|
ВВЕДЕНИЕ
В процессе преподавания химии учителю приходится прибегать к самодельным приборам. Это бывает в тех случаях, когда школа не располагает приборами, выпускаемыми промышленностью, или если учитель ставит задачу развивать конструкторские способности учащихся. При изготовлении определенных приборов всегда следует исходить из конкретных местных условий: материально-технической обеспеченности школы и ее производственного окружения.
Данная книга предназначена оказывать помощь учителю в монтировании приборов, которые необходимы для демонстрации опытов на уроках и на внеклассных занятиях. Второе издание книги отличается от первого увеличением количества опытов, помогающих знакомить учащихся с законами и теориями химии, со многими современными каталитическими, термическими и другими химическими процессами, лежащими в основе получения соединений (синтез и окисление аммиака, окисление метана в формальдегид, синтез уксусного альдегида из этилена и т. д.), со свойствами веществ. Многие приборы в новом издании усовершенствованы, при этом использована современная техника экспериментирования.
Пособие содержит четыре главы, первая из которых освещает вспомогательные приборы, необходимые дли создания оптимальных условий течения реакций. В ней наряду с самодельными приведены некоторые промышленные приборы (трубчатая печь, регулятор напряжения и др.). В этой же главе представлены узлы, пользуясь которыми можно собирать различные приборы для демонстрации опытов. Во второй и третьей главах описаны приборы по неорганической и органической химии. Опыты в них расположены по классам и темам в соответствии со школьной программой. Подход к рассмотрению материала этих глав различный. Если в разделе иеор1аннческой химии внимание учителя не фиксируется на условиях протекания тех или иных процессов, так как этот вопрос достаточно широко освещен в учебно-методической литературе, то в разделе органической химии раскрываются оптимальные условия проведения реакций.
При монтировании приборов и демонстрации опытов часто возникает необходимость в различных принадлежностях, которые описаны в главе четвертой (электростеклорез, электросверло и др.). Применение типовых узлов позволяет экономить время учителя (приборы можно легко разобрать и быстро собрать вновь). Кроме того, многие из них рассчитаны на электронагревание, что позволяет пользоваться приборами в любой школе.
Описаны также установки, с помощью которых можно демонстрировать несколько химических процессов— комбинированные приборы. Их используют при обобщении материала или при демонстрации опытов с токсическими .веществами. Иногда комбинированный прибор используют по частям. (...)
Определившаяся идея прибора воплощается в соответствующей конструкции. «Рабочий» прибор обрастает необходимыми деталями, которые выполняют различные функции, вызванные условиями протекания реакции. Выбор формы прибора, его отдельных деталей, материалов должен быть достаточно аргументирован.
Рассмотрим на нескольких примерах, как рождается идея прибора и как она реализуется. Каталитическое окисление парафина является новым вопросом для школьного курса химии. Прежде чем приступить к эксперименту, знакомятся с имеющейся методической, учебной и научной литературой, с технологией производства. В методических пособиях описан опыт окисления парафина, но при его выполнении происходит сильная возгонка этого вещества. Знакомство с научной литературой дает возможность выяснить теорию вопроса, промышленные условия окисления парафина, а именно: температура 105—120°С (при более высокой температуре преобладают побочные реакции и, следовательно, получается меньше жирных кислот), хороший контакт парафина с кислородом воздуха в течение продолжительного времени (до 20 ч), присутствие катализатора (КМп04). Из этих условий больше всего тревожит продолжительность процесса. Ясно, что необходимо создать более жесткие условия, ускоряющие процесс: повысить температуру, увеличить концентрацию катализатора. Но все это нужно разрешить экспериментально.
Какова же должна быть конструкция прибора? В промышленности применяют колонны для окисления парафина. В колонну загружают смесь парафина с катализатором, снизу через пористую перегородку-решетку поступает воздух. Благодаря этой решетке создается хороший контакт расплавленного парафина с кислородом. Так приходят к выводу, что в данном приборе основной деталью должна быть пористая перегородка. Самим приготовить ее не представляется возможным, так как величина пор всего 20—25 мкм. Поэтому обращаются к имеющейся химической посуде, в частности к фильтрующим воронкам с пористой стеклянной перегородкой, предна-
школьной программой. Подход к рассмотрению материала этих глав различный. Если в разделе неор1аннческой химии внимание учителя не фиксируется на условиях протекания тех или иных процессов, так как этот вопрос достаточно широко освещен в учебно-методической литературе, то в разделе органической химии раскрываются оптимальные условия проведения реакций.
При монтировании приборов и демонстрации опытов часто возникает необходимость в различных принадлежностях, которые описаны в главе четвертой (электростеклорез, электросверло и др.). Применение типовых узлов позволяет экономить время учителя (приборы можно легко разобрать и быстро собрать вновь). Кроме того, многие из них рассчитаны на электронагревание, что позволяет пользоваться приборами в любой школе.
В книге разобраны различные варианты приборов, предназначенных для демонстрации одного и того же химического процесса. Это облегчает задачу выбора конструкции. Описаны также установки, с помощью которых можно демонстрировать несколько химических процессов— комбинированные приборы. Их используют при обобщении материала или при демонстрации опытов с токсическими веществами. Иногда комбинированный прибор используют по частям.
Методические рекомендации по конструированию. В процессе конструирования следует прежде всего выяснить назначение прибора, а также какую учебную задачу можно решить с его помощью. (...)
Определившаяся идея прибора воплощается в соответствующей конструкции. «Рабочий» прибор обрастает необходимыми деталями, которые выполняют различные функции, вызванные условиями протекания реакции. Выбор формы прибора, его отдельных деталей, материалов должен быть достаточно аргументирован.
Рассмотрим на нескольких примерах, как рождается идея прибора и как она реализуется. Каталитическое окисление парафина является новым вопросом для школьного курса химии. Прежде чем приступить к эксперименту, знакомятся с имеющейся методической, учебной и научной литературой, с технологией производства. В методических пособиях описан опыт окисления парафина, но при его выполнении происходит сильная возгонка этого вещества. Знакомство с научной литературой дает возможность выяснить теорию вопроса, промышленные условия окисления парафина, а именно: температура 105—120°С (при более высокой темцературе преобладают побочные реакции и, следовательно, получается меньше жирных кислот), хороший контакт парафина с кислородом воздуха в течение продолжительного времени (до 20 ч), присутствие катализатора (КМп04). Из этих условий больше всего тревожит продолжительность процесса. Ясно, что необходимо создать более жесткие условия, ускоряющие процесс: повысить температуру, увеличить концентрацию катализатора. Но все это нужно разрешить экспериментально.
Какова же должна быть конструкция прибора? В промышленности применяют колонны для окисления парафина. В колонну загружают смесь парафина с катализатором, снизу через пористую перегородку-решетку поступает воздух. Благодаря этой решетке создается хороший контакт расплавленного парафина с кислородом. Так приходят к выводу, что в данном приборе основной деталью должна быть пористая перегородка. Самим приготовить ее не представляется возможным, так как величина пор всего 20—25 мкм. Поэтому обращаются к имеющейся химической посуде, в частности к фильтрующим воронкам с пористой стеклянной перегородкой, предна-
значенным для вакуумного фильтрования. (Известно, что фильтры бывают различных номеров с величиной пор от 10 до 120 мкм.)
Далее возникает вопрос: как обогревать воронку? В промышленности это осуществляется применением змеевиков. Равномерную температуру в условиях школы можно создать с помощью масляной бани. Но погрузить в нее воронку возможно в том случае, если будет согнута ножка воронки. Теперь остается закрыть воронку пробкой с отводной трубкой, конец которой опускают в раствор индикатора, и присоединить водоструйный насос. Прибор готов к работе.
После этого начинается кропотливая работа по подбору оптимальных условий, приемлемых для школы.
Взяв определенную навеску парафина (10 г), начинают исследовать влияние концентрации катализатора на скорость реакции (в промышленности катализатор составляет 0,2% or массы парафина). С этой целью постепенно увеличивают количество катализатора (20 мг, 50 мг, 100 мг, 200 мг и т. д.). Каждый раз готовят смесь расплавленного парафина с катализатором, через которую при 120—130°С барботирует воздух.
Проведенные исследования показывают, что при навеске катализатора 20—50 мг окраска индикатора (в результате образования летучих кислот) изменяется через 2 ч, а при навеске катализатора 300—400 мг — через 30—35 мин. Дальнейшее повышение концентрации катализатора не сказывается на скорости реакции. (...)
Рассмотрим еще один пример работы по конструированию прибора. Получение и изучение свойств оксида углерода (II) представляет для учителя большую трудность. Из-за сильной токсичности этого вещества многие учителя опасаются ставить опыты с ним. В методической литературе рекомендуется получать оксид углерода (II) из муравьиной или щавелевой кислоты. Однако эти кислоты неизвестны учащимся до изучения ими курса орга-нической химии. Кроме того, эксперимент с оксидом углерода (II) ограничивается только получением и сжиганием угарного газа. Наконец, предлагаемая методика получения оксида углерода (II) не соответствует промышленным условиям. В результате анализа существующего эксперимента по данному веществу исследователи пришли к выводу о необходимости создания прибора, который дал бы возможность:
1. Получить оксид углерода (II) взаимодействием оксида углерода (IV) с раскаленным углем, как это осуществляют в промышленности.
2. Шире изучить свойства оксида СО (кроме реакции горения): восстановительные, плохую растворимость в воде, непоглощаемость углем, физиологическое действие на кровь, а также провести опыты, доказывающие несолеобразующий характер оксида углерода (II).
Основное требование к прибору — его полная герметичность, что должно предохранить от проникновения оксида углерода (II) в помещение. Это возможно в том случае, если в приборе газ будет находиться в замкнутой системе. (...)
При конструировании прибора выясняют, каким должен быть нагревательный узел. Трубки из обычного стекла при сильном нагревании прогибаются, а кварцевые, железные или фарфоровые выдерживают высокие температуры, но при нагревании спиртовкой или газовой горелкой невозможно достичь температуры 800°С. Кроме того, в них древесный уголь нагревается неравномерно. После продолжительных поисков находят, что высокую равномерную температуру можно создать при использовании внутреннего электронагрева (кварцевая или фарфоровая трубка, в которую помещена электроспираль). В дальнейшем определяют вариант нагревательного узла — электронагрев при помощи стержня в колонке с тубусами (рис. 28). Система для получения СО заканчивается важным узлом прибора — маленьким самодельным газометром. Следует отметить, что установка по мере ее совершенствования подвергается изменениям. Это связано с расширением эксперимента по изучению свойств оксида углерода (II). Прежде чем начать работу с прибором, его много раз испытывают и вносят мелкие конструктивные изменения.
Большую помощь в создании приборов оказывает конструкторский кружок. Весьма ценно, если мысль учащихся будет направлена на совершенствование указанных в книге приборов, монтирование новых вариантов, а также разработку приборов по новой тематике. Именно в кружке развиваются творческие способности учащихся, закрепляются и расширяются их знания по химии, определяется интерес к предмету. Создание такого кружка имеет не только образовательное, но и воспитательное значение. Это выражается в том, что у учащихся выраба-Iыв.пчен наблюдательность, внимание, настойчивость, тчиосп, п лккурагноен, в работе, появляется любовь к труду, они приобретают лабораторные и технические навыки и т. д. Основным методом работы кружка должны быть нпдппигуальпые задания с учетом склонностей, интереса и общеобразовательной подготовки учащихся. Это не исключает выполнения задания небольшими группами (2—3 человека). При этом должно быть четкое распределение обязанностей между отдельными учащимися.
Процесс работы над прибором можно разбить на несколько стадий. Первая стадия носит подготовительный характер: учащийся, избрав тему, знакомится с учебной и справочной литературой с целью выяснения свойств исходных веществ, получаемого продукта, условий протекания химического процесса. Со свойствами веществ учащиеся знакомятся экспериментально. На этой же стадии они обдумывают конструкцию прибора, составляют схему или чертеж прибора, подбирают материалы. Вторая стадия — практическое осуществление замысла: учащиеся изготовляют отдельные узлы прибора, собирают прибор, испытывают его, выявляют неисправности, окончательно отрабатывают конструкцию. После испытания прибора на него составляют паспорт. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
