t°
Cu(OH)2 ® CuO + H2O ( t° разложения 50°С)
осадок осадок
голубого черного
цвета цвета
Часть 2. Эксперимент по коллоидным системам.
Прежде всего, на наш взгляд, крайне интересным является вопрос о начале коллоидной науки.
Поздним осенним вечером [27] в лаборатории Британского монетного двора работали два человека. Один из них заведующий лабораторией Томас Грэм, а другой – директор монетного двора Вильям Робертс.
Меня интересует один серьезный вопрос – заговорил Грэм, это непонятные свойства кремниевой кислоты – иногда она не выпадает в осадок и остается в растворе. Я хочу заняться их изучением.
Грэм подошел к большому шкафу, достал несколько склянок и поднес их к свече. Растворы были прозрачными. Он наклонил одну из склянок, чтобы удостовериться, что на дне нет осадка. Однако раствор был неподвижен, он превратился в прозрачную желеобразную массу.
- И это раствор кремниевой кислоты? – произнес удивленный Робертс.
- Да! Посмотрите, какое желе получилось! Как будто я сварил крахмал и оставил его остывать. Постойте-постойте! Крахмал… по гречески крахмал называется «колла», т.е. клей. Не следует ли назвать этот раствор коллоидным? Это будет указывать на то, что они похожи на раствор крахмала.
Именно в тот вечер Грэм пришел к убеждению, что существуют два вида растворов – истинные и коллоидные. Грэм исследовал свойства коллоидных растворов, показал, что они неустойчивы и растворенное вещество может легко выделяться в виде осадка. Этот процесс был назван коагуляцией.
Исследования Грэма показали, что коагуляция вызывается не только добавлением в раствор солей, кислот или оснований, но и повышением температуры, продолжительным перемешиванием или иногда просто длительным отстаиванием.
Итак, появилось понятие коллоидные растворы.
Не менее интересна другая история.
На одном из заседаний Лондонского химического общества в 1867 г. к Грэму подошел Джон Тиндаль и заговорил о волновавшем его вопросе [27]:
- Я с некоторых пор изучаю рассеяние света при прохождении через мутные растворы. Коллоидные растворы тоже меня заинтересовали, и я буду просить у вас каких-либо практических указаний о получении чистых коллоидных растворов.
Скоро Тиндаль имел в своем распоряжении очищенные путем диализа коллоидные растворы и начал свои опыты.
Тиндаль наполнил стеклянную ванну коричневым раствором золя гидроокиси железа. Раствор был совершенно прозрачным и не отличался по цвету от раствора дихромата калия, например. Плотным экраном Тиндаль прикрыл лампу. Только тонкий пучок лучей пробивался через небольшое отверстие в центре экрана. Профессор направил эти лучи на ванну с коллоидным раствором. Вместо ожидаемого четко ограниченного пятна на экране появился размытый, неясноочерченный светлый круг. Тиндаль был поражен. Прошло несколько минут, а он все не мог оторваться от этой красоты, как будто в ванну было погружено какое-то тело, излучающее свет. Лучи входили в раствор, образуя круг небольшого диаметра, который постепенно увеличивался к противоположной стене ванны, образуя светящийся конус.
Эта история об открытии известного в науке эффекта Тиндаля. Результаты опытов подтвердили его первоначальные наблюдения. Попадая в коллоидный раствор пучок лучей рассеивался, образуя светящийся конус.
В 1899 г. английский физик Джон Вильям Рэлэй нашел объяснение двойному цвету коллоидных растворов и вывел формулу, которая представляла собой закон рассеивания света.
Белый свет состоит из лучей разной длинны волн: от синих – с наименьшей длинной волн, до красных – с наибольшей длинной. Когда сложный световой луч встречается с маленькой коллоидной частицей, красные лучи не изменяются, а продолжают свой путь, потому, что длинна их волн на много больше размеров частицы. А для синих лучей эта же частица является непреодолимым препятствием, потому, что ее размеры больше длинны волн синих лучей. Поэтому синие лучи отражаются от коллоидных частиц. Это приводит к обогащению проходящего через раствор света красными лучами и к отражению синих лучей.
В курсе химии средней школы с коллоидными растворами школьники встречаются в 11-ом классе при обобщении знаний по теме «Растворы», но на более высоком уровне [25].
Авторы отмечают, что коллоидные растворы имеют размер от 1 до 100 нм и относятся к тонкодисперсным системам (например, раствор яичного белка в воде). Они прозрачны, отдельные частицы обнаруживаются только при помощи ультрамикроскопа, осаждаются с трудом. Задерживаются только ультрафильтрами с очень маленькими порами (пергаментная бумага, животный пузырь). Коллоидные растворы имеют большое значение. Они образуются при растворении в воде некоторых высокомолекулярных веществ (белков), а также при химических реакциях, например, при взаимодействии растворов силикатов с кислотами выделяется кремниевая кислота, образующая с водой коллоидный раствор. По прозрачности коллоидные растворы схожи с истинными растворами. Но при пропускании луча света через них наблюдается отличие: в коллоидном растворе появляются светящийся конус, так как коллоидные частицы крупнее частиц в истинных растворах и поэтому способны рассеивать проходящий свет.
Таким образом, теоретические данные совпали с экспериментальными, что делает гипотезу достоверной.
Проверку проводили следующим образом: по реакции обмена готовили гидроксид меди (II) и вносили литий:
CuSO4 + 2LiOH ® Cu(OH)2¯ + Li2SO4
и вновь подтверждали, что теплоты реакции взаимодействия лития с водой достаточно для разложения гидроксида меди (II) на оксид и воду.
Опыты по взаимодействию лития с солями железа (III), никеля, алюминия, магния показали, что в данном случае образуются только гидроксиды, т.к. выделяемой при взаимодействии лития с водой теплоты в данном случае недостаточно для разложения гидроксидов Fe(OH)3, Ni(OH)2, Mg(OH)2 .
Использование проблемного эксперимента способствует развитию мышления школьников, повышает их творческий потенциал и активность, а также отвечает принципам развивающего обучения.
Проблемный эксперимент позволяет преодолеть односторонность, формирует более точный, многогранный взгляд на изучаемое явление, способствует установлению взаимосвязи между ними с позиции теории и окислительно-восстановительных процессов. Обучение может быть усиленным тогда, когда деятельность учителя сопровождается активной и творческой деятельностью учащихся. Условие для развития творческих способностей учащихся создается только тогда, когда проблемные ситуации образуют определенную систему.
Учащиеся, получив неожиданные экспериментальные данные, включают их в систему своих представлений по данному вопросу, объясняют опыты, устанавливают новые связи с уже известными фактами и, обогащаясь новыми экспериментальными и теоретическими сведениями приходят к пониманию более глубоких и сложных закономерностей.
Следующий опыт касался взаимодействия кальция с растворами хлорида меди (II), хлорида железа (III).
В штатив поместили пробирки с растворами хлорида меди (II) и хлорида железа (III) и вносим в каждую тщательно зачищенные кусочки кальция. В первом случае наблюдаем бурное протекание реакции с образованием газа и нерастворимых веществ различной окраски. Если поджечь газ, он горит, следовательно это водород. Внешний вид нерастворимых веществ указывает, что образуется смесь различных осадков: в начале синего цвета, с течением времени окраска меняется на беловато-голубой.
Во втором случае также наблюдается выделение водорода и образование осадков: бурого и светло-желтого цвета. Данный опыт противоречит результатам полученных по взаимодействию лития с сульфатом меди. Требуется поиск для объяснения результатов эксперимента. Выдвигается гипотеза: очевидно, кальций реагируя с водой, находящейся в растворе солей, образует основание, вступающее в обменную реакцию с растворами солей и в осадок выпадают соответствующие гидроксиды:
- по первому опыту:
Ca + 2H2O ® Ca(OH)2 + H2
Ca(OH)2 + CuCl2 ® Cu(OH)2¯ + CaCl2
или:
Ca + 2H2O + CuCl2 ® Cu(OH)2¯ + H2 + CaCl2
- по второму опыту:
Ca + 2H2O ® Ca(OH)2 + H2
3Ca(OH)2 + 2FeCl3 ® 2Fe(OH)3¯ + 3CaCl2
или:
3Ca + 6H2O + 2FeCl3 ® 2Fe(OH)3¯ + 3H2 + 3CaCl2
После составления суммарных уравнений реакций обращаем внимание на то, что продуктами взаимодействия являются и малорастворимый гидроксид кальция и различные основные соли.
На вопрос почему в данном случае не образуется осадок черного цвета оксида меди (II), последовал логичный ответ, что при гидратации кальция теплоты выделяется меньше, чем при гидратации лития, а ее недостаточно для разложения Cu(OH)2 .
Данный демонстрационный эксперимент с использованием проблемного подхода, по реакции лития и кальция с солями, является убедительным и доказательным: действительно щелочные и щелочноземельные металлы не вытесняют менее активные металлы из растворов солей, а протекают более сложные процессы, в которых участвуют как молекулы воды, так и частицы соли.
Для проведения диализа коллоидных систем был избран оригинальный диализатор – природный образец (куриная скорлупа).
Для проведения эксперимента были использованы следующие системы:
Система 1: раствор белка – сульфат аммония,
Система 2: раствор белка – сульфат натрия,
Система 3: раствор белка – хлорид натрия.
Наполовину разбавленный раствор белка вносили в яичную скорлупу, приливали насыщенный раствор соли и помещали подготовленные системы (1, 2, 3) в стакан с дистиллированной водой. Через определенные промежутки времени ( 1 час, 2часа и т.д.) брали пробу из стаканов и приливали растворы BaCl2