Исследование возможности проведения реакций по взаимодействию серы с металлами в условиях школьной лаборатории

Исследование возможности проведения реакций по взаимодействию серы с металлами в условиях школьной лаборатории
Введение
Изучение химических свойств отдельных элементов является неотъемлемой составляющей курса химии в современной школе, позволяющей на основе индуктивного подхода сделать предположение об особенностях химического взаимодействия элементов на основе их физико-химических характеристик. Однако возможности школьной химической лаборатории не всегда в полной мере позволяют продемонстрировать зависимость химических свойств элемента от его положения в периодической системе химических элементов, особенностей строения простых веществ.
Химические свойства серы используются и в начале изучения курса химии для демонстрации отличия химических явлений от физических, и при изучении особенностей отдельных химических элементов. Наиболее часто в методических указаниях рекомендуется демонстрация взаимодействия серы с железом, как пример химических явлений и пример окислительных свойств серы. Но в большинстве случаев данная реакция либо не протекает вовсе, либо результаты ее протекания невозможно оценить невооруженным взглядом. Различные варианты проведения данного эксперимента зачастую характеризуются низкой воспроизводимостью результатов, что не позволяет систематически использовать их при характеристике указанных выше процессов. Поэтому актуальным является поиск вариантов, способных составить альтернативу демонстрации процесса взаимодействия железа с серой, адекватных особенностям школьной химической лаборатории.
Цель: Исследовать возможность проведения реакций по взаимодействию серы с металлами в условиях школьной лаборатории.
Задачи:
Определить основные физико-химические характеристики серы;
Проанализировать условия проведения и протекания реакций взаимодействия серы с металлами;
Изучить известные методики осуществления взаимодействия серы с металлами;
Отобрать системы для проведения реакций;
Оценить адекватность отобранных реакций условиям школьной химической лаборатории.
Рекомендовать оптимальные варианты проведения реакций взаимодействия серы с металлами в школьной химической лаборатории
Объект исследования: реакции взаимодействия серы с металлами
Предмет исследования: осуществимость реакций взаимодействия серы с металлами в условиях школьной лаборатории.
Гипотеза: альтернативой взаимодействия железа с серой в условиях школьной химической лаборатории будет являться химическая реакция, отвечающая требованиям наглядности, воспроизводимости, относительной безопасности и доступности реагирующих веществ.
Свою работу мы хотим начать с краткой характеристики серы:
Положение в периодической системе: сера находится в 3 периоде, VI группе, главной (А) подгруппе, относится к s-элементам.
Атомный номер серы 16, следовательно, заряд атома серы равен + 16, число электронов 16. Три электронных уровня на внешнем уровне 6 электронов
Схема расположения электронов по уровням:
16S ) ) ) 2 8 6
Ядро атома серы 32S содержит 16 протонов (равно заряду ядра) и 16 нейтронов (атомная масса минус число протонов: 32 – 16 = 16).
Электронная формула: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Таблица 1
Значения потенциалов ионизации атома серы
Потенциал ионизации
Энергия (эВ)

1
10,36

2
23,4

3
34,8

4
47,3

5
72,5

6
88,0

На холоду сера довольно инертна (энергично соединяется только с фтором), но при нагревании становится весьма химически активной – реагирует с галоидами (кроме йода), кислородом, водородом и почти со всеми металлами. В результате реакций последнего типа образуются соответствующие сернистые соединения.
Реакционная способность серы как и любого другого элемента при взаимодействии с металлами зависит от:
активности вступающих в реакцию веществ. Так например наиболее активно сера будет взаимодействовать со щелочными металлами
от температуры проведения реакции. Что объясняется термодинамическими особенностями процесса.
Термодинамическая возможность самопроизвольного протекания химических реакций в стандартных условиях определяется стандартной энергией Гиббса реакции:

·G0Т < 0 – прямая реакция протекает

·G0Т > 0 – прямая реакция невозможна
от степени измельчения реагирующих веществ, так как и сера, и металлы реагируют в основном в твердом состоянии.
Термодинамические характеристики некоторых реакций взаимодействии серы с металлами приведены в слайде 4
Из таблицы видно, что теромодинамически возможно протекание взаимодействия серы как с металлами начала ряда напряжений, так и металлами малоактивными.
Таким образом, сера является довольно активным при нагревании неметаллом, способным вступать в реакции с металлами как высокой активности (щелочными) так и малоактивными (серебро, медь).
Исследование взаимодействия серы с металлами
Подбор систем для исследования
Для исследования взаимодействия серы с металлами отбирались системы, включающие металлы, находящиеся в разных местах ряда Бекетова, обладающие различной активностью.
В качестве условий отбора были определены следующие критерии: быстрота проведения, наглядность, полнота протекания реакции, относительная безопасность, воспроизводимость результата, вещества должны заметно отличаться по физическим свойствам, наличие веществ в школьной лаборатории, существуют удачные попытки проведения взаимодействий серы с конкретными металлами.
Для оценки воспроизодимости проводимых реакций каждый эксперимент проводился трижды.
На основании указанных критериев для проведения эксперимента были отобраны следующие реакционные системы:
СЕРА И МЕДЬ Cu + S = CuS + 79 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём 4 г серы в порошковом состоянии и насыплем в пробирку. Нагреем серу в пробирке до кипения. Затем возьмём медную проволоку и раскалим ее над пламенем. Когда сера расплавится и закипит, поместим в неё медную проволоку
Ожидаемый результат: Пробирка заполняется бурыми парами, проволока раскаляется и «сгорает» с образованием хрупкого сульфида.
2. Взаимодействие серы с
·медью.
Реакция получилась не очень наглядной, самопроизвольного разогревания меди также не происходило. При добавлении соляной кислоты особого выделения газа не наблюдалось.
СЕРА И ЖЕЛЕЗО Fe + S = FeS + 100,4 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём 4 г порошковой серы и 7 г порошкового железа и перемешаем. Полученную смесь пересыплем в пробирку. Подогреем вещества в пробирке
Ожидаемый результат: Происходит сильное самопроизвольное разогревание смеси. Полученный сульфид железа спекается. Вещество не разделяется водой и не реагирует на магнит.
1. Взаимодействие серы с железом.
Произвести реакцию по получению сульфида железа без остатка в лабораторных условиях практически невозможно, очень сложно определить, когда вещества полностью прореагировали, самопроизвольного разогревания реакционной смеси не наблюдается. Проверили полученное вещество на то, является ли оно сульфидом железа. Для этого мы использовали HCl. Когда мы капнули соляную кислоту на вещество, оно начало пениться, выделялся сероводрод.
СЕРА И НАТРИЙ 2Na + S = Na2S + 370,3 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём 4 г порошковой серы и насыплем в ступку, хорошо разотрём
Отрежем кусочек натрия массой примерно 2 г. Обрежем оксидную плёнку, разотрём их вместе.
Ожидаемый результат: Реакция протекает бурно, возможно самовоспламенение реагентов.
3. Взаимодействие серы с натрием.
Взаимодействие серы с натрием - это сам опасный и запоминающийся эксперимент. Через несколько секунд растирания полетели первые искры, в ступке вспыхнул и начал гореть натрий с серой. При взаимодействии продукта с соляной кислотой активно выделяется сероводород.
СЕРА И ЦИНК Zn + S = ZnS + 209 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём порошковую серу и цинк по 4 г каждый, перемешаем вещества. Готовую смесь пересыпаем на асбестовую сетку. К веществам подносим горячую лучину
Ожидаемый результат: Реакция протекает не сразу, но бурно, образуется зеленовато-голубое пламя.
4. Взаимодействие серы с цинком.
Реакцию запустить очень трудно, для ее инициирования требуется использование сильных окислителей либо высокой температуры. Вещества вспыхивают зеленовато-голубым пламенем. Когда пламя тухнет, на этом месте остаётся остаток, при взаимодействии с соляной кислотой сероводород выделяется незначительно.
СЕРА И АЛЛЮМИНИЙ 2Al + 3S = Al2S3 + 509,0 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём порошковую серу массой 4 г и алюминий массой 2,5 г и перемешаем. Разместим полученную смесь на асбестовой сетке. Поджигаем смесь горящим магнием
Ожидаемый результат: При реакции происходит вспышка.
5. Взаимодействие серы с алюминием.
Для реакции необходимо добавление сильного окислителя в качестве инициатора. После поджигания горящим магнием, произошла мощная вспышка желтовато-белого цвета, сероводород выделяется достаточно активно.
СЕРА И МАГНИЙ Mg + S = MgS + 346,0 кДж/моль
Методика и ожидаемый эффект
Возьмём магниевую стружку 2,5 г и порошковую серу 4 г и перемешаем
Полученную смесь разместим на асбестовой сетке. Подносим лучину к полученной смеси.
Ожидаемый результат: При реакции происходит мощная вспышка.
4. Взаимодействие серы с магнием.
Для реакции необходимо добавление чистого магния в качестве инициатора. Происходит мощная вспышка беловатого цвета, сероводород выделяется активно.
Вывод
Реакция по получению сульфида железа была не закончена, так как остался остаток в виде смеси пластической серы и железа.
Наиболее активное выделение сероводорода проявилось у сульфида натрия и у сульфидов магния и алюминия.
Менее активное выделение сероводорода было у сульфида меди.
Проведение опытов по получению сульфида натрия опасно и не рекомендуется в условиях школьной лаборатории.
Для проведения в условия школы наиболее подходят реакции по получению сульфидов алюминия, магния и цинка.
Ожидаемый и фактический результат совпали при взаимодействии серы с натрием, магнием и алюминием.
Заключение
Несмотря на существующие рекомендации проведения демонстрации взаимодействия железа с серой в качестве примера, иллюстрирующего химические явления и окислительные свойства серы в курсе химии общеобразовательной школы, реальное осуществление такого эксперимента зачастую не сопровождается видимым эффектом.
При определении альтернативы данной демонстрации выбирались системы, отвечающие требованиям наглядности, безопасности, доступности реагирующих веществ в школьной лаборатории. В качестве возможных вариантов были выбраны реакционные системы серы с медью, железом, цинком, магнием, алюминием, натрием, позволяющие оценить эффективность использования реакции взаимодействия серы с различными металлами в качестве демонстрационных экспериментов на уроках химии.
По результатам экспериментов было определено, что наиболее оптимально для указанных целей использовать реакционные системы серы с металлами средне-высокой активности (магний, алюминий).
На основе проведенных экспериментов создан видеоролик, демонстрирующий окислительные свойства серы на примере ее взаимодействия с металлами, позволяющий описать данные свойства без проведения натурного эксперимента. В качестве дополнительного пособия создан сайт ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), на котором представлены в том числе и результаты проведенного исследования в наглядной форме.
Результаты исследования могут стать основой для более глубокого изучения особенностей химических свойств неметаллов, химической кинетики и термодинамики.

Исследование возможности проведения реакций по взаимодействию серы с металлами в условиях школьной лаборатории
МКОУ "Нововаршавская гимназия"

13 PAGE \* MERGEFORMAT 14915

13 PAGE \* MERGEFORMAT 14115

џђЗаголовок 1?ђЗаголовок 215