подготовка учащихся старших классов к экспериментальному

«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
ПОДГОТОВКА УЧАЩИХСЯ СТАРШИХ КЛАССОВ К
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ТУРУ ОЛИМПИАДЫ ШКОЛЬНИКОВ
С.С.Досмагамбетова, К.С.Тосмаганбетова
Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, г. Астана
guldi69@ mail.ru
www.enu.kz
С 1998 года преподаватели кафедры химии ежегодно участвуют в
организации экспериментального тура олимпиады школьников по химии
города Астаны.
Анализ заданий экспериментального тура химических олимпиад для
старших классов показывает, что превалируют работы по титриметрии. Это
вполне оправдано, поскольку титриметрические методы имеют важное
значение в количественном анализе. Они характеризуются быстротой
анализа,
простотой
оборудования,
возможностью
автоматизации
определения. Чувствительность индикаторных методов титриметрии
составляет 10-3- 10-4 моль/л, относительная погрешность около 0,1%.
Многолетний опыт работы преподавателей кафедры химии по
организации экспериментального тура выявил ряд проблем: трудности
организации экспериментального тура из-за отсутствия в химических
кабинетах школ необходимого минимума химической посуды и химических
реактивов, недостаточный уровень знаний теоретических основ методов
титриметрии и отсутствие у школьников практических навыков работы.
Анализ работ школьников показал так же, что, как правило, только 1-2
человека из участников химической олимпиады справляются с расчетами
полученных результатов титрования.
Поэтому в помощь учителю химии нами сделан подбор теоретического
и экспериментального материала для подготовки учащихся 10-11-х классов к
экспериментальному туру химической олимпиады.
Для рассмотрения предлагаем следующий обязательный теоретический
материал:
Методы титриметрического анализа. Классификация. Требования,
предъявляемые к реакции в титриметрическом анализе. Виды
титриметрических определений: прямое и обратное, косвенное титрование.
Способы выражения концентраций растворов в титриметрии. Эквивалент.
Молярная масса эквивалента. Первичные стандарты, требования к ним.
Фиксаналы. Вторичные стандарты. Виды кривых титрования. Скачок
титрования. Точка эквивалентности и конечная точка титрования.
Кислотно-основное титрование. Построение кривых титрования.
Примеры практического применения. Первичные стандарты для
установления концентраций растворов кислот и оснований. Приготовление и
стандартизация растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Титрование
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
кислот, оснований, смесей кислот и смесей оснований. Анализ смесей
карбоната и гидрокарбоната натрия, карбоната и гидроксида натрия.
Окислительно-восстановительное титрование. Построение кривых
титрования. Факторы, влияющие на характер кривых титрования:
концентрация ионов водорода, комплексообразование, ионная сила. Способы
определения конечной точки титрования; индикаторы. Методы
окислительно-восстановительного
титрования.
Перманганатометрия.
Определение железа(II), марганца(II), оксалатов, пероксида водорода,
нитритов.
Иодометрия и иодиметрия. Система иод-иодид как окислитель или
восстановитель. Определение арсенитов, арсенатов, железа (III), меди(II),
галогенид-ионов, пероксидов, кислот. Определение воды и функциональных
групп органических соединений.
Бихроматометрия. Определение железа(II), урана(IV).
Броматометрия, цериметрия, ванадатометрия, титанометрия, хромометрия.
Первичные и вторичные стандарты.
Индикаторы. Определение
неорганических и органических соединений.
Осадительное титрование. Построение кривых титрования. Способы
обнаружения конечной точки титрования; индикаторы. Погрешности
титрования. Примеры практического применения.
Комплексометрическое титрование. Неорганические и органические
титранты в комплексометрии. Использование аминополикарбоновых кислот
в комплексонометрии. Построение кривых титрования. Металлохромные
индикаторы и требования, предъявляемые к ним. Важнейшие универсальные
и
специфические
металлохромные
индикаторы.
Способы
комплексонометрического титрования: прямое, обратное, косвенное.
Селективность титрования и способы ее повышения. Погрешности
титрования.
Примеры практического применения. Определение кальция, магния, железа,
алюминия, меди, цинка в растворах чистых солей и при совместном
присутствии.
В целях формирования у учащихся практических навыков проведения
экспериментальных работ по титриметрии предлагаем для рассмотрения
следующий материал:
Точная мерная посуда. Виды мерной посуды. Мерные колбы для
приготовления растворов различных объемов ( 25, 50, 100, 200, 250, 500,
1000, 2000 мл). Пипетки (градуированная и простая (Мора)) для точного
измерения объема раствора (1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 50, 100 мл) при
перенесении в другой сосуд. Бюретки для измерения объема титранта: а) с
зажимом Мора ; б) со стеклянным затвором –шариком в) со стеклянным
краном (15, 20, 25, 50, 100 мл ).
Аналитические весы. Взятие навески. Правила взвешивания на
технохимических и аналитических весах.
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
Техника работы с мерной посудой. Отсчет уровня растворов при
исльзовании пипеток, бюреток, мерных колб. Техника отбора точного объема
раствора с помощью пипетки.
Техника проведения титрования.
Следует обратить внимание на правильность набора жидкости в
пипетку, отсчета уровня жидкости, доведение объема жидкости в мерной
колбе «до метки».
В задания теоретического тура последних лет были включены задачи
по количественному анализу, которые решаются по основным расчетным
формулам титриметрического анализа.
Приведем примеры из олимпиадных заданий теоретического тура для 11
класса областного этапа разных лет (в скобках указано количество баллов,
которое дается за выполнение данного задания из общих 70 баллов):
Пример1, Ионные равновесия в растворах , №11-5-2011 (10 баллов ).
1. Рассчитайте аналитическую концентрацию для каждого из следующих
растворов:
 раствор 𝐻𝐶𝑙, 𝑝𝐻 = 4,00 (раствор А),
 раствор СН3 СООН, 𝑝𝐻 = 4,00 (раствор В, рКа= 4,76),
 раствор Н2 𝑆𝑂4 , 𝑝𝐻 = 4,00 (раствор С, рКа2= 1,99).
2. Рассчитайте рН следующих смесей:
 равные объемы раствора А и раствора NаОН (рОН=4),
 равные объемы раствора В и раствора NаОН (рОН=4),
 равные объемы растворов А и В,
 равные объемы растворов А и С.
3. Рассчитайте значения рН в трех точках эквивалентности (рН1, рН2, рН3
при титровании 0,100 М фосфорной кислоты (рКа1= 2,2, рКа2= 7,2, рКа3=
12,4) 0,100 М раствором гидроксида натрия.
Пример 2, Электролиты, №11-4-2011, (7 баллов).
Константа диссоциации уксусной кислоты равна 1,75∙10 -5. Определить массу
ацетата натрия, которую необходимо добавить к 300 мл 0,1 М раствора
уксусной кислоты, чтобы понизить концентрацию водорода в растворе в 100
раз.
При выборе эксперимента для проведения химических олимпиад
обычно руководствуются следующими критериями:
Безопасность. Это особенно важно, учитывая невысокую квалификацию
школьников. С целью обеспечения безопасности перед началом
экспериментального тура необходимо проводить краткий инструктаж.
Функциональность. Задания содержат в себе и теоретическую и
практическую проблему. Они составляются таким образом, чтобы у
участников была возможность проявить как можно более широкий набор
своих умений. Так, в задании 11 класса участник выполняет операции
взвешивания, измерения объемов (цилиндр, пипетка), фильтрования,
приготовление растворов (мерная колба), титрования (бюретка).
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
Подготовка к экспериментальному туру школьной олимпиады включает
следующие этапы:
1. Обсуждение с учеником теоретических основ методов, уравнения реакции,
на которых основан данный метод.
2. Обсуждение методики выполнения работы.
3. Список необходимых реактивов и химической посуды.
4. Приготовление необходимых реактивов и химической посуды.
5. Выполнение эксперимента.
6. Расчетные формулы.
7. Расчет погрешности аналитического определения.
В помощь учителю химии нами разработан образец выполнения задания
по экспериментальному туру школьной олимпиады старших классов на
примере определения жесткости воды методом кислотно - основного
титрования.
Образец выполнения задания по экспериментальному туру школьной
олимпиады старших классов.
Тема: Определение жесткости воды методом кислотно - основного
титрования.
1. Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность
свойств такой воды – жесткостью. Жесткая вода образует накипь на
стенках паровых котлов, отопительных приборов и бытовой
металлической посуды.
Жесткость воды является одним из основных показателей ее качества и
определения пригодности к использованию. Ионы Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+,Sr2+,
Ba2+ обусловливают жесткость природных вод. Так как концентрация этих
ионов в воде (за исключением Ca2+, Mg2+) крайне незначительна, то общая
жесткость природных вод характеризуется суммой ионов Ca2+ и Mg2+. За
единицу жесткости принимают жесткость воды в одном литре которой
содержится один миллимоль (ммоль) эквивалент ионов Са2+ или Mg2+.
Числовое значение жесткости, выраженное в ммоль/л, совпадает со
значением в моль/м3.
Различают карбонатную (временная, устранимая), некарбонатную
(постоянная, неустранимая), общую жесткость:
 карбонатная жесткость – это совокупность свойств воды, обусловленных
присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния. Часто этот вид
жесткости называют временной или устранимой;
 некарбонатная жесткость – совокупность свойств воды, обусловленных
присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов
кальция, магния. Этот вид жесткости также называют постоянной или
неустранимой;
 общая жесткость, складывается из карбонатной и некарбонатной
жесткости. Она равна сумме концентраций ионов Са2+, Mg2+.
Карбонатную жесткость определяют титрованием воды стандартным
раствором соляной кислоты.
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
По величине жесткости различают воду:
- очень мягкую
< 1, 5 единиц
- мягкую
1, 5 – 3 единиц
- среднюю
3, 6 – 6, 0 единиц
- жесткую
6, 0 – 9, 0 единиц
- очень жесткую
> 9, 0 единиц.
Одна единица жесткости соответствует массовой концентрации ионов Са2+,
равной 20, 4 мг/л или ионов Mg2+, равной 12, 15 мг/л.
Метод определения основан на реакции кислотно-основного взаймодействия:
Н+ + ОН− → Н2 О
Основной закон, используемый для определения концентрации растворов
методом титрования, – закон эквивалентов:
С
∙𝑉
Нвр = экв.т т ∙ 1000 (1),
𝑉п
где Сэкв п – молярная концентрация эквивалента пробы, моль экв/л;
Сэкв т – молярная концентрация эквивалента титранта, моль экв/л;
Vп – заданный объем пробы, мл;
Vт – объем раствора титранта, израсходованного на титрование, мл.
2. Список необходимых реактивов и химической посуды :
Соляная кислота, НСl, 0,10 М раствор;
Анализируюмая проба жесткой воды;
Метиловый оранжевый, 0,10%-й раствор;
Бюретка емкостью 25,00 мл;
Пипетка емкостью 100,00 мл;
Колбы для титрования емкостью 250,0 мл;
Воронка
3. Выполнение эксперимента:
Стандартизация
соляной кислоты по декагидра
т у т е т р а б о р а т а н а т р и я 𝑁а𝟐 В4 О 7 ∙ 10Н2 О (б у р а).
Бура при растворении взаимодействует с водой:
В4 О 7 2− + 5Н2 О = 2Н3 ВО3 + 2Н2 ВО −
3
и образовавшиеся Н2ВО3 -ионы в свою очередь подвергаются гидролизу:
Н2 ВО −
+ Н2 О ↔ ОН− + Н3 ВО3
3
ОН- -ионы оттитровываются кислотой, и гидролиз идет до конца.
Суммарно реакцию титрования можно выразить уравнением:
В4 О 7 2− + 2Н+ + 5Н2 О ↔ 4Н3 ВО3
и молярная масса эквивалента буры равна:
½ М 𝑁а𝟐 В4 О 7 ∙ 10Н2 О =
381,42
= 190,71г/моль
2
П р и г о т о в л е н и е 0,1 н р а с т в о р а
Расчет навески при объеме мерной колбы 250 мл:
б у р ы.
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
𝑚буры =
Сн ∙ 𝑓экв. ∙ 𝑀𝑟 ∙ 𝑉к 0,1 · 381,42 · 250
=
1000
2 · 1000
= 4,77 г
Рассчитанную навеску отвешивают с точностью до 0,0002 г в
предварительно взвешенном бюксе, переносят в небольшой стакан,
растворяют в горячей воде. Горячий раствор аккуратно переносят через
воронку в мерную колбу. Стакан и воронку несколько раз омывают горячей
водой. Промывные воды собирают в ту же мерную колбу. Раствор
охлаждают до комнатной температуры и разбавляют его водой до метки.
Колбу плотно закрывают пробкой, и раствор тщательно перемешивают.
При
расчете
титра
и
нормальной
концентрации
раствора
декагидрататетрабората натрия используют формулы:
Тбуры =
Сн =
𝑚
𝑉
;
Т · 1000
𝑓экв. ∙ 𝑀𝑟 (𝑁а𝟐 В4 О 7 ∙ 10Н2 О)
4. П р и г о т о в л е н и е 0,1 н. р а с т в о р а х л о р о в о д о р о д н о
й
к и с лот ы HCl.
Требуется приготовить 1 л 0,1 н. раствора из концентрированного
раствора хлороводородной кислоты.
Ареометром определяют плотность концентрированного раствора
хлороводородной кислоты, которая равна 1,186 г/мл.
По справочнику находят: в 100 г концентрированного раствора
кислоты плотность 1,186 г/мл, содержится
37,23 г хлороводорода
(округленно 37 г). Дальнейшие расчеты ведутся следующим образом.
1. Масса необходимого хлороводорода:
2. m HCI = Сн · fэкв · Mr HCI = 0,1 · 1 · 36,5 = 3,65 г
3. Составляют пропорцию:
в 100 г конц. раствора кислоты содержится 37 г НСI
в х г
-//3,65 г
х =
100 г · 3,65 г
37 г
= 9,87 г
Для вычисления необходимого объема концентрированного раствора
кислоты найденную его массу следует разделить на плотность раствора:
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
Vкислоты =
9,87 г
1,186 г/мл
= 8,29 мл.
Рассчитанный
объем
8,29
мл
концентрированного
раствора
хлороводородной кислоты отмеряют пипеткой и переносят в мерную колбу
на 1 л, разбавляют дистиллированной водой до метки, плотно закрывают
пробкой, тщательно перемешивают и проводят стандартизацию
приготовленного 0,1 н. раствора титрованием 0,1 н раствором буры.
Титрование. Пипеткой (предварительно ее моют и ополаскивают раствором
буры) отмеряют 20 мл (можно 15 мл или 25 мл) раствора буры и выливают в
коническую колбу. Прибавляют 1 каплю раствора индикатора метилового
оранжевого.
Приливают
из
бюретки,
непрерывно
помешивая,
приготовленный раствор кислоты до получения бледно-розовой окраски.
(Для удобства при определении цвета раствора под колбу можно подложить
белую бумагу).
Титрование повторяют три раза. Результаты каждого титрования должны
отличаться один от другого не больше чем на 0,1 мл.
Пример записи в журнале:
Взято раствора буры, мл
На
титрование
раствора НСI, мл
израсходовано
20,0
20,1
20,0
19,9
20,0
20,0
среднее 20,0 мл
среднее 20,0 мл
Нормальность кислоты вычисляют по среднему значению из трех
определений. Расчет ведут по формуле:
V кисл
V буры
=
Сн буры
Сн кисл
(2)
Сн кисл =
Сн буры ∙V буры
V кисл
(3)
Подставляя в выражение (3) данные из приведенного выше примера,
получаем:
0,1 ∙ 20,0
Сн кисл =
= 0,10н
20,0
Методика определения жесткости воды.
В колбу для титровния отбирают пипеткой 100,0 мл анализируемой воды,
прибавляют 2 капли метилового оранжевого и титруют раствором соляной
кислоты до перехода окраски индикатора из желтой в розовую. Титрование
проводят несколько раз. Полученные результаты записывают в таблицу и
рассчитывают среднее значение объема соляной кислоты, пошедшей на
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
титрование. Расчет карбонатной жесткости воды проводят по выше
приведенной формуле (1) и заполняют таблицу.
Таблица 1. Результаты измерений и расчетов
№
опыта
1
2
3
Vп,
мл
100
100
100
Сэкв т,
моль экв/л
0,1
0,1
0,1
Vп,
мл
5,1
5,0
5,1
V п,
мл
Нвр,
ммоль экв/л
5,1
5,1
В помощь учителю химии при подготовке учащихся к олимпиаде
рекомендуем следующий список литературы :
1. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. М.:
Химия, 1974. - 408 с.
2. П.Крешков. Основы аналитической химии. 1 – 3 т.т. М. :Химия, 1971.
3. В.Н.Алексеев. Курс качественного полумикроанализа. М.: Химия,
1973.–584 с.
4. В.П.Васильев. Аналитическая химия.1-3 кн. М.: Дрофа, 2004.
5. Ю.А.Золотов. Основы аналитической химии, 1, 2т. М.:Химия,2000.
6. В.П.Васильев Аналитическая химия. Сборник вопросов, упражнений
и задач по количественному анализу. М.: Дрофа, 2004. – 319 с.
7. Э.Ю.Янсон, Я.К.Путнинь. Теоретические основы аналитической
химии. М.:Химия, 1980. – 261 с.
8. Д.Скуг, Д.Уэст. Основы аналитической химии. В 2-х т. М.: Химия,
1979.
9. Дж. Батлер. Ионные равновесия. Л.:Химия, 1973. – 446 с.
10.А.К.Ташенов,С.С.Досмагамбетова. Аналитическая химия.
Количественный анализ. Химические методы, часть1, Астана 2003.40с.
Вывод
В данной статье предложен материал для подготовки учащихся к
экспериментальному туру химической олимпиады, который является
достаточным для достижения учащимися высоких результатов.
Литература:
1. А.К.Ташенов,С.С.Досмагамбетова. Аналитическая химия.
Количественный анализ. Химические методы, часть1, Астана
2003.-40с.
2. Лунин В.В., Архангельская О.В., Тюльков И.А. Всероссийская
олимпиада школьников по химии в 2006 году / Научн. редактор
Э.М.Никитин.– М.: АПК и ППРО, 2006. – 144 с.
«ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ» секциясы
Секция «ХИМИЯ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ»
3. Чуранов С.С., Демьянович В.М. Химические олимпиады
школьников. – М.: Знание, 1979. – 63с.
4. Белых З.Д. Проводим химическую олимпиаду. – Пермь: Книжный
мир, 2001. – 45с.
5. Задачи Всероссийской олимпиады школьников по химии / Под
общей редакцией академика РАН, профессора В.В.Лунина – М:
Экзамен, 2003. – 22с.