по выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ
УНИВЕРСИТЕТ
К.Ю. Фроленков
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
по курсу
Составитель: канд. техн. наук,
доцент кафедры химии
К.Ю. Фроленков
Рецензент: канд. физ.-мат. наук,
доцент кафедры физики
В.Н. Преснецов
Методическая разработка содержит указания для подготовки и выполнения лабораторных работ по курсу «Концепции современного
естествознания». Она предназначена для студентов экономических специальностей дистанционной (заочной) формы обучения.
Редактор Е.В. Русанова
Инженер по макетированию и вёрстке М.С. Ветрова
Подписано к печати 10.01.2002 г. Формат 6084 1/16.
"КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ"
Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,5. Тираж 300 экз. Заказ №
Отпечатано с готового оригинал-макета
на полиграфической базе ОрелГТУ,
г. Орёл, ул. Московская, 65.
Печатается по решению редакционноиздательского совета ОрелГТУ
 ОрелГТУ, 2002.
ОРЕЛ 2002
 Фроленков К.Ю., 2002.
Содержание
1 Введение
Стр.
1 Введение ........................................................................................... 4
2 Лабораторные работы
Лабораторная работа № 1 .............................................................. 12
Лабораторная работа № 2 .............................................................. 16
Лабораторная работа № 3 .............................................................. 23
Лабораторная работа № 4 .............................................................. 34
Литература......................................................................................... 54
Приложение ...................................................................................... 56
Лабораторный практикум является одной из важнейших составных
частей курса «Концепции современного естествознания». В настоящих
методических указаниях представлены описания двух лабораторных
работ по физическим основам и двух лабораторных работ по основам
химии.
Для выполнения лабораторных работ студенты должны заранее
ознакомиться с теоретическим материалом и заготовить черновик с
оформленной теоретической частью отчета, так как время, отводимое
на каждую работу, ограничено и предназначено в основном на монтаж
установки, подготовку реактивов, проведение измерений или опытов и
обработку полученных результатов.
1.1 Правила техники безопасности и общие указания
по выполнению лабораторных работ
Поскольку в лаборатории находятся различные электроприборы,
оборудование, ядовитые и взрывоопасные вещества, студенты должны
строго соблюдать следующие правила внутреннего распорядка и техники безопасности.
1. К работе допускаются лица, прошедшие инструктаж по правилам
техники безопасности и расписавшиеся в специальном журнале, который имеется в лаборатории.
2. Вход в лабораторию в верхней одежде запрещается.
3. При выполнении работ необходимо соблюдать следующие правила:
а) при нахождении в помещении лаборатории студенты обязаны
выполнять все указания преподавателя;
б) перерывы в выполнении работ могут быть сделаны только с разрешения преподавателя;
в) работайте тщательно, аккуратно, без излишней торопливости; соблюдайте тишину в лаборатории; не загромождайте свое рабочее место
лишними предметами;
г) прежде чем приступить к работе по данной теме, тщательно изучите ее по описанию; ознакомьтесь с необходимыми приборами, оборудованием, реактивами;
д) не трогайте без разрешения преподавателя химические реактивы,
рубильники, электроприборы, лабораторное оборудование; начинать
работу можно только с разрешения преподавателя;
е) каждая работа проводится со специально для нее предназначенными приборами, оборудованием и химическими реактивами; брать
какие-либо приборы, оборудование и химические реактивы без разрешения преподавателя запрещается;
ж) запрещается касаться любых металлических частей электрического оборудования и приборов, за исключением ручек управления, снабженных специальными изолирующими рукоятками; запрещается касаться вращающихся движущихся и нагреваемых частей лабораторных
установок, а также вскрывать панели, корпуса и защитные кожухи
устройств, аппаратуры и оборудования; все регулировки, переключения выполняются одной рукой, другая рука должна быть свободна;
з) при возникновении опасной ситуации необходимо немедленно
прекратить опыт, отключить стенд, приборы или всю установку при
помощи общего выключателя стенда, нейтрализовать химические реактивы и сообщить преподавателю;
и) нельзя брать химические реактивы руками и пробовать на вкус;
при определении вещества по запаху следует держать склянку на расстоянии и направлять движением руки воздух от отверстия склянки к
носу; опыты с ядовитыми веществами, концентрированными кислотами
и щелочами проводят только под тягой; при переливании реактивов
нельзя наклоняться над отверстием сосуда во избежание попадания
брызг на лицо и одежду; нельзя наклоняться над нагреваемой жидкостью, так как ее может выбросить; разбавляя концентрированные кислоты, особенно серную, осторожно вливают кислоту в воду;
к) не расходуйте реактивы больше требуемого количества; нельзя
уносить реактивы общего пользования на свое рабочее место; после
опытов остатки реактивов собирают в специальные емкости;
л) в случае порчи или неисправности какого-либо прибора или оборудования немедленно сообщите преподавателю;
м) внимательно наблюдайте за ходом опыта, отмечая и записывая
каждую его особенность; закончив выполнение работы, студент обязан
предъявить преподавателю результаты опытов.
4. После окончания работы студенты должны отключить оборудование, помыть химическую посуду, привести в порядок рабочее место и
расставить стулья.
5. В течение месяца студент должен предоставить преподавателю
оформленный отчет и отчитаться по выполненной работе.
6. Студенты, опоздавшие на занятия, к работе не допускаются.
7. Студенты, пропустившие занятия по уважительной причине, по
договоренности с преподавателем должны выполнить пропущенные
работы в дополнительное время, не нарушая нормального графика.
1.2 Оформление отчета
Для оформления отчета по лабораторному практикуму можно использовать бумагу двух форматов: стандартные листы размером
210х297 мм или листы из ученической тетради (желательно в клетку)
размером 170х205 мм.
Первый и последний листы отчета являются обложкой. Лицевая
страница обложки должна содержать номер и название лабораторной
работы, номер группы и фамилию студента, выполнившего эту работу,
фамилию преподавателя, проверившего ее выполнение (см. приложение). Писать на лицевой странице нужно аккуратно, чертежным шрифтом, чернилами, тушью или шариковой авторучкой.
Задняя страница обложки должны быть чистой. Внутренние страницы обложки используются так же, как и остальные листы отчета.
Все листы отчета вместе с обложкой должны быть аккуратно скреплены металлическими скрепками или прошиты нитками.
Отчет должен содержать:
1. Лабораторные работы по физическим основам:
а) указание цели работы;
б) описание метода исследования;
в) описание лабораторной установки. В этом пункте следует: вопервых, перечислить используемые в эксперименте приборы с указанием их класса точности (если он имеется) и верхнего предела измерений;
во-вторых, схематически нарисовать установку;
г) таблицы для записи измерений;
д) формулы, необходимые для вычислений, и сами вычисления искомых величин, расчет погрешностей этих вычислений. Все вычисления физических величин необходимо проводить в системе СИ;
е) выводы. В выводах указывается оценка полученного результата и
погрешность его определения, а также перечисляются установленные
закономерности и даются их объяснения.
2. Лабораторные работы по основам химии:
а) указание цели работы;
б) номер и название опыта;
в) краткое описание работы, содержащее условия проведения опыта,
качественные признаки реакций (изменение цвета, выпадение осадка
или его растворение, цвет осадка, выделение газа, его цвет, запах,
нагревание или охлаждение системы и т.д.);
г) рисунок или схему прибора, если им пользуются;
д) уравнения всех протекающих реакций;
е) запись количественных результатов измерений (желательно в
форме таблицы);
ж) формулы, необходимые для вычислений (если работа носит количественный характер), расчеты, погрешности вычислений;
з) выводы.
После окончания всех записей отчет должен быть подписан студентом.
результаты прямых измерений тех физических величин, с которыми
искомая величина связана определенной закономерностью. Например,
скорость движения тела V можно определить по формуле
V=
1.3.1 Виды измерений
Измерения разделяют на два вида: прямые и косвенные. При прямом
измерении искомая величина определяется непосредственно по показаниям измерительного прибора: время – по секундомеру, давление – по
барометру и т. д. Косвенные измерения приходится проводить тогда,
когда нет возможности осуществить прямые измерения. Результат косвенного измерения получается по формуле, в которой используются
(1)
где S – расстояние, пройденное телом;
t – время движения.
Точность вычисленной таким образом величины зависит от точности
прямых измерений величин, входящих в расчетную формулу.
1.3.2 Виды погрешностей измерений и их оценка
Погрешность результата измерения х есть отклонение измеряемой
физической величины х от ее истинного значения хu:
1.3 Измерение физических величин. Погрешности измерений
Целью каждой лабораторной работы является измерение физических
величин и проверка физических или химических законов. При этом изза несовершенства методов и средств измерений и непостоянства условий измерений получают не истинное значение измеряемой величины, а
ее приближенное значение. Иными словами, все измерения можно производить только с определенной степенью точности.
Точность измерения определяется той наименьшей частью единицы
меры, до которой с уверенностью можно провести измерение. Поэтому,
естественно, возникает вопрос о степени достоверности результата измерения.
S
,
t
х = х – хu
(2)
Эта погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины,
называется абсолютной погрешностью измерения. Если погрешность
представлена в долях или процентах от значения измеряемой величины,
то ее называют относительной погрешностью:
=
Δх
Δх
, или  =
100%
х
х
(3)
Погрешности подразделяют на систематические, случайные и промахи.
Промахи (просчеты) возникают в результате небрежности или
ослабления внимания экспериментатора; они должны быть исключены
из результатов наблюдений. Их легко выявить, поскольку они значительно отличаются от остальных результатов измерений.
Систематические погрешности являются следствием несовершенства приборов и недостатков методики измерения. Они всегда дают отклонение результатов измерения от истинного значения в одну и ту же
сторону. Систематические погрешности устраняют путем проверки
приборов и совершенствования методики эксперимента.
К систематическим погрешностям относят, например, инструментальные погрешности, характеризуемые классом точности прибора.
Класс точности  есть взятое в процентах отношение абсолютной погрешности х данного прибора к нормирующему значению хn:
=
Δх
100%
хn
(4)
Нормирующее значение хn принимается равным:
а) конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы, т.е. максимальному значению измеряемой величины (хn = хmax);
б) сумме конечных значений шкалы прибора (без учета знаков), если
нулевая отметка находится внутри шкалы
(хn = хmax слева от нуля + хmax справа от нуля);
в) длине неравномерной шкалы прибора.
Класс точности  указывается на шкале прибора в виде цифры с запятой следующими способами. Например, для класса точности, равного
единице: 1,0; 1,0; 1,0.
Для всех приборов, у которых класс точности обозначается первыми
двумя способами, постоянной по всей длине шкалы является абсолютная погрешность. У приборов, у которых класс точности обозначен третьим способом, постоянной по длине шкалы является относительная
погрешность.
Зная класс точности, можно вычислить абсолютную х и относительную  погрешности приборов по формулам:
х = 
=
хn
,
100%
Δх
хn
=
х
х100%
(5)
(6)
Если у прибора нет паспорта, не обозначена абсолютная погрешность и не указан класс точности, то абсолютную погрешность такого
прибора считают равной половине цены наименьшего деления шкалы.
Если прибор имеет несколько шкал, то каждая шкала имеет свою абсолютную погрешность.
Случайные погрешности являются следствием случайных, неконтролируемых помех, влияние которых на процесс измерения невозможно учесть непосредственно. Этих помех очень много, они различной
физической природы и отличаются силой воздействия на процесс измерения. Можно принимать меры к устранению наиболее влиятельных
помех, но все их полностью устранить нельзя. Случайные погрешности
могут отклонять результаты измерений от истинного значения в обе
стороны, и их влияние учитывается посредством определенной обработки результатов измерения физической величины.
Для исключения случайных ошибок, возможных при каждом измерении, измерения следует производить несколько раз. Если каждое измерение дает отличный от других результат, то в этом случае случайная
погрешность играет существенную роль. Ясно, что от нее избавиться
невозможно, однако можно добиться ее уменьшения путем увеличения
числа измерений.
Пусть, проведя n измерений физической величины х, мы получили
несколько отличающихся друг от друга чисел х1, х2, …хn. Каждое из
них, в свою очередь, несколько отличается от истинного значения хu.
Найдем их среднее значение
<x> =
х1  х 2  ...  х n 1 n
=  хi
n
n i 1
(7)
Учитывая случайный характер величин хi, можно утверждать, что
число <x> ближе к истинному значению, чем каждое из n результатов
измерений. Поэтому в качестве результата измерения величины х будем
понимать число <x>.
Согласно теории погрешностей за величину случайной погрешности
принимается средняя квадратическая погрешность <x>, которая учитывает все комбинации случайных возмущающих факторов в эксперименте:
2 Лабораторные работы
n
<x> =
 (х   x )
i 1
2
i
n(n  1)
,
(8)
Обычно считают, что
<x> – <x>  xu  <x> + <x>.
(9)
Отношение  =<x>/<x> называется относительной погрешностью
измерения. Часто ее выражают в процентах.
1.3.3 Точность вычислений и запись результатов измерений
Точность обработки числового материала должна быть согласована
с точностью самих измерений. Экспериментаторы придерживаются
простого правила: погрешность, получающаяся в результате вычислений, должна быть на порядок, т.е. в десять раз, меньше суммарной погрешности измерений. При этом можно быть уверенным в том, что в
процессе арифметических вычислений существенно не исказятся результаты измерений. Вычисления следует проводить, используя максимум две значащие цифры. При записи результата измерений, т.е. величины <x>, последней значащей цифрой следует указывать ту, разряд
которой соответствует младшему разряду погрешности измерений.
Например, нашли, что скорость тела <V> = 6,75 м/с, погрешность измерения при этом <V> = 0,2 м/с. Ответ следует записать так: V = (6,7 
0,2) м/с.
2.1 Лабораторная работа № 1
Измерение скорости пули с помощью баллистического маятника
Цель работы: найти скорость пули.
Приборы и принадлежности: баллистический маятник, пружинная
пушка, шкала для отсчета, набор пуль, весы, набор разновесов.
Метод измерений: на основании законов сохранения импульса и
энергии по прямым измерениям отклонений баллистического маятника
вычисляется скорость пули.
Введение
Настоящая работа представляет собой один из примеров практического использования процесса неупругого удара для определения скорости полета пули методом баллистического маятника.
Баллистический маятник представляет собой массивный цилиндр,
подвешенный на практически нерастяжимых нитях. На некотором расстоянии от цилиндра вдоль его оси располагается пружинная пушка.
Скорость пули, выпущенной пушкой, определяют по отклонению первоначально неподвижного маятника. Если время t соударения пули с
маятником мало по сравнению с периодом его колебаний Т (t<<T), то
маятник не успевает заметно отклониться от положения равновесия за
время неупругого соударения. Это значит, что во время удара не возникает силы, стремящейся вернуть маятник в исходное положение. Поэтому в таком случае систему «пуля – маятник» можно рассматривать
как замкнутую и применять к ней закон сохранения импульса:
mV = (M + m) V1,
(10)
где m – масса пули;
V – скорость пули;
М – масса маятника;
V1 – скорость, которую приобретает система «пуля – маятник»
после удара.
Если массы M, m и скорость V1 найдены из опыта, то тогда ско-
рость V может быть вычислена из соотношения (10). Очевидно, массы
m и М можно определить путем взвешивания. Скорость же системы
«пуля–маятник» V1 можно найти из следующих соображений. После
удара маятник повернется вокруг горизонтальной оси, и его центр тяжести поднимется на высоту h (рис.1). Закон сохранения механической энергии при движении маятника после удара запишется так:
Mm 2
V1 = (М + m) gh,
2
(11)
h = ℓ – ℓ cos = ℓ·2sin2 (/2) , sin  = d/ℓ. При небольших углах отклонения можно принять sin(/2)  d/2ℓ. Тогда:
h=ℓ·2
mV = (M + m)
2gh .
(12)
4 2
=
d2
,
2
(13)
где ℓ – длина нити.
С учетом выражений (12) и (13) выражение (10) можно записать следующим образом:
откуда следует:
V1 =
d2
g
d2
= (M + m) d
,
2g

2
откуда найдем выражение для скорости пули:
В опыте проще измерить горизонтальное отклонение маятника d,
чем высоту h . Выразим h через d. Для этого воспользуемся рис. 1.
V=
Mm
g
d
m

(14)
Экспериментальная установка

ℓ
5
4
h
3
d
Рисунок. 1
2
1
Рисунок. 2
2 Схема установки
представлена
на
рис. 2. Установка
состоит
из
баллистического
маятника
–
1,
подвешенного
на
нитях – 5, пружинной
пушки
–
2,
измерительной шкалы
для отсчета – 4, пули
– 3. Пружинная пушка
представляет
собой
стальную
трубку,
внутри
которой
закреплена одним концом жесткая пружина. На другом конце укреплен
толкатель и ручка, с помощью которой сжимается пружина.
Проведение эксперимента и обработка опытных данных
1. Взвесить пули и баллистический маятник. Записать значения m и
M.
2. Подвесить тело маятника на нитях, отрегулировать длину нитей
так, чтобы направление оси цилиндра было горизонтально к поверхности стола и перпендикулярно к линии, соединяющей обе точки подвеса.
Следить за тем, чтобы нити подвеса не перекручивались.
3. Замерить длину нитей ℓ.
4. Установить шкалу, предназначенную для определения отклонения маятника, параллельно отсчетной рамке маятника на расстоянии 56 мм от нее.
5. Расположить заряженный пистолет вблизи маятника так, чтобы
оси их цилиндров совпадали и пистолет почти касался маятника.
6. Отметить деление n1, шкалы маятника, находящегося в покое.
7. Произвести выстрел и отметить, до какого деления n2 отклонится
маятник.
8. По разности (n2 – n1) найти величину отклонения маятника d в
метрах.
9. Выстрел произвести пять раз с пулей массой m1 и один раз с пулей
массой m2.
10. Вычислить скорость пули по формуле (14).
11. Найти погрешность косвенного измерения скорости пули.
12. Все опытные данные и результаты расчетов занести в таблицы 1
и 2.
Таблица 1
5
N
m,
М,
ℓ,
d,
Vi,
Vi
опыта
кг
кг
м
м
м/с
i 1
<V> =
, м/с

5
1
2
3
4
5
6
m1
m2
Таблица 2
5
N
опыта
<V> - Vi,
м/с
<V> =
 ( V   V )
2
i
i 1
20
,
<V>=
ΔV
V
м/с
1
2
3
4
5
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон сохранения импульса.
2. Сформулируйте закон сохранения механической энергии.
3. Более тяжелая или более легкая пуля будет вылетать из пружинного пистолета с большей скоростью и почему?
4. Может ли тело иметь импульс и не иметь при этом энергии? А
наоборот может быть? Объясните.
5. Кинетические энергии легкого и тяжелого тел одинаковы. У какого из них больше импульс?
6. Можно ли определить скорость пули массой m2, если известна
скорость пули массой m1?
7. Найдите изменение механической энергии системы «пулямаятник» после неупругого соударения.
2.2 Лабораторная работа № 2
Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса
Цель работы: определить коэффициент внутреннего трения вязких
жидкостей (глицерин, касторовое масло).
Приборы и принадлежности: стеклянный сосуд с жидкостью, металлические шарики, микрометр, секундомер, масштабная линейка,
штангенциркуль, воронка для спуска шариков в сосуд, сетка для сбора
шариков.
Метод измерений: определение скорости движения шарика в жидкости позволяет по методу Стокса вычислить ее динамическую вязкость.
Введение
Вязкостью, или внутренним трением называется свойство всех веществ оказывать сопротивление деформации сдвига, пропорциональное
градиенту скорости.
Возникновение сопротивления, обусловленного вязкостью жидкости, объясняется следующим образом.
Представим себе две пластинки, разделенные плоскопараллельным
слоем жидкости (рис. 3). Рассмотрим, что произойдет, если перемещать
верхнюю пластинку относительно нижней в направлении вектора скорости V . Мысленно разобьем жидкость на слои. Молекулы жидкости,
ближайшие к верхней пластинке, прилипают к ней и в силу этого начинают перемещаться вместе с верхней пластинкой с той же скоростью.
Эти молекулы, в свою очередь, увлекают молекулы следующего слоя и
т. д. Слой молекул, непосредственно прилегающих к нижней неподвижной пластинке, остается в покое, а остальные слои перемещаются,
скользя друг по другу со скоростями тем большими, чем больше их
расстояние от нижнего слоя. Вязкость, или внутреннее трение жидкости, проявляется в форме силы, препятствующей относительному сдвигу соприкасающихся слоев жидкости, а следовательно, и сдвигу пластинок относительно друг друга.
у
V
V1
у
ΔV
V2
x
0
Рисунок. 3
Величина сопротивления, обусловленного вязкостью жидкости, зависит от разности скоростей между ее слоями и расстояния между ними. Чем больше меняется скорость жидкости при переходе от слоя к
слою, тем больше величина вязкого сопротивления.
Чтобы охарактеризовать величину изменения скорости по толщине
слоя жидкости, вводят понятие градиента скорости:
lim
Δy  0
ΔV dV

,
Δy dy
который характеризует изменение скорости движения слоев жидкости
на единицу длины в направлении внутренней нормали к поверхности
слоя.
При ламинарном течении (т.е. без завихрений) сила внутреннего
трения вычисляется по формуле Ньютона F  ηS
τη
dV
,
dy
dV
, или
dy
(15)
где F – сила внутреннего трения;
S – площадь поверхности скользящих друг по другу слоев;
 = F/S – касательное напряжение, или напряжение трения;
 – множитель пропорциональности, зависящий от природы
жидкости, называемый коэффициентом внутреннего трения, динамической вязкостью, а часто и просто вязкостью.
Как следует из выражения (15), коэффициент динамической вязкости  численно равен напряжению трения при градиенте скорости, равном единице.
Необходимо отметить, что помимо динамического коэффициента
вязкости в физике используется понятие кинематического коэффициента вязкости  =  / , где  – плотность жидкости.
Коэффициент внутреннего трения зависит от температуры, для жидкостей  уменьшается с повышением температуры.
Явление внутреннего трения имеет большое практическое значение.
Например, смазка маслами трущихся поверхностей в машинах позволяет заменить внешнее трение (сухое) значительно меньшим – внутренним трением масла. Снижение трения в машинах и механизмах значительно удлиняет время их промышленной эксплуатации.
Для определения коэффициентов внутреннего трения жидкостей и
газов применяются приборы, называемые вискозиметрами.
Основными методами измерения коэффициентов внутреннего трения являются: метод Стокса; метод капиллярных трубок; метод затухающих колебаний, совершаемых диском или шаром, подвешенным на
упругой нити в исследуемой среде; метод двух вращающих цилиндров,
установленных коаксиально – если внешний цилиндр приводится во
вращение, то внутренний цилиндр, подвешенный на упругой нити, поворачивается под действием силы внутреннего трения на некоторый
угол, величина которого измеряется.
В данной работе коэффициент внутреннего трения определяется с
помощью метода Стокса, который еще называется абсолютным методом.
По методу Стокса при определении коэффициента внутреннего трения роняют весьма маленький металлический шарик радиусом r в исследуемую вязкую жидкость. Слой жидкости, непосредственно касающийся поверхности шарика и прилипший к нему, далее движется вместе с ним. Таким образом, шарик при падении встречает сопротивление
среды. Это сопротивление возникает вследствие трения между слоями
жидкости, прилегающими к прилипшему к поверхности шарика слою,
т.е. сопротивление среды определяется внутренним трением жидкости.
Падающий в жидкости шарик находится под действием трех сил
(рис.4). Силы тяжести: Р = mшg = (4/3) r3ш g, выталкивающей силы
(закон Архимеда): Q = mж g = (4/3) r3ж g, силы внутреннего трения
(закон Стокса): F = 6  r V; где mш, mж – масса шарика и масса вытесненной жидкости; ш, ж – плотность материала шарика и жидкости; r –
радиус металлического шарика; V – скорость падения шарика в исследуемой жидкости; g – ускорение свободного падения;  – коэффициент
динамической вязкости.
Движение шарика, падающего в вязкой жидкости, лишь в первое
время будет ускоренным. С возрастанием скорости увеличивается сила
вязкого сопротивления и с некоторого момента движение будет равномерным, в связи с выполнением равенства:
4 3
4
 r ш g =  r3ж g + 6  r V.
3
3
Решая последнее уравнение относительно коэффициента внутреннего трения , получим следующую формулу для расчета:
Р = Q + F, или
=
2 r2
g (ρ ш  ρ ж ) .
9 V
2
F
n
Q
1
4
Р
m
3
Рисунок – 4
Рисунок – 5
Экспериментальная установка
Коэффициент внутреннего трения при помощи метода Стокса можно
измерить на вискозиметре Стокса (рис. 5). Он представляет собой стеклянный цилиндр – 1, заполненный исследуемой жидкостью. В центре
этого сосуда сверху помещена воронка – 2, через которую шарики попадают в жидкость. В середине и в низу цилиндра 1 имеются метки n и
m. Падающий шарик вначале движется ускорено, а далее равномерно.
Метка n ставится в том месте, где движение шарика наверняка становится равномерным. Измеряя секундомером время движения шарика от
метки n к метке m и расстояние ℓ между этими метками, вычисляют
скорость падения шарика по формуле:

(16)
V ,
t
где ℓ – расстояние между метками n и m;
t – время падения шарика между этими метками.
Для установки цилиндра в вертикальном положении прибор снабжен отвесом и установочными винтами – 3. Шарики, упавшие на дно
цилиндра, собираются на сетке – 4, и могут быть с нею извлечены из
цилиндра.
С учетом выражения (16) расчетная формула для  будет выглядеть
следующим образом:
η
2 2t
gr (ρ ш  ρ ж ) .
9

(17)
Однако последнее уравнение справедливо, если шарик падает в жидкости, простирающейся безгранично по всем направлениям. При измерениях коэффициента внутреннего трения вискозиметром Стокса в эту
формулу вносятся поправки на влияние близости стенок цилиндра и его
дна. С внесением указанных поправок выражение (17) принимает следующий вид:
2
t
η  gr 2
9

(ρ ш  ρ ж )
,
r
r
(1  2,4 )  (1  1,33 )
R
h
(ℓ) и высоту жидкости (h) в цилиндре.
3. Измерить с помощью секундомера время (t) падения шарика между метками n и m.
4. Рассчитать вязкость жидкости по формуле (18).
Плотность стальных шариков ш = 7,7 · 103 кг/м3, свинцовых
ш = 11,3 · 103 кг/м3, плотность глицерина ж = 1,26 · 103 кг/м3, касторового масла ж = 0,97 · 103 кг/м3.
5. Измерения произвести не менее 5 раз. Найти погрешность косвенного измерения коэффициента внутреннего трения.
6. Все опытные данные и результаты расчетов занести в таблицы
3 и 4.
Таблица 3
5

ηi
N
r, R, ℓ, h, t, V  t ,
i
i 1
опыта м м м м с
, Па·с
Па·с  η 
м/с

5
1
2
3
4
5
Таблица 4
(18)
где R – радиус цилиндра;
h – высота жидкости в нем.
Следует учесть, что вискозиметр Стокса применяется для измерения
коэффициентов внутреннего трения сравнительно вязких жидкостей,
например, масел.
Проведение эксперимента и обработка опытных данных
1. Измерить микрометром диаметр шарика (2r), а штангенциркулем
внутренний диаметр цилиндрического сосуда (2R).
2. Измерить масштабной линейкой расстояние между метками n и m
5
N
опыта
<>-i,
Па·с
Δ  η 
 ( η   η )
i 1
20
Па·с
1
2
3
4
5
Контрольные вопросы
1. Что такое вязкость?
2. Что такое градиент скорости?
2
i
,
ε  η 
Δη
η
3. С помощью каких приборов измеряется вязкость?
4. Перечислите основные методы определения коэффициента внутреннего трения.
5. В чем разница между динамической и кинематической вязкостью?
6. В чем сущность метода Стокса?
7. Как зависит вязкость жидкости от температуры?
2.3 Лабораторная работа № 3
Классы неорганических соединений
Цель работы: усвоение современной номенклатуры неорганических
веществ; изучение химических свойств классов неорганических соединений.
Перечень приборов, посуды и реактивов для выполнения работ:
Опыт 1.1. MgО, раствор фенолфталеина, пробирка.
Опыт 1.2. Мел, раствор фенолфталеина, железные щипцы, спиртовка, фарфоровая чашка.
Опыт 2.1. Аппарат Киппа, заправленный для получения СО2, пробирка, раствор лакмуса или метилоранжа.
Опыт 2.2. Р2О5, раствор лакмуса или метилоранжа, пробирка.
Опыт 3.1. СаО, раствор фенолфталеина, пробирка.
Опыт 3.2. 0,5М растворы AlCl3 или Al2(SO4)3, 1Н раствор NH4OH,
10%-ный раствор HCl, 10%-ный раствор NaОН, 3 пробирки.
Опыт 4.1 Оксиды меди и магния, 10%-ный раствор HCl или H2SO4, 3
пробирки, спиртовка.
Опыт 4.2. 0,05М растворы CuSO4 и Pb(NО3)2, металлические железо
и медь, 2 пробирки.
Опыт 4.3. 0,5М раствор CuSO4, 10%-ный раствор NaOH, пробирка,
спиртовка.
Опыт 4.4 и 4.5. Аппарат Киппа, заправленный для получения CO2,
пробирка, известковая вода.
Метод исследования: Проведение реакций, иллюстрирующих основные химические свойства классов неорганических соединений.
Введение
Неорганические вещества по своему химическому составу и свойствам можно разделить на несколько классов:
а) простые вещества;
б) оксиды;
в) гидроксиды (основные, амфотерные, кислотные);
г) соли.
Простые вещества.
Все вещества подразделяют на простые (элементарные) и сложные.
Простые вещества состоят из одного элемента, в состав сложных входит два или более элементов.
Простые вещества, в свою очередь, разделяются на металлы и неметаллы.
Металлы отличаются характерным «металлическим» блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в
проволоку, обладают хорошей теплопроводностью и электрической
проводимостью. При комнатной температуре все металлы (кроме ртути) находятся в твердом состоянии.
Неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, хрупки,
очень плохо проводят теплоту и электричество. Некоторые из них при
обычных условиях газообразны.
Оксиды.
Простейшим классом неорганических соединений являются оксиды.
Оксиды – это соединение любого элемента с кислородом, в котором
кислород непосредственно связан с элементом: Na–O–Na; Ca=О;
О=С=О и т.д. (если связь осуществляется между атомами кислорода,
К-О-О-К, то такие соединения называются пероксидами).
Оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие оксиды подразделяются на основные, кислотные и амфотерные.
Основные оксиды – соединения кислорода с металлами. В основных
оксидах металлы, как правило, проявляют валентность 1, 2 и 3. Основными они называются потому, что каждому из них соответствует основание (гидроксид):
Na2O – оксид натрия
NaOH – гидроксид натрия
MgO – оксид магния
Mg(OH)2 – гидроксид магния
CaO – оксид кальция
Ca(OH)2 – гидроксид кальция
Если металл проявляет переменную валентность, то при названии
оксида в скобках указывается валентность металла:
1
Сu 2 O – оксид меди (I),
2
2
СuO – оксид меди (II),
3
Fe 2 O 3 – оксид железа (III).
FeO – оксид железа (II),
Главным свойством основных оксидов является их способность взаимодействовать с кислотами с образованием соли и воды:
MgO+2HCl=МgCl2+H2O.
Кислотные оксиды – соединения кислорода с неметаллами, а также с
некоторыми металлами, которые в кислотных оксидах проявляют высшую (или близкую к высшей) положительную степень окисления. Такие оксиды называются кислотными (или ангидридами кислот), потому
что каждому из них соответствует кислота.
Таблица 5
Оксид
Соответствующая оксиду кислота
SO2 – оксид серы (IV)
H2SO3 – сернистая кислота
сернистый ангидрид
SO3 – оксид серы (VI)
H2SO4 – серная кислота
серный ангидрид
P2O5 – оксид фосфора (V)
H3PO4 – фосфорная кислота
фосфорный ангидрид
Главным свойством кислотных оксидов (особенно оксидов неметаллов) является их способность взаимодействовать с основаниями с образованием соли и воды:
SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O.
Амфотерные оксиды – оксиды металлов, которые могут взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами с образованием соли и воды. Эти оксиды проявляют свойства кислотных и основных оксидов.
Амфотерный характер носят оксиды некоторых металлов II, III, IV и
некоторых других групп периодической системы элементов: ZnO – оксид цинка, Al2O3 – оксид алюминия, BeO – оксид берилия, Cr2O3 – оксид хрома (III), PbO – оксид свинца (II) и др.
ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O
хлорид цинка
ZnO + 2NaOH= Na2ZnO2 + H2O
цинкат натрия
В водных растворах щелочей такие оксиды, как правило, дают комплексные соединения:
ZnO + 2NaOH + Н2O = Na2 [Zn(OH)4]
тетрагидроксоцинкат натрия
Несолеобразующие (безразличные) оксиды, как видно из их названия, не способны взаимодействовать с кислотами или основаниями с
образованием солей. К ним относятся NO – оксид азота (II), СО – оксид
углерода (II) и некоторые другие оксиды.
Гидроксиды.
Среди многоэлементных соединений важную группу составляют
гидроксиды – вещества, содержащие гидроксогруппы – ОН. Некоторые
из них проявляют свойства оснований (основные гидроксиды) – NaOH,
Ba(OH)2 и т.п., другие (кислотные гидроксиды) проявляют свойства
кислот – HNO3, H2SO4 и т.д., существуют и амфотерные гидроксиды,
способные в зависимости от условий проявлять как основные, так и
кислотные свойства – Zn(OH)2, Al(OH)3 и др.
К важнейшим классам неорганических соединений, выделяемых по
функциональным признакам, относятся кислоты, основания и амфотерные гидроксиды.
Основания – вещества, молекулы которых состоят из атома металла
и гидроксогрупп, NaOH, Cu(OH)2, Mg(OH)2, или вещества, которые образуют в водном растворе из отрицательных ионов только гидроксид
ион:
NaOH
Na+ + OH-
Основания растворяющиеся в воде, называются щелочами: NaOH –
гидроксид натрия, КОН – гидроксид калия, Ва(ОН)2 – гидроксид бария,
Ca(OH)2 – гидроксид кальция. Металлы, образующие щелочи (K, Na,
Ca, Ba и др.), расположены в главных подгруппах I и II групп периодической системы. К растворимым в воде основаниям относится и гидроксид аммония NH4OH, но щелочью он не является.
Если металл, образующий основание, может проявлять переменную
валентность, то при названии гидроксида в скобках указывается валентность: Fe(OH)2 – гидроксид железа (II), Fe(OH)3 – гидроксид железа
(III).
Главным свойством оснований является их способность взаимодействовать с кислотами с образованием соли и воды:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2Н2О.
Амфотерные гидроксиды – вещества, которые могут взаимодействовать как с кислотами, так и с щелочами с образованием соли и воды:
Ве(ОН)2 + 2HCl = ВеCl2 + 2Н2О
хлорид бериллия
Ве(ОН)2 + 2NaOH = Na2BeO2 + 2Н2О
бериллат натрия
В водных растворах щелочей амфотерные гидроксиды чаще всего
образуют комплексные соли:
Ве(ОН)2 + 2NaOH = Na2 [Be(OН)4]
Тетрагидроксобериллат натрия
Кислоты – вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться на металл, и так называемого кислотного
остатка, или вещества, которые образуют в водном растворе из положительных ионов только ионы водорода (гидроксония):
HNO3
H+ + NO3- , H+ + H2O
H3O+
гидроксоний ион
По числу атомов водорода, способных замещаться на металл, различают кислоты: одноосновные (HCl – соляная кислота, HNO3 – азотная
кислота, НCN – синильная кислота, CH3COOH – уксусная кислота и
др.), двухосновные (Н2SO4 – серная кислота, H2S – сероводородная кислота и др.), трехосновные (H3PO4 – фосфорная кислота, Н3ВО3 – борная
кислота и пр.).
По химическому составу кислоты делятся на кислородные – Н2SO3,
Н2SO4, HNO3 и т.д., и бескислородные – HCl, HCN, H2S, HI и др.
Главным химическим свойством кислот является их способность к
взаимодействию с основаниями с образованием соли и воды:
Соли.
К солям относятся вещества, образующие в водных растворах положительно заряженные ионы, отличные от ионов водорода и отрицательно заряженные ионы, отличные от гидроксид-ионов.
Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в кислоте атомами металлов (или группами атомов, например, группой NH4+), или как продукты замещения гидроксогрупп в основном
гидроксиде кислотными остатками.
Различают следующие типы солей: средние или нормальные, кислые, основные, двойные, смешанные и комплексные.
Средние или нормальные соли – продукт полного замещения водорода кислоты на металл: Na2SO4 – сульфат натрия, CaCO3 – карбонат
кальция.
Кислые соли – продукт неполного замещения водорода кислоты на
металл. Кислые соли дают только многоосновные кислоты при недостаточном количестве основания:
H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O
гидросульфат
натрия
H2СO3 + NaOH = NaHСO3 + H2O
гидрокарбонат
натрия
При добавлении избытка щелочи кислая соль может быть переведена в среднюю соль:
NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O.
Основные соли – продукт неполного замещения гидроксид-ионов в
основании на кислотный остаток. Они могут быть образованы только
многокислотными основаниями (основаниями, содержащими несколько
гидроксогрупп) при недостаточном количестве кислоты:
Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2Cl + H2O
хлорид дигидроксоалюминия
Al(OH)3 + 2HCl = Al(OH)Cl2 + 2H2O.
Сu(ОН)2 + 2HCl = CuCl2 + 2Н2О
дихлорид гидроксоалюминия
Перевести основную соль в среднюю можно при действии на нее
кислотой:
Cu(OH)Cl + HCl = CuCl2 + H2O
хлорид гидроксомеди
Двойные соли образуются при замещении водорода многоосновной
кислоты двумя различными металлами:
NaKCO3 – карбонат натрия-калия;
KAl(SO4)2 – сульфат калия-алюминия.
Смешанные соли образуются при замещении гидроксид-ионов многокислотного основания двумя различными кислотными остатками:
СаCl(OCl) или CaOCl2 – хлорид-гипохлорит кальция (кальциевая соль
соляной HCl и хлорноватистой HOCl кислот).
Двойные и смешанные соли, как правило, существуют только в кристаллическом состоянии.
Комплексные соли – такие вещества, в состав которых входит комплексный ион. Примерами комплексных солей могут быть продукты
растворения амфотерных гидроксидов в щелочах: Na[Al(OH)4] – тетрагидроксоалюминат натрия, Na2[Zn(OH)4] – тетрагидроксоцинкат натрия
и др.
Номенклатура оснований, солей и кислот.
Названия основных гидроксидов составляются из слова «гидроксид»
и русского названия элемента в родительном падеже с указанием, если
необходимо, степени окисленности элемента (римскими цифрами в
скобках). Например, LiOH – гидроксид лития, Fe(OH)2 – гидроксид железа (II).
Для названия солей пользуются русской и международной номенклатурой.
Русское название соли составляется из названия кислоты и названия
металла: CaCO3 – углекислый кальций. Для кислых солей вводится добавка «кислый»: CaHCO3 – кислый углекислый кальций. Для названия
основных солей добавка «основная»: (CuOH)2SO4 – основная сернокислая медь.
Наибольшее распространение получила международная номенклатура. Названия солей по этой номенклатуре состоят из названия анионов и названия катионов: KNO3 – нитрат калия.
Если металл имеет разную валентность, то ее указывают в скобках:
FeSO4 – сульфат железа (II), Fe2(SO4)3 – сульфат железа (III).
Для солей кислородсодержащих кислот в название вводят суффикс
«ат», если кислотообразующий элемент проявляет высшую валентность: KNO3 – нитрат калия; суффикс «ит», если кислотообразующий
элемент проявляет низшую валентность: KNO2 – нитрит калия. В тех
случаях, когда кислотообразующий элемент образует кислоты более
чем в двух валентных состояниях и если он проявляет высшую валентность, то применяют суффикс «ат» и префикс «пер»: KСlO4 – перхлорат
калия; если низшую – применяют суффикс «ит» и префикс «гипо»:
KСlO – гипохлорит калия. Для солей, образованных кислотами, содержащими разное количество воды, добавляют префиксы «мета» и «орто». Например: NaPO3 – метафосфат натрия (соль метафосфорной кислоты); Na3PO4 – ортофосфат натрия (соль ортофосфорной кислоты).
В название кислой соли вводят приставку «гидро»: Na2HPO4 – гидрофосфат натрия (если в молекуле один атом водорода) и приставку
«гидро» с греческими числительными (если атомов водорода больше
одного); NaH2PO4 – дигидрофосфат натрия. В названия основных солей
вводится приставка «гидроксо» (если групп ОН- несколько, то с греческими численными). Например, Fe(OH)Cl – хлорид гидроксожелеза (II),
Fe(OH)2Cl – хлорид дигидроксожелеза (III).
Таблица 6
Формулы кислот и названия соответствующих нормальных солей
N
Формула
Анион
Название соответствующей
нормальной соли
п/п
кислоты
международрусское
ное
1
2
3
4
5
1
HF
Fфторид
фтористый
2
HCl
Clхлорид
хлористый
3
НВr
Br
бромид
бромистый
4
HI
Jиодид
иодистый
5
H2S
S2сульфид
сернистый
6
H2S
НSгидросульфид
кислый сернистый
7
HNO2
NO2нитрит
азотистокислый
8
HNO3
NO3нитрат
азотнокислый
9
СН3СООН
СН3СООацетат
уксуснокислый
10
HMnO4
MnO4перманганат
марганцовокислый
11
Н2SO4
SO42-
1
12
2
Н2SO4
3
НSO4-
13
14
Н2СO3
Н2СO3
СO32НСO3-
15
16
Н2SO3
Н2SO3
SO32НSO3-
17
Н2SiO3
SiO32-
18
19
20
Н4SiO4
Н3PO4
Н3PO4
SiO4 4PO43НPO42-
21
Н3PO4
Н2РО4-
22
HClO
ClO-
23
24
25
26
27
28
HСlO2
HСlO3
НСlO4
H2CrO4
Н2Cr2O7
H4P2O7
ClO2ClO3СlO4CrO42Cr2O72P2O74-
сульфат
сернокислый
Продолжение таблицы 6
4
5
гидросульфат
кислый
сернокислый
карбонат
углекислый
гидрокарбокислый
нат
углекислый
сульфит
сернистокислый
гидросульфит
кислый
сернистокислый
метасиликат
метакремниевокислый
ортосиликат ортокремниевокислый
фосфат
фосфорнокислый
гидрофосфат
кислый фосфорнокислый однозамещенный
дигидрокислый фосфорнофосфат
кислый двузамещенный
гипохлорит
хлорноватистокислый
хлорит
хлористокислый
хлорат
хлорноватокислый
перхлорат
хлорнокислый
хромат
хромовокислый
дихромат
двухромовокислый
дифосфат
двуфосфорнокислый
Экспериментальная часть
Опыт 1. Получение оксидов и испытание их характеристик.
1.1. Оксид и гидроксид магния – MgO; Mg(ОН)2.
Поместите в пробирку небольшое количество оксида магния и прибавьте туда же 5-10 мл воды. Взболтайте содержимое пробирки и испытайте реакцию среды 1-2 каплями раствора фенолфталеина. Отметьте
реакцию среды. Составьте уравнение реакции и сделайте вывод о ха-
рактере оксида.
1.2. Оксид кальция – СаО.
Небольшой кусочек мела взять железными щипцами и прокалить
над пламенем горелки в течение 3-5 минут. Охлажденный прокаленный
кусочек поместить в фарфоровую чашку и залить небольшим количеством воды. Испытать индикатором (фенолфталеином), отметить
окраску и сделать вывод о характере среды. Написать уравнение химической реакции.
Опыт 2. Получение кислот.
2.1. Угольная кислота – Н2СО3.
Из аппарата Киппа пропустите углекислый газ в пробирку с водой в
течение
нескольких
минут.
Испытайте
раствор
индикатором(метилоранжем или лакмусом). Напишите уравнение реакции.
2.2. Фосфорная кислота – Н3РО4.
В пробирку поместите немного оксида фосфора (V) и добавьте несколько миллилитров воды. Наблюдайте растворение, встряхивая пробирку. Испытайте реакцию среды индикатором (метилоранжем или
лакмусом). Составьте уравнение реакции.
Опыт 3. Получение оснований.
3.1. Гидроксид кальция – Са(ОН)2.
К оксиду кальция прилить несколько капель воды, размешать, испытать индикатором. Записать реакцию среды и составить уравнение реакции.
3.2. Гидроксид алюминия – Al(OH)3.
В пробирку налейте 2-3 мл раствора соли алюминия и прибавьте
примерно такой же объем раствора NH4OH. Содержимое пробирки распределите в две пробирки. В одну из пробирок при взбалтывании прилейте по каплям 10%-ный раствор соляной кислоты до полного растворения осадка. Во вторую прилейте 10%-ный раствор гидроксида натрия
также до полного растворения осадка. Составьте уравнения реакций.
Сделайте вывод о характере гидроксида алюминия.
Опыт 4. Получение и свойства солей.
4.1. Взаимодействие кислот с основными оксидами.
В три конические пробирки внесите по несколько кристаллов оксида
меди и оксида магния. Прибавьте по 5-6 капель соляной или серной
кислоты. В случае необходимости примените нагревание. Отметьте
цвета получившихся растворов и напишите уравнения реакций.
4.2. Взаимодействие металла с солью другого металла.
В две пробирки внесите по 12-15 капель раствора сульфата меди и
нитрата свинца. В первую положите немного металлического железа во
вторую – меди. Наблюдайте происходящие реакции, составьте уравнения. Сделайте вывод, в каких случаях происходит постепенное вытеснение металлов из их солей.
4.3. Получение основной соли.
К раствору сульфата меди по каплям прибавьте раствор гидроксида
натрия до образования осадка. Содержимое пробирки нагрейте и
наблюдайте изменение цвета осадка. Составьте уравнения реакций.
4.4. Получение кислой соли.
Наполните пробирку на ½ ее объема известковой водой (раствор
Са(ОН)2) и пропустите через нее диоксид углерода из аппарата Киппа
(под тягой).
Отметьте появление осадка карбоната кальция. Продолжайте пропускать диоксид углерода до растворения осадка, которое происходит
вследствие образования кислой соли Са(НСО3)2. Составьте уравнения
реакций.
4.5. Получение нормальной соли из кислой.
К полученному в последнем опыте раствору гидрокарбоната кальция
прилейте несколько капель известковой воды. Наблюдайте образование
осадка. Составьте уравнение реакции.
Контрольные вопросы
1. Какие из приведенных оксидов являются основными: Mn2O7, CaO,
SO2, P2O5, Fe2O3?
2. Исходя из валентности хрома в соединениях, решите, какой из
оксидов носит кислотный характер: CrO, Cr2O3, CrO3?
3. Какие из перечисленных оксидов будут реагировать с СO2: К2О,
NO2, Mn2O7, Сr2O3, N2O5?
4. Какие из перечисленных гидроксидов являются амфотерными:
Mg(OH)2, KOH, Fe(OH)3, Ba(OH)2, Cr(OH)3, Pb(OH)2, Ni(OH)2?
5. Какие из приведенных кислот могут образовывать кислые соли:
HCN, H2CO3, HCl, H2S, HNO3?
6. Рассчитать, сколько миллилитров SO2 (при нормальных условиях)
получится при сжигании 1,6 г серы?
7. Сколько миллилитров 2Н раствора NaOH потребуется для нейтрализации 20 мл 3Н раствора Н2SO4?
8. Как изменяется характер оксидов и гидроксидов в группах периодической системы сверху вниз?
9. Напишите формулы ванадиевой кислоты, вольфрамата кальция,
перхлората калия.
2.4 Лабораторная работа № 4
Органические соединения
Цель работы: Обобщение сведений по классам органических соединений, углубление изученного в средней школе материала, усвоение
современной номенклатуры органических веществ, изучение химических свойств классов органических соединений.
Перечень приборов, посуды и реактивов для выполнения работ:
Опыт 1.1. Небольшая колба, закрытая пробкой с газоотводной трубкой, этиловый спирт, концентрированная серная кислота (=1,84г/мл),
бромная вода, 0,1Н раствор перманганата калия, 2 пробирки, штатив,
спиртовка.
Опыт 1.2. Колба, закрытая пробкой с капельной воронкой и газоотводной трубкой, кусочки карбида кальция, бромная вода, пробирка.
Опыт 1.3. Бензол, бромная вода, пробирка.
Опыт 2.1. Метиловый спирт, спираль из медной проволоки, 0,1Н
раствор дихромата калия, разбавленная серная кислота, этиловый
спирт, 2 пробирки, спиртовка.
Опыт 2.2. Химический стакан, пробирка, 2%-ный раствор нитрата
серебра, 1Н раствор аммиака, пипетка, раствор формалина, спиртовка.
Опыт 2.3. Этиловый спирт, концентрированная серная кислота, ацетат натрия, пробирка, спиртовка.
Опыт 3.1. Кристаллический фенол, 40%-ный раствор формалина,
концентрированная соляная кислота (=1,19 г/мл), пробирка, спиртовка,
химический стакан, ацетон.
Опыт 3.2. Кристаллический фенол, 40%-ный раствор формалина,
25%-ный раствор аммиака, пробирка, спиртовка, фарфоровая чашечка,
сушильный шкаф.
Опыт 3.3. Мочевина, 40%-ный раствор формалина, пробирка, спиртовка.
Метод исследования: Проведение реакций, иллюстрирующих основные химические свойства органических соединений.
Введение
Соединения углерода (за исключением некоторых наиболее простых) издавна получили название органических соединений, так как в
природе они встречаются почти исключительно в организмах животных
и растений, принимают участие в жизненных процессах или же являются продуктами жизнедеятельности или распада организмов.
Органическая химия – это очень большой раздел химии. В литературе описано уже более миллиона различных органических соединений.
Многие из этих веществ выделены из живой материи, а еще большее
число их синтезировано химиками в лабораториях.
В отличие от органических соединений, такие вещества, как песок,
глина, различные минералы, вода, оксиды углерода, угольная кислота,
ее соли и другие, встречающиеся в «неживой природе», получили
название неорганических, или минеральных веществ.
Деление веществ на органические и неорганические возникло вследствие своеобразия органических соединений, обладающих специфическими свойствами. Долгое время считалось, что углеродсодержащие
вещества, образующиеся в организмах, в принципе невозможно получать путем синтеза из неорганических соединений. Образование органических веществ приписывалось влиянию особой, недоступной познанию «жизненной силы», действующей только в живых организмах и
обусловливающей специфику органических веществ. Это учение,
явившееся разновидностью идеалистических представлений о природе,
получило название витализма (от латинского vis vitalis –жизненная сила). Виталисты пытались в явлениях живой природы найти доказательство существования в мире каких-то таинственных сил, не поддающихся изучению и не подчиняющихся общим физико-химическим законам.
Концепция виталистов была наиболее полно сформулирована одним из
самых авторитетных химиков первой половины XIX века – шведским
ученым И.Я. Берцелиусом. Виталистические воззрения мешали прогрессу в изучении органических веществ и были опровергнуты в ходе
развития науки.
В настоящее время путем синтеза получают множество органических соединений. Более того, оказалось, что многие органические вещества гораздо проще и дешевле получать синтетически, чем выделять
из природных продуктов. Наибольшим успехом органической химии
второй половины XX века явился первый синтез простых белков –
гормона инсулина и фермента рибонуклеазы. Таким образом, доказана
возможность синтетического получения даже белков – наиболее сложных органических веществ, являющихся непременными участниками
жизненных процессов.
Как уже указывалось, число изученных в настоящее время соединений углерода чрезвычайно велико. Но при всем многообразии природных органических веществ, они обычно состоят из небольшого числа
элементов. В их состав, кроме углерода, почти всегда входит водород,
часто кислород, азот, иногда сера и фосфор. Эти элементы названы органогенами (т.е. элементами, порождающими органические молекулы).
Химическая природа органических соединений, свойства, отличающие их от соединений неорганических, а также их многообразие нашли
объяснение в сформулированной А.М. Бутлеровым в 1861 г. теории химического строения. Согласно этой теории свойства соединений определяются их качественным и количественным составом, химическим
строением, т.е. последовательным порядком соединения между собой
образующих молекулу атомов и их взаимным влиянием. Теория строения органических соединений, развитая и дополненная новейшими воззрениями в области химии и физики атомов и молекул, особенно представлениями о пространственной структуре молекул, о природе химических связей и о характере взаимного влияния атомов, составляет теоретическую основу органической химии.
В современной теории строения органических соединений основными являются следующие положения.
1. Все особенности органических соединений определяются, прежде
всего, свойствами элемента углерода.
2. Исключительным свойством углерода, обусловливающим многообразие органических соединений, является способность его атомов
соединяться прочными ковалентными связями друг с другом, образуя
углеродные цепи практически неограниченной длины:
…
С
С
С
С
С
…
Валентности атомов углерода, не пошедшие на взаимное соединение, используются для присоединения других атомов или групп (в уг-
леводородах – для присоединения водорода). Ковалентные связи между
атомами углерода, образованные одной парой обобщенных электронов
называют простыми (или ординарными) связями.
3. Связь между атомами углерода может осуществляться не одной, а
двумя или тремя общими парами электронов. Тогда получаются цепи с
кратными – двойными или тройными связями, эти связи можно изобразить следующим образом:
С
С
;
С
С
.
Углеводороды с кратными связями называются непредельными, или
ненасыщенными.
4. Теория строения органических соединений объяснила многочисленные случаи изомерии. Цепи из атомов углерода могут быть неразветвленными
…
С
С
С
С
С
С
5. Взаимное влияние в молекулах органических веществ проявляют
прежде всего атомы, непосредственно связанные друг с другом. В этом
случае оно определяется характером химической связи между ними,
степенью различия в их относительной электроотрицательности и, следовательно, степенью полярности связи.
Классификация органических соединений.
В зависимости от строения углеродных цепей среди органических
соединений выделяют следующие три ряда.
1. Соединения с открытой цепью атомов углерода, называемые
также ациклическими, или соединениями жирного ряда. В зависимости
от характера связей между атомами углерода эти соединения подразделяют на предельные (или насыщенные), содержащие в молекулах только простые (ординарные) связи, и непредельные (или ненасыщенные), в
молекулах которых имеются кратные (двойные или тройные) связи
между атомами углерода.
2. Соединения с замкнутой цепью атомов углерода, или карбоциклические. Эти соединения в свою очередь подразделяются на:
а) соединения ароматического ряда – характеризуются наличием в
молекулах особой циклической группировки из шести атомов углерода
– бензольного ароматического ядра:
…
-
бензол.
или разветвленными
С
…
С
С
С
С
С
С
С
С
….
Эта группировка отличается характером связей между атомами углерода и придает содержащим ее соединениям особые химические
свойства, называемые ароматическими свойствами;
б) алициклические соединения – все остальные карбоциклические соединения. Они различаются по числу атомов углерода в цикле и в зависимости от характера связей между этими атомами могут быть предельными или непредельными.
3. Гетероциклические соединения. В молекулах этих соединений
имеются циклы, включающие, кроме атомов углерода, также гетероатомы, т.е. атомы других элементов (кислорода, азота, серы и др.).
Соединения каждого из указанных рядов подразделяются на классы.
В рядах ациклических (жирных) и карбоциклических соединений
простейшими являются углеводороды, состоящие только из углерода и
водорода. Все остальные соединения этих рядов рассматривают как
производные углеводородов, образованные замещением одного, двух
или нескольких атомов водорода в углеводородной молекуле другими
атомами или группами атомов.
Остатки углеводородов, образующиеся при отнятии от их молекул
одного, двух или нескольких атомов водорода, называют углеводородными радикалами.
Одновалентные радикалы обозначают символом R , двухвалентные символом  R  или R
, трехвалентные символом  R .
Атомы или группы атомов, замещающие водород в углеводородной
основе, образуют функциональные, или характеристические группы,
обусловливающие общие химические свойства веществ, принадлежащих к одному и тому же классу производных углеводородов. Ниже
приведены общие формулы и названия некоторых классов органических соединений (в скобках – формулы и названия функциональных
групп).
Галогенпроизводные углеводородов.
RF
R  Cl
R  Br
RI
Фторхлорбромйодпроизводные
производные
производные
производные
Кислородсодержащие соединения.
R  OH
R  O  R или R  O  R/
Спирты и фенолы
простые эфиры
( OH – спиртовая
или фенольная гидроксильная группа)
O
O
O
RC
,
RC
или
RC
H
R
R/
альдегиды
кетоны
( С=О - карбонильная группа)
O
O
RC
- карбоновые кислоты (  C - карбоксильная группа).
ОH
ОH
RC
O
или
RC
ОR
O
- сложные эфиры
ОR/
O
RC
- хлорангидриды кислот
Cl
О
О
R  C  О  С  R - ангидриды кислот.
Азотсодержащие соединения.
RNO2 – нитросоединения (NO2 – нитрогруппа)
R
R
R  NH2; R  NH;
( NH2 ;
NH;
R  N  R – амины
N – аминогруппы).
Серосодержащие соединения.
R  SH – тиоспирты и тиофенолы
(SH – сульфгидрильная, или меркаптогруппа)
R  S  R – тиоэфиры, или сульфиды
R  SO2OH – сульфокислоты (SO2OH – сульфогруппа).
Элементорганические соединения.
1. Металлорганические соединения:
R
R
R
R  M1, R  M2  R,
M3  R,
M4
R
R
R
(M1, M2, M3, M4- одно-, двух-, трех-, четырехвалентные металлы).
2. Кремнийорганические соединения:
R
R
R
R  SiH3, R  SiH2  R,
SiH  R,
Si
.
R
R
R
Возможны соединения с повторяющимися одинаковыми функциональными группами
HO  R  OH
R  C  R/  C  R
двухатомные ,
спирты
О
О
дикетоны
О
CR
НО
…
С
С
С
С
С
С
…
O
- двухосновные кислоты.
ОH
Вещества, в которых имеются различные функциональные группы,
называются соединениями со смешанными функциями:
O
H2N  R  OH,
HO  R  C
аминоспирты
ОH
гидроксикислоты, или спиртокислоты
Н2N  R  C
Атомы углерода обладают способностью соединяться между собой,
используя при этом только часть своих валентностей. При этом они образуют длинные цепи (неразветвленные и разветвленные) или замкнутые циклы.
O
C
C
C
C
C
- аминокислоты.
ОH
Соединения со смешанными функциями обладают двойственной
природой. Например, аминокислоты проявляют одновременно свойства
и аминов, и кислот, но и те и другие свойства несколько изменяются
вследствие взаимовлияния функциональных групп.
Классы органических веществ весьма разнообразны. Ниже вкратце
рассмотрены некоторые из них.
Углеводороды.
Углеводороды являются простейшими по составу органическими соединениями, так как состоят только из углерода и водорода. При замещении в молекулах углеводородов атомов водорода на атомы или группы атомов (радикалы) других элементов получаются соединения других
классов органических соединений, которые рассматриваются как производные углеводородов.
C
По характеру связи между углеродными атомами различают углеводороды с ординарными связями, в которых все атомы углерода связаны
одной ковалентной связью, и углеводороды с кратными (двойными или
тройными) связями. В углеводородах с двойными связями два углеродных атома связаны между собой двумя ковалентными связями. Простейшим из этих углеводородов является этилен:
Н
Н
С
С
.
Н
Н
Углеводороды с тройной связью содержат атомы углерода, связанные между собой тремя ковалентными связями. Простейшим из этих
углеводородов является ацетилен:
НС
С  Н.
Углеводороды с ординарной связью характеризуются малой химической активностью. Они не вступают в реакции соединения и вследствие
этого получили название предельных (насыщенных) углеводородов. Углеводороды с кратными связями способны за счет разрыва второй или
третьей связи присоединять водород, галогены и т. д. Например:
CH2 = CH2 + Br2  CH2Br  CH2Br
этилен
водорода. Например, метиловый спирт СН3  ОН, этиловый спирт
СН3  СН2  ОН, пропиловый спирт СН3  СН2  СН2  ОН и т.д.
Свойства спиртов обусловливаются свойствами группы ОН. В
частности, атом водорода гидроксильной группы может быть замещен
металлом:
2СН3 – СН2ОН + 2Nа  2СН3 – СН2ОNа + Н2
этиловый спирт
дибромэтан
Поэтому они названы непредельными (ненасыщенными) углеводородами.
Кратные связи могут содержаться и в молекулах циклических углеводородов. В тех случаях, когда цикл состоит из шести углеродных
атомов, связанных между собой чередующимися ординарными и двойными связями, углеводороды называются ароматическими. Простейшим из них является бензол:
СН
НС
СН
НС
СН
СН
Несмотря на то, что в молекулах ароматических углеводородов
имеются три двойные связи, они по своим химическим свойствам ближе к предельным углеводородам, т.е. способны к реакциям замещения.
Кислородсодержащие органические соединения.
К кислородсодержащим органическим соединениям относятся спирты, фенолы, простые эфиры, альдегиды, кетоны, кислоты, сложные
эфиры и др.
Функциональной группой спиртов является гидроксильная группа
 ОН, связанная с атомом углерода, который остальными своими валентностями соединен с углеводородными радикалами или атомами
этилат натрия
Атом водорода гидроксильной группы замещается на углеводородный радикал (образование простых эфиров):
СН3 – СН2 – СН2 – ОН + НО – СН2 – СН2 – СН3 
пропиловый спирт
 СН3 – СН2 – СН2 – О – СН2 – СН2 – СН3 + Н2О
дипропиловый эфир
В молекулах спиртов могут содержаться две и три гидроксильные
группы. Спирты, содержащие две гидроксильные группы, называются
гликолями; простейший из них этиленгликоль: СН2ОН – СН2ОН; спирты, содержащие три гидроксильные группы, называются глицеринами;
простейший из них обычный глицерин: СН2ОН – СНОН – СН2ОН.
Функциональной группой фенолов также является гидроксильная
группа ОН, но в фенолах она связана с углеродом бензольного кольца. Простейший из них – фенол –С6Н5ОН, для него характерна реакция
замещения, например:
СОН
СОН
НС
СН
НС
СН
СН
фенол
+ 3Br2 
BrС
СBr
+ 3HBr
HС
СH
СBr
трибромфенол
При окислении спиртов образуются альдегиды и кетоны. Оба этих
класса соединений характеризуются содержанием в молекуле карбонильной группы С
О. В альдегидных карбонильная группа одной
валентностью связана с каким-либо радикалом, а другой – атомом водорода. В кетонах карбонильная группа обеими валентностями связана
с радикалами.
Н
Простейшим альдегидом является формальдегид
С
О.
Н
Альдегиды получаются при окислении первичных спиртов:
2СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – ОН + О2 
амиловый спирт
О
2СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – С
+ 2Н2О.
Н
По химическим свойствам альдегиды являются восстановителями,
которые окисляются в кислоты:
О
О
2СН3 – С
+ О2  2СН3 – С
.
Н
ОН
валериановый альдегид
уксусный альдегид
уксусная кислота
Функциональной группой кислот является карбоксильная группа
О
–С
.
Н
Характерными реакциями кислот являются замещение атома водорода карбоксильной группы катионом (образование солей карбоновых
кислот) и этерификация при взаимодействии со спиртом:
СН3 – СООН + NaОН  СН3 – СООNa + Н2О
ацетат натрия
(уксуснокислый натрий)
О
СН3 – С
О
+ Н – О – С2Н5
ОН
уксусная кислота
этиловый спирт
СН3 – С
+ Н2О
О–С2Н5
этиловый эфир
уксусной кислоты (этилацетат)
Высокомолекулярные органические соединения.
Так называют вещества с молекулярным весом от десяти тысяч до
миллиона и более углеродных единиц. Молекулы таких веществ, содержащие от нескольких сотен до сотен тысяч атомов, обладают по
сравнению с обычными молекулами большими размерами. Поэтому их
и называют макромолекулами.
Различают природные высокомолекулярные соединения (белки,
крахмал, целлюлоза, натуральный каучук), модифицированные и синтетические, полученные химическим путем за счет объединения многих
молекул обычного размера в одну макромолекулу.
Часто встречающиеся в практике полихлорвинил, бакелит, капрон,
найлон могут служить примером синтетических высокомолекулярных
соединений. Макромолекулы построены путем многократного повторения одинаковых структурных единиц, называемых химическими звеньями, связанных между собой ковалентной связью. Поэтому их называют высокополимерами (или полимерами) от греческих слов поли- множество и мерос- часть. Эта особенность позволяет записывать эмпирические формулы высокомолекулярных соединений в кратком виде.
Например, формула поливинилхлорида записывается как (С2Н3Сl)n.
Химическое звено молекулы полимера почти полностью, а иногда и
полностью соответствует химическому составу исходного низкомолекулярного соединения, из которого получают полимер. Эти низкомолекулярные соединения называют мономерами.
Высокополимеры являются основой для получения таких важных
материалов, как пластические массы, синтетические волокна, синтетические каучуки, электроизоляционные смолы и т.д. Исходным сырьем
для производства многих полимеров служат нефтяные газы и продукты
нефтяной и коксобензольной промышленности.
Высокополимерные соединения получают путем полимеризации или
поликонденсации. Реакция полимеризации заключается в соединении
многих молекул исходного вещества в одну макромолекулу. Например,
реакция полимеризации этилена схематически изображается так:
nC2H4  (C2H4)n.
Побочных продуктов при этом не возникает, и молекулярный вес
полимера равен сумме молекулярных весов тех молекул, которые его
образовали. Число n называется степенью полимеризации.
Необходимым условием для реакции полимеризации является наличие двойной или тройной связи в молекулах мономеров. Под действием
тех или иных агентов (света, тепла, энергии радиоактивных частиц,
энергии специально введенных для этой цели веществ) одна связь разрывается, и молекула превращается в радикал, обладающий двумя свободными валентностями (бирадикал):
R R
R2C = CR2   С  С 
R
R
Своими свободными валентностями эти радикалы связываются между собой, образуя макромолекулы. Такие реакции протекают по цепному механизму.
Рассмотрим реакцию полимеризации этилена с участием так называемого инициирующего вещества, роль которого состоит в образовании
свободных радикалов, нужных для того, чтобы реакция началась.
Обычно для этих целей выбирают перекиси, которые вследствие небольшой прочности связи между атомами кислорода легче образуют
свободные радикалы, чем молекулы других веществ. Так, например,
молекула перекиси водорода распадается на два радикала  ОН.
Каждый радикал  ОН действует на молекулу этилена таким образом, что двойная связь в ней превращается в ординарную, и молекула
превращается в бирадикал  СН2  СН2  , один конец которого связывается с радикалом  ОН, а другой остается свободным.
Следовательно, вместо первоначального радикала  ОН появляется
более сложный, который действует подобно предыдущему и т.д., и весь
рост молекулы является ростом радикала. Схематично реакцию можно
записать так:
R + nC2H4  R  [ СН2  СН2  …  СН2  СН2  ]
активный
радикал
Рост цепи продолжается до тех пор, пока ее свободная валентность
не будет насыщена другим радикалом. В цепном механизме можно различить три этапа: образование радикалов, начинающих реакцию, рост
цепи, обрыв цепи.
Поскольку обрывы цепей могут происходить для различных молекул
в моменты, когда они достигли различной длины, то очевидно, что степень полимеризации n является только средней величиной. Один и тот
же полимер состоит из молекул разной величины и различной массы.
В процессах поликонденсации также имеет место объединение многих молекул в одну макромолекулу в результате химического взаимодействия между функциональными группами, которое сопровождается
образованием низкомолекулярных веществ (воды, хлористого водорода, аммиака и т.п.).
Например, образование поликонденсацией новолачной смолы из фенола и формальдегида протекает по схеме:
а) взаимодействие фенола и формальдегида
ОН
ОН
- СН2 - ОН
+ СН2О 
фенол
формальдегид
фенолоспирт
б) взаимодействие фенола и фенолоспирта:
ОН
ОН
ОН
-СН2 –ОН
+
фенолоспирт

фенол
ОН
-СН2 +Н2О
продукт конденсации
Продукт конденсации соединяется с формальдегидом, образуя фенолоспирт, но уже более сложного строения, который снова реагирует с
фенолом и т.д.
В результате образуется полимер следующего строения:
ОН
ОН
-СН2 -
-СН2 -
-СН2 ОН
n
Высокомолекулярные вещества обладают некоторыми общими
свойствами, определенной механической прочностью и др., нередко
они разлагаются при высоких температурах без предварительного
плавления. Свойства высокополимеров зависят не только от химического состава структурной единицы полимера (мономера), но в очень
большой степени от величины молекулярного веса, геометрической
формы макромолекул, строения цепей, характера и интенсивности взаимодействия между ними.
По внутреннему строению различают линейные (цепные) полимеры
и пространственные (сетчатые). Линейные полимеры представляют собой длинные цепи из нескольких сотен и даже тысяч структурных единиц (мономеров), которые могут иметь различные боковые ответвления. Но отдельные цепи не связаны между собой ковалентными связями. Строение такой цепи может быть выражено схемой:
R3
Например, при взаимодействии фенола с формальдегидом реакция
при изменении условий опыта может привести к образованию неноволачной смолы линейного строения, а пространственных полимеров (резольные смолы) со структурой:
ОН
…
ОН
СН2
…  Н2С 
ААААААААА
R1
R2
где А – структурная единица полимера (мономер); R1, R2, R3 – радикалы – заместители в отдельных звеньях цепи.
Нужно иметь в виду, что и в линейных полимерах углеродные атомы
цепи располагаются не на одной прямой. Цепи могут переплетаться и
поэтому макромолекулы сильно изогнуты (свернуты в клубки, спирали
и т.п.).
Линейные полимеры образуются в тех случаях, когда в процессе полимеризации возникают только бирадикалы (радикалы с двумя свободными валентностями) или когда в реакцию поликонденсации вступают
молекулы, в состав которых входят по две функциональные группы.
Если разрывы кратных связей обеспечивают появление более двух
свободных валентностей или в реакцию поликонденсации вступают
молекулы, содержащие три и более функциональные группы, то это
позволяет молекулам расти в трех направлениях и приводит к образованию пространственных полимеров, в которых между цепями осуществлены ковалентные связи.
 СН2  …
СН2
 СН2  …
ОН
Линейные полимеры при повышении температуры становятся пластичными и даже могут перейти в вязко-текучее состояние. Понижением температуры эти полимеры можно снова перевести в твердое (стекловидное) состояние. Такая термообработка может многократно повторяться. В связи с этим такие полимеры названы термопластичными.
Пространственные полимеры при нагревании не могут быть переведены в пластическое состояние без разрыва химических связей между цепями макромолекулы, они при сильном нагревании подвергаются разрушению. Поэтому их называют термореактивными.
Экспериментальная часть
Опыт 1. Химические свойства углеводородов.
1.1. Получение этилена и его свойства.
В пробирку или небольшую колбу налейте 1-1,5 мл этилового спирта
и 5 мл концентрированной серной кислоты ( = 1,84 г/мл). Укрепите
пробирку (колбу) в зажиме штатива, закройте ее пробкой с газоотвод-
ной трубкой, конец которой поместите в пробирку с разбавленной
бромной водой, и нагревайте пробирку (колбу) через асбестовую сетку
в пламени спиртовки. Наблюдайте через некоторое время обесцвечивание бромной воды.
Когда раствор обесцветится, переместите конец газоотводной трубки
в пробирку со слабо окрашенным раствором KМnO4. Наблюдайте обесцвечивание раствора KМnO4, затем трубку выньте из него и после этого
прекратите нагревание. Напишите уравнения реакций.
Что можно сказать о прочности двойных связей в этиленовых углеводородах?
1.2. Ацетилен и его свойства.
Небольшую колбу укрепите в зажиме штатива и опустите в нее несколько кусочков карбида кальция СаС2. Колбу закройте пробкой с газоотводной трубкой и капельной воронкой, налейте в воронку воды и
выпустите несколько капель на карбид кальция. Когда реакция начнется, опустите свободный конец газоотводной трубки в пробирку с разбавленной бромной водой. Наблюдайте обесцвечивание бромной воды.
По мере надобности добавляйте в колбу воду. Напишите уравнение реакции между карбидом кальция и водой.
Реакция между ацетиленом и бромом протекает по схеме:
Br2
Br2
С2Н2  С2Н2Br2  С2Н2Br4.
Промежуточным продуктом в реакции является дибромэтилен, конечным – тетрабромэтан.
Сделайте вывод об относительной прочности тройной связи в молекуле ацетилена.
1.3. Бензол и его свойства.
Налейте в пробирку несколько капель бензола и немного бромной
воды. Происходит ли обесцвечивание раствора?
Сравните непредельные связи в бензоле и ненасыщенных углеводородах с незамкнутой цепью.
Опыт 2. Химические свойства кислородсодержащих органических
соединений.
2.1. Получение альдегидов.
Налейте в пробирку 10-20 капель метилового спирта. Накалите докрасна спираль из медной проволоки и быстро опустите ее в спирт.
Осторожно понюхайте образовавшийся формальдегид. В некоторых
случаях становится заметным изменение цвета медной спирали.
Реакция идет по схеме
Сu2О + СН3ОН  2Сu + НСНО + Н2О.
Налейте в другую пробирку 2-3 мл раствора К2Сr2О7, немного разбавленной серной кислоты и прибавьте примерно 1 мл этилового спирта. Осторожно нагревая пробирку, заметьте слабый запах уксусного
альдегида и изменение окраски раствора. Дихромат калия выполняет
роль окислителя. Реакция может быть представлена так:
Сr2О72- + 8Н+ + 3С2Н5ОН  2Сr3+ + 3СН3СНО + 7Н2О.
2.2. Восстановительные свойства альдегидов. Получение серебряного зеркала.
В химический стакан налейте (до половины его объема) воду и
нагрейте ее до кипения. Пробирку прокипятите со щелочью, промойте
и влейте в нее 1-2 мл 2%-ного раствора нитрата серебра. Добавьте по
каплям 1Н раствор аммиака до тех пор, пока выпавший осадок Аg2О
полностью не растворится. При этом образуются комплексные ионы
[Ag(NH3)2]+.
В раствор комплексной соли серебра прилейте при помощи пипетки
(осторожно по стенке) 2-3 капли раствора формальдегида (формалина)
и поместите пробирку в стакан с кипящей водой. Через некоторое время
стенки пробирки покроются блестящим налетом металлического серебра. Реакция идет по схеме:
Н С
О
+ 2[Ag(NH3)2]+ + 2ОН-  Н С
Н
О
+ 2Ag + H2O + 4NH3 .
ОН
2.3. Получение уксусноэтилового эфира.
Налейте в пробирку 1-2 мл этилового спирта и затем осторожно такой же объем концентрированной серной кислоты. Прибавьте немного
сухого ацетата натрия, слегка нагрейте пробирку и понюхайте образовавшееся вещество, обладающее запахом прелых яблок. Напишите
уравнение реакции. Объясните роль серной кислоты.
Опыт 3. Высокомолекулярные органические соединения (опыт проводится под тягой).
3.1. Получение новолачной фенолформальдегидной смолы.
В зависимости от катализатора и других условий опыта реакция
между фенолом и формальдегидом приводит к образованию различных
продуктов. Если катализатором реакции является кислота и фенол взят
в избытке, получается новолачная смола. Если катализатором служит
щелочь и в избытке находится формальдегид, получаются резольные
смолы.
Поместите в пробирку 2,5 г кристаллического фенола, добавьте туда
же 5 мл 40%-ного раствора формалина и 7-8 капель концентрированной
соляной кислоты. Смесь нагревайте, пока не начнется бурная реакция и
жидкость станет мутной. Когда пробирка охладится, слейте верхний
слой и вылейте смолу на лист картона. Составьте схему реакции. Испытайте образовавшуюся новолачную смолу на растворимость: в воде, в
ацетоне.
3.2. Получение резольной фенолформальдегидной смолы.
Поместите в большую пробирку 4 г кристаллического фенола и добавьте туда же 10 мл 40%-ного раствора формалина и 1-2 мл концентрированного раствора аммиака. В течение нескольких минут осторожно нагревайте пробирку со смесью в пламени спиртовки до начала бурной реакции и помутнения жидкости. Когда пробирка остынет и жидкость расслоится, слейте верхний водный слой. Нижний слой представляет собой смолу желто-коричневого цвета, еще способную к дальнейшей полимеризации. Перелейте смолу в фарфоровую чашечку и поставьте ее в сушильный шкаф при температуре 130 0С. Через час вязкая
смола превратится в твердую массу.
Чем объясняется затвердевание смолы при нагревании? Составьте
схему реакции.
3.3. Получение мочевиноформальдегидной (карбамидной) смолы.
Насыпьте в пробирку 2 г мочевины и прилейте туда же 3 мл 40%ного раствора формалина. Смесь слабо нагрейте в пламени спиртовки.
Через 1-2 мин наблюдайте помутнение жидкости, а затем образование
белого порошка. Напишите схему реакции.
Контрольные вопросы
1. Изложите основные положения теории химического строения
А.М. Бутлерова.
2. Напишите и назовите функциональные группы, характерные для
различных классов ограниченных соединений.
3. Кратко охарактеризуйте свойства углеводородов ряда метана, этилена, ацетилена и бензола.
4. Напишите структурные формулы бутана, изобутана, бутилена,
изобутилена.
5. В чем в главных чертах проявляется различие между органическими и неорганическими соединениями?
6. Составьте формулы уксусного и пропионового альдегида, бутилового спирта, бутилата натрия, фенола.
7. Напишите уравнение реакции между муравьиной кислотой и пропиловым спиртом.
8. Приведите примеры одноатомного, двухатомного и трехатомного
спиртов, одноосновной и двухосновной предельной и непредельной
карбоновых кислот.
9. Какие вещества называются высокомолекулярными? Что такое
макромолекула?
10. Что такое полимеризация? Составьте уравнения полимеризации
пропилена и изобутилена.
11. Что такое поликонденсация? Составьте уравнение поликонденсации фенола с формальдегидом.
12. Что такое линейные и пространственные полимеры?
Литература
Основная.
1. Бурцев В.И., Крутовский Е.П. Общий физический практикум.
Механика и молекулярная физика.-Орел: кафедра физики ОрелГТУ,
1995.- 86с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики.Т.1. Механика. Молекулярная
физика.- М.: Наука, 1982.- 482с.
3. Попко Ю.М., Князева Л.А. Руководство к практикуму по физике.М.: ГУПИ, 1959.- 443с.
4. Загурский И.Н., Загурская И.Н. Методические указания для выполнения лабораторных работ по курсу «Неорганическая химия» и
«Общая химия». - Орел: кафедра пищевых производств ОрелГТУ,1996.Ч.1.- 77с, Ч.2.- 74с.
5. Глинка Н.А. Общая химия.- Л.: Химия, 1983.- 703с.
6. Левант Г.Е., Райцын Г.А. Практикум по общей химии.- М.: Высшая школа, 1971.- 336с.
Дополнительная.
7. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - Т.1. Механика. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика.- М.: Наука, 1989, 1990.- 576с., 592с.
8. Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1990.- 479с.
9. Полинг Л., Полинг П. Химия.- М.: Мир, 1978.- 685с.
10. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия.- М.: Просвещение, 1973.- 632с.
Приложение
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Физика»
Лабораторная работа №___
Измерение скорости пули с помощью баллистического
маятника
Выполнил:
Студент гр. 11 А
Петров В.И.
Проверил:
Ассистент
Сидоров А.С.
Орел 200_