Малая академия МГУ имени М. В. Ломоносова

Особенностью химии, как учебной дисциплины, является то, что ее предметное содержание включает и теоретические, и экспериментальные компоненты. И следует признать, что в настоящее время в школьных курсах часто встречается «перекос» предметного содержания в сторону теоретических знаний. То есть нередко учащиеся изучают, как они сами говорят, «меловую» химию, в основном записывая мелом уравнения реакций на доске. Очевидно, такое положение дел складывается из-за недостаточного оснащения школ химическим оборудованием, реактивами – всем тем, что необходимо для проведения химического эксперимента. Однако причины не только в этом…

В настоящее время многие московские школы оснащаются разнообразным учебно-методическим оборудованием, предоставляющим возможности проведения сложных физических, химических или биологических экспериментов. При этом в состав оборудования включаются и весьма сложные и интересные приборы, имеющие связь с персональными компьютерами. Однако, далеко не во всех школах это оборудование эффективно используется, поскольку недостаточно снабдить школы современным оборудованием – необходимо оказать учителю профессиональную методическую помощь в его оптимальном использовании.

Интересным примером эффективного использования современного школьного оборудования является применение в курсе химии цифрового микроскопа Intel Play QX3.

Это компактное и очень удобное устройство, связанное с персональным компьютером, сочетает в себе функции микроскопа, цифровой видеокамеры и видеомагнитофона. Микроскоп позволяет рассматривать изучаемый объект в статическом состоянии и в динамике, увеличивая при этом его изображение до 200 раз.

Используя устройство цифровой видеокамеры Intel Play QX3, можно зафиксировать цифровые фотоснимки и видеомодули, которые сохраняются в памяти компьютера и могут быть воспроизведены как на мониторе персонального компьютера, так и на экране в классе (с использованием мультимедийного проектора). Устройство Intel Play QX3 не сложно в эксплуатации, его может освоить любой учитель или школьник-старшеклассник, который является опытным «пользователем» персонального компьютера. Учитывая возможности микроскопа, в наших работах химические реакции проводили «в капле», то есть для их обеспечения использовали микроколичества веществ.

Изучая особенности и динамику развития коррозионных процессов «чистого» железа и железа в контакте с различными металлами, школьники имели возможность проследить катодные и анодные стадии коррозионных процессов. С помощью микроскопа они отслеживали формирование пузырьков газа на поверхности железа, свидетельствующих о том, что катионы водорода восстанавливаются и происходит выделение газообразного водорода. Использование микроскопа позволило проследить также и динамику химического взаимодействия железа с водным раствором кислоты (с добавкой специфического «индикатора» – гексацианферрата (II) калия K4[Fe(CN)6]). В течение одной первой минуты отчетливо фиксировалось изменение окраски раствора вблизи поверхности железа – появление и усиление синей окраски непосредственно на границе раздела: железо/кислота. Микроскоп позволил наблюдать развитие процессов во времени, а также сравнить скорости продвижения фронта окрашенного раствора от поверхности железа в глубь коррозионной среды в случае коррозии «чистого» железа и железа в контакте с другими металлами.

Не менее интересные результаты были получены при изучении окислительно-восстановительных реакций. Например, использование цифрового микроскопа Intel Play QX3 позволило проследить механизм некоторых сложных реакций – уяснить последовательность протекания стадий там, где в школьном курсе химии принято рассматривать только начальное и конечное состояния системы, то есть исходные вещества и продукты реакции.

Для получения интересных результатов химического эксперимента необходимо:

• правильно выбрать объекты наблюдения
• оптимально использовать доступное оборудование
• разумным образом подобрать условия проведения эксперимента

Эксперимент № 1.

В кювету, предназначенную для наблюдения объектов под микроскопом, наливают около 10 миллилитров 1:1 раствора НСl, в который добавляют несколько капель предварительно приготовленного раствора гексацианоферрата (II) калия, дающего качественную реакцию с ионами железа Fe2+. В приготовленный раствор помещается небольшой (соответствующий размерам кюветы) образец металлического железа. Поверхность образца железа до начала опыта тщательно очищена наждачной бумагой, освобождена от слоя оксидов и возможных продуктов коррозии, промыта и обезжирена. Наблюдение проводилось при увеличении (x 60) раз.

С помощью микроскопа на поверхности железа в данных условиях можно рассмотреть формирование пузырьков газа, свидетельствующих о том, что восстанавливаются катионы водорода –выделяется газообразный водород. Использование микроскопа позволяет проследить динамику растворения железа в водном растворе кислоты: в течение одной первой минуты: отчетливо видно, как меняется окраска раствора вблизи поверхности железа – появляется и усиливается синяя окраска непосредственно на границе раздела: железо / кислота. Микроскоп позволяют наблюдать развитие процесса во времени: как и с какой скоростью продвигается фронт окрашенного раствора от поверхности железа.

Результаты эксперимента позволяют сделать вывод, что, как и следовало ожидать, в водном растворе хлороводорода протекает анодная реакция окисления железа, сопряженная реакцией катодного восстановления водорода. Более сложная картина наблюдается в коррозионном процессе при контакте двух разных металлов.

Эксперимент № 2.

Подготовка эксперимента осуществляется таким же образом, что и в эксперименте № 1. Отличие заключается в том, что в раствор кислоты помещаются два металла – Fe и Cu, находящиеся в контакте.

На поверхности железа в данном случае не наблюдается выделение пузырьков газа в течение всего времени проведения эксперимента. Однако качественная реакция на ионы железа в растворе протекает много интенсивнее, чем в эксперименте № 1 – в случае коррозии чистого железа. Уже через 15 секунд после погружения пары металлов (Fe-Cu) в раствор кислоты у поверхности железа появляются яркие синие пятна, свидетельствующие о большой скорости растворения железа. Более того, микроскоп позволяет наблюдать отрыв частичек железа от поверхности, переход их в раствор и интенсивное растворение в непосредственной близости от корродирующей поверхности железа.

Причиной такого усиления интенсивности процесса окисления железа является влияние контактирующей меди. Важной особенностью данного коррозионного процесса, по сравнению с экспериментом № 1, является изменение реакции катодного восстановления. В условиях эксперимента № 2 невозможно протекание реакции восстановление катионов водорода, но весьма вероятно протекание катодного восстановления кислорода.

Совершенно другая картина наблюдается в случае контакта железа с цинком.

Эксперимент № 3.

Подготовка эксперимента осуществляется таким же образом, как и в эксперименте № 1. Однако в данном случае железо находится в контакте с небольшим кусочком цинка.

При погружении пары металлов (Fe – Zn) в раствор хлороводорода, содержащий гексацианоферрат (II) калия отчетливо видно активное выделение пузырьков газа, как на поверхности железа, так и на поверхности цинка. Важно отметить, что хотя параметры раствора электролита и другие внешние характеристики, за исключением контакта с Zn, остались такими же, что и в эксперименте № 1, процесс выделения газа протекает много интенсивнее. Раствор же у поверхности металлического железа не становится синим – качественная реакция на ион Fe^{2+} не проявляется.

Реакция окисления железа в условиях его контакта с цинком подавляется, при этом, цинк в данных условиях интенсивно окисляется. Именно на таком взаимном влиянии и основана протекторная защита железа цинковыми покрытиями. Цинк в данном случае, выступая протектором железа (protect – защищать), приносится «в жертву» для «спасения» железа от коррозии.

И наконец, рассмотрим еще более сложный и интересный эксперимент.

Эксперимент № 4.

Поместим небольшой кусочек железа, поверхность которого тщательно подготовлена (как описано в эксперименте № 1) в воду. Погрузим в воду рядом с железом небольшое количество кристалликов сульфата меди, которые сразу же начинают быстро растворяться. Уже за первые 5 секунд вы заметите, как уменьшаются размеры кристаллов соли, а цвет раствора становится зеленовато-синим. Как и следует ожидать, в данных условиях наблюдается осаждение металлической меди на поверхность железа. Наблюдение данного процесса под микроскопом позволит вам не только убедиться в его результате – в осаждении меди из водного раствора соли на поверхность металлического железа, но и наблюдать динамику этого процесса, сопряженность всех его стадий. Вы увидите, как и с какой скоростью одновременно с растворением соли в воде будет формироваться медное покрытие на поверхности железа.