Работа с малыми количествами реактивов не исключает вопроса использования отходов после проведения химических реакций. Эта работа необходима не только в целях экономии реактивов, а в первую очередь в целях воспитания учащихся (воспитание бережливости). На наш взгляд, выделение и использование веществ после химических опытов может стать одной из тем работы химического кружка. Такая работа будет воспитывать у учащихся бережное отношение к реактивам, будет развивать у них экспериментальные умения.
Использование остатков цветных металлов. В ученическом эксперименте из цветных металлов расходуются цинк и медь. Цинк необходим для опытов при изучении электрохимического ряда напряжений металлов. Его требуется около 10 г (из расчета, что в классе 30 учеников и каждый ученик для опыта получает одну гранулу цинка). При этом следует проследить, чтобы после образования слоя свинца учащиеся слили раствор, а цинк промыли водой. В этом опыте цинка расходуется очень мало (примерно 5 % от взятой массы в течение 30 мин).
Гораздо больше цинка расходуется, когда его используют для получения водорода и опытов с ним. Для получения водорода ученику выдается 2–3 гранулы. Следовательно, на класс требуется около 30 г цинка (при индивидуальном выполнении опытов). После выполнения опытов ученик должен:
а) слить в специальный сосуд раствор сульфата (хлорида) цинка;
б) промыть цинк водой. Использование солей цинка будет рассмотрено в дальнейшем.
Ценным реактивом является порошкообразная медь. Она получается при восстановлении меди из оксида меди (II) водородом, предельными углеводородами (парафином, вазелином и другими органическими веществами). Обычно у учащихся при проведении опыта не полностью восстанавливается медь. Так как трудно разделить смесь, состоящую из мелкодисперсной меди и порошка оксида меди (II), то следует провести во внеурочное время полное восстановление меди из смеси. Полученная медь легко окисляется на воздухе при нагревании. Ее можно использовать для решения экспериментальных задач. Например:
Cu→CuO→CuCl2→Cu(ОН)2
Использование продуктов разложения. При разложении малахита и гидроксида меди (II) получается много оксида меди (II), который составляет от 70 до 81 % взятой массы. Образующийся оксид меди (II) прокаливают и используют для других опытов. Так как он получается в дисперсном состоянии, то имеет большую реакционную поверхность (активное состояние). Этим можно объяснить, что с таким оксидом меди (II) реакции протекают быстро. Например, серная кислота без нагревания вступает с ним в реакцию; быстрее проходит процесс восстановления меди из оксида меди (II) водородом, углеводородами.
Для получения кислорода и изучения его свойств обычно используют перманганат калия. На класс затрачивается до 40 г этого вещества. При разложении 40 г KМnO4 получается примерно 35 г смеси оксида марганца (IV) и манганата калия KaMnO4. Эта смесь может быть использована для получения хлора. При действии на 35 г смеси избытка концентрированной соляной кислоты можно получить 5,6 л хлора.
Из указанной смеси при необходимости можно выделить чистый оксид марганца (IV). Смесь обрабатывают водой до получения раствора фиолетового цвета:
3K2МnО4 + 2Н2O = 2KМnO4 + MnO2 + 4KОН
После отстаивания сливают верхний жидкий слой. Это щелочной раствор перманганата калия, который может быть использован для изучения окислительно-восстановительных реакций на факультативных занятиях.
Осевший на дно оксид марганца (IV) можно отфильтровать, промыть, просушить и использовать для многих опытов. Из 40 г перманганата калия, израсходованного в опытах, можно получить 20 г оксида марганца (IV).
Продукты разложения перманганата калия могут быть использованы для дополнительного получения кислорода. Из 1 г марганцевых остатков (K2МnO4 и МnО2) можно получить примерно 50–60 мл кислорода. Образуется он при взаимодействии манганата калия с фосфорной кислотой (МnO2 в реакцию не вступает):
2K2МnO4 + 4Н3РO4 = 4KН2РO4 + 2МnO2 + O2 + 2Н2O
Реакция происходит при нагревании.
Ha 1 г марганцевых остатков необходимо 4 мл фосфорной кислоты. Так как реакция сопровождается вспениванием, то ее лучше всего проводить в колбе.
Продукты реакции (густая темная масса) разбавляют небольшим количеством воды и фильтруют. Выделенный оксид марганца (IV) несколько раз промывают водой и сушат.
В связи с тем что учащиеся не изучают соединения марганца, знакомить их с химизмом реакции не следует.
В опыте обезвоживания медного купороса получается большой выход сульфата меди. При его гидратации учащиеся ограничиваются, как правило, наблюдением образующихся кристаллов. Целесообразно в дальнейшем из продукта реакции приготовить раствор, необходимый для многих опытов.
Использование растворов веществ. При изучении водорода, воды и растворов, оксидов, гидроксидов, кислот и солей проводится большое число лабораторных опытов, при которых образуются растворы различных солей. Полученные растворы можно непосредственно использовать в опытах, или из этих растворов выделяют соли в твердом виде.
Опыты по получению водорода и изучению его свойств сопровождаются образованием растворов солей цинка или железа — сульфата или хлорида. Общий объем этих растворов большой. Так как по условиям реакции используется не вся кислота, она окажется в смеси с солью. Собрав с ученических столов раствор, необходимо довести реакцию кислоты с цинком (железом) до конца (с добавлением металла). Полученный раствор следует сохранить для проведения других опытов— при изучении амфотерности, проведении реакций обмена. Из раствора сульфата цинка или железа (II) можно путем упаривания выделить сухую соль. Хлорид цинка таким путем получить в кабинете не удается из-за большой гигроскопичности.
Иногда в химическом кабинете отсутствует хлорид кальция, который необходим для обменных реакций. Между тем много образуется хлорида кальция при получении оксида углерода (IV) из карбонатов действием соляной кислоты. При использовании такого раствора необходимо полностью нейтрализовать кислоту карбонатом. Из 100 мл раствора хлорида кальция можно выделить 3–3,5 г соли.
Следует также сохранять и использовать растворы солей алюминия, получающиеся в опытах взаимодействия алюминия с кислотами; солей меди, получающиеся при реакциях оксида меди (II), гидроксида меди (II) с различными кислотами.
Растворы веществ, которые готовят учащиеся на уроках (растворы солей с определенной массовой долей растворенного вещества, растворы молярной концентрации), следует сохранять и затем использовать в химическом эксперименте.
Особого внимания заслуживают соединения серебра, получающиеся в результате реакций. Речь идет о реакции «серебряного зеркала» и нерастворимых солях серебра: галогенидах и фосфатах (Ag3PO4). «Зеркало», или серебро в осадке, можно растворить в азотной кислоте (1:3). Полученным раствором можно пользоваться при распознавании галогенидов.
Нерастворимые соли серебра легко восстановить до свободного серебра. Для этого к солям приливают в два раза больше по объему серной кислоты (1:5) и добавляют несколько гранул цинка. Атомарный водород восстанавливает серебро:
H0 + AgCl = Ag↓+ Н+ + С1-
Образовавшийся серовато-черный осадок серебра отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и используют для приготовления нитрата серебра.
Выделение и использование органических веществ. По органической химии учащиеся проводят мало синтезов. Речь может идти о бромэтане и этилацетате (изоамилацетате). Этих веществ каждый ученик получает не более 5–10 капель. Тем не менее их необходимо обязательно собрать у учащихся, отделить синтезированные вещества от воды (делительной воронкой).
Полученный бромэтан промывают двойным объемом 10 %-ного раствора соды и выливают в склянку, плотно закрывающуюся пробкой. Для осушки бромэтана помещают в склянку несколько кусочков прокаленного хлорида кальция. Когда в лаборатории соберется 8–10 мл очищенного и осушенного бромэтана, его подвергают перегонке на водяной бане. Фракцию с температурой кипения 35–40°С собирают в склянку, плотно закрыв ее пробкой.
С собранным этилацетатом поступают следующим образом: отделяют его с помощью делительной воронки, промывают насыщенным раствором поваренной соли, затем водой, после чего осушают прокаленным сульфатом натрия. Через некоторое время эфир отделяют от осушителя и подвергают перегонке на водяной бане до температуры 79°С. Склянку с эфиром плотно закрывают пробкой.
Хотя изоамилацетата получается очень мало, однако его следует собрать, выделить из смеси с помощью делительной воронки, промыть раствором соды, осушить безводным сульфатом натрия. При перегонке собирают фракцию при температуре 143–145°С.
Собранные бромэтан, эфиры используют в качестве образцов.
Из рассмотренного видно, что при подготовке лабораторных опытов или практических работ учителю следует предусмотреть, какие продукты реакции нужно собрать. В связи с этим необходимо иметь сливы для различных веществ и выставлять их на демонстрационный стол, когда они требуются по содержанию занятий.
Безусловно, работа по использованию продуктов реакции является кропотливой, но вместе с тем интересной и необходимой. Для ее выполнения учителю химии следует привлечь лаборанта, членов химического кружка.
Возникает вопрос: нужно ли собирать все продукты реакций после выполнения опытов? Да, нужно в воспитательных целях. Однако не все они должны подвергаться очистке, не все они могут быть в дальнейшем использованы в работе (например, если будет очень малый выход продукта реакции, если образуется малоценный продукт и т. д.).
Литература:
1. Абдулхаева М. М., Мардонов У. М. «Химия». — Ташкент.: Узбекистан, 2002.
2. Левченко В. В., Иванцова М. А. «Опыты по химии с малым количеством реактивов». — М.: Учпедгиз, 1947.
3. Хомченко Г. П., Севастьянова К. И. «Практические работы по неорганической химии с применением полумикрометода». — М.: Просвещение, 1976.
