Технологический лицей г.Сыктывкар

Эксперименты и Решение задач

по теме «Металлы»

 

Цели урока:

1.      закрепить навыки решения задач

2.      продемонстрировать практическую значимость навыков решения задач

3.      научить решать усложненные задачи.

 

Оборудование и реактивы: кодоскоп, чашка Петри, колба Вюрца, двугорлая банка, мензурка, стакан, тигель металлический, Na металлический, H₂O, Mg, Cu, HCl разбавленная, железная пластинка, раствор CuSO₄, термитная смесь, спички.

 

План урока:

1.      Организационный момент.

2.      Новый материал - эксперименты и решения задач

3.      Задание на дом.

 

План изложения нового материала:

1.      Опыт взаимодействия натрия с водой (с помощью кодоскопа) и решение задачи.

2.      Опыт со смесью магния и меди и решение задачи.

3.      Опыт с железной пластинкой и решение задачи.

4.      Решение усложненной задачи.

5.      Опыт с термитной смесью.

6.      Итоги урока.

 

Ход урока.

На сегодняшнем уроке мы не просто будем решать задачи – мы свяжем эти задачи с экспериментами. Вы, возможно, думаете, что составители задачников берут условия задач из головы. На самом деле это не совсем так. Каждая задача так или иначе связана с экспериментом (опытом), который произошел и данные которого и были внесены в условие задачи. Такие опыты и мы проведем сегодня, а данные этих опытов используем для составления условий задач.

1. Опыт взаимодействия натрия с водой и решение задачи.

Вы уже видели, как натрий взаимодействует с водой. Еще один вариант этого опыта проведем с помощью кодоскопа. Кусочек натрия массой примерно 1,15 г опускаем в чашку Петри, куда налито 40 мл  воды.

Натрий взаимодействует с водой, выделяется газ.

А теперь решим задачу – вычислим массовую долю щелочи в полученном растворе (задача 13 в сборнике задач).

 

Уравнение реакции:

      _{1,15 г                                        x г               y г}

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂ ↑

 

Как найти массовую долю щелочи в полученном растворе?

                _{m (NaOH)}

ω (NaOH) = -------------- · 100 %

               ^{m (раствора)}

Из чего будет складываться масса раствора?

Из массы воды и натрия за вычетом массы водорода. Значит, надо найти массу NaOH и массу H₂.

 

m (раствора) = m (H₂O) + m (Na) – m (H₂)

 

      _{m(Na)               1,15 г}

υ (Na) = ---------- = ----------- = 0,05 моль

       ^{M (Na)            23 г/моль}

 

υ (NaOH) = υ (Na) = 0,05 моль

 

m (NaOH) = μ (NaOH) · υ (NaOH) = 40 г/моль · 0,05 моль = 2 г

 

 

υ (H₂) = Ѕ υ (Na) = Ѕ · 0,05 моль = 0,025 моль

 

m (H₂) = μ (H₂) · υ (H₂) = 2 г/моль · 0,025 моль = 0,05 г

 

m (H₂O) = ρ · V = 1 г/мл · 40 мл = 40 г

_{2 г}

ω (NaOH) = ---------------------- · 100 % = 4,87 %

     ^{40 г + 1,15 г – 0,05 г}

Ответ: 4,87 %

 

2. Опыт со смесью магния и меди и решение задачи.

Следующий эксперимент – следующая задача.

Имеется смесь медных и магниевых опилок. Берем 1 г этой смеси и помещаем в колбу Вюрца (демонстрируется прибор). Затем приливаем избыток соляной кислоты. Измеряем объем водорода – это объем вытесненной воды.

Итак, по данным эксперимента получается, что выделилось 244 мл водорода. Кстати, молярный объем при таких условиях будет немного иным (условия в кабинете химии отличаются от нормальных – t = 20⁰ C или 293 K, а давление сегодня 750 мм рт. ст.). При этих условиях V_m будет равен не 22,4 л/моль, а 24,36 л/моль ≈ 24,4 л/моль.

Надо определить массовые доли металлов в смеси.

 

Итак, решение задачи.

 

С соляной кислотой взаимодействует только магний.

                _{x г                                        0,244 л}

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂ ↑

 

Cu + HCl ≠

 

                _{V                0,244 л}

υ (H₂) = ---- = --------------- = 0,01 моль

                ^V_m        ^{24,4 л/моль}

 

υ (Mg) = 0,01 моль

m (Mg) = 24 г/моль · 0,01 моль = 0,24 г

 

               _{m (Mg)                          0,24 г}

ω (Mg) = --------- · 100% = --------- · 100% = 24%

               ^{m (смеси)                          1 г}

 

ω (Cu) = 100% - 24% = 76%

 

Ответ: ω (Mg) = 24%, ω (Cu) = 76%

 

Вопрос классу: каким способом можно было проще узнать массовые доли металлов в смеси? (Ответ: растворить магний в кислоте, а затем отфильтровать и взвесить медь.)

 

3. Опыт с железной пластинкой и решение задачи.

Как известно, более активные металлы могут вытеснять менее активные из растворов их солей. На этом основан наш следующий эксперимент.

Железная пластинка массой 8 г была опущена в раствор сульфата меди (II) массой 250 г с массовой долей CuSO₄ 15%, после чего масса пластинки составила 8,8 г. Какой стала массовая доля сульфата меди в растворе после реакции?

 

Решение задачи.

          _{x моль   x моль             x моль}

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

 

Найдем массу CuSO₄ в растворе № 1.

 

m₁ (CuSO₄) = ω₁ (CuSO₄) · m₁ (раствора) = 0,15 · 250 г = 37,5 г

 

Итак, масса пластинки увеличилась на 8,8 г – 8 г = 0,8 г. Что означает эта цифра?

 

На каждый атом железа приходится по уравнению реакции один атом меди. Значит, сколько атомов железа ушло в раствор в виде ионов, столько атомов меди осело на пластинке. Значит, разница 0,8 г – это разница между массой меди и массой железа.

Обозначим количество вещества Fe за x моль. Тогда υ (Cu) = x моль.

Масса меди 64x и масса железа 56x.

 

64x – 56x = 0,8

8x = 0,8

x = 0,1

 

Отсюда количество вещества CuSO₄, вступившего в реакцию – 0,1 моль, а его масса:

 

m₂ (CuSO₄) = υ · μ = 0,1 моль · 160 г/моль = 16 г

 

Тогда масса сульфата меди (II), оставшегося в растворе, равна:

 

m₃ (CuSO₄) = m₁ (CuSO₄) – m₂ (CuSO₄) = 37,5 г – 16 г = 21,5 г

 

 

    m₃ (CuSO₄)            _{21,5 г                                        21,5 г}

ω₂ (CuSO₄) = ------------------ = --------------- · 100% = --------- · 100% = 8,63%

   m₂ (раствора)     ^{250 г – 0,8 г                                    249,2 г}

 

 

Ответ: ω (CuSO₄) = 8,63%.

 

4. Решение усложненной задачи.

 

Опыт сходный со вторым опытом, но более громоздкий, поэтому показывать не будем.

Решение задачи № 141 из сборника задач.

Со щелочью реагируют кремний и алюминий:

                _{x моль                                                             2x моль}

Si + 2NaOH + H₂O == Na₂SiO₃ + 2H₂ ↑

                 _{y моль                                                                                             1,5y моль}

2Al + 2NaOH + 10H₂O == 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + 3H₂ ↑

 

С кислотой реагируют алюминий и железо.

                _{y моль                                 1,5y моль}

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂ ↑

                 _{z моль                                z моль}

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ ↑

 

Пусть υ (Si) = x моль, υ (Al) = y моль, υ (Fe) = z моль.

Тогда:

υ (H₂), выделившегося при действии щелочи на кремний, будет 2x моль,

υ (H₂), выделившегося при действии щелочи на алюминий, будет 1,5y моль,

υ (H₂), выделившегося при действии кислоты на алюминий, будет 1,5y моль,

υ (H₂), выделившегося при действии кислоты на железо, будет z моль.

 

Составляем систему уравнений с тремя неизвестными:

{	28x + 27y + 56z = 13,8 2x + 1,5y = 0,5 1,5y + z = 0,4

При решении этой системы получаем:

x = 0,1 моль; m(Si) = 2,8 г

y = 0,2 моль; m(Al) = 5,4 г

z = 0,1 моль; m(Fe) = 5,6 г

 

5. Опыт с термитной смесью.

И последний на сегодняшнем уроке опыт.

Термитная смесь состоит из железной окалины и алюминиевого порошка. При взаимодействии этих веществ выделяется большое количество теплоты, железо плавится и принимает форму того сосуда, в котором происходит реакция (на кодоскопе демонстрируется рисунок установки).

Опыт: в железном тигле смешиваем эквивалентные количества железной окалины и алюминиевого порошка и поджигаем с помощью магниевой ленты.

 

Уравнение реакции:

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe

 

А задачу по данному эксперименту постарайтесь решить дома (задача № 49 из сборника задач).

 

6. Итоги урока.

Итак, на сегодняшнем уроке вы узнали, что условия задач рождаются из эксперимента, и закрепили навыки решения задач.

Задание на дом: задачи № 47 и 49 из следующего далее сборника задач.