другими растениями и определил, что лучшие результаты дает лакмусовый лишайник.  Позднее он придумал пропитать отваром этого лишайника бумажные полоски, высушить их и использовать как индикаторы. Именно эти индикаторы помогли Бойлю открыть фосфорную кислоту, полученную при сжигании фосфора.

Вот мы вместе с нашим молодым ученым и разобрали основные принципы работы в химической лаборатории. А теперь пришло время проводить всевозможные реакции и делать научные открытия!

Фактчек

• При исследовании химических веществ и их превращений используют наблюдение, эксперимент и моделирование.
• Наблюдение (смотрим на признаки реакции — изменение цвета, растворение или выпадение осадка, выделение газа).
• Эксперимент (своими руками проводим реакции, смешиваем реагенты).
• Моделирование (создаем модель, то есть аналог вещества).
• Есть много способов разделения веществ, но их легко запомнить с помощью логики и ассоциаций.

Проверь себя

Задание 1.

Что разделяют отстаиванием?

1. песок и воду
2. два неметалла
3. гомогенную смесь

Задание 2.

Что разделяют магнитом?

1. воду и бензин
2. железо и серу
3. хлор и бром

Задание 3.

Какого цвета фенолфталеин в щелочах?

1. малиновый
2. желтый
3. красный
4. белый

Задание 4.

Кислую среду нельзя отличить от нейтральной с помощью…

1. лакмуса
2. метилоранжа
3. фенолфталеина

Задание 5.

В качестве химического индикатора можно использовать…

1. раствор пищевой соды
2. чай
3. апельсиновый сок

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 1; 4. — 3; 5. — 2.