Исследовательская деятельность учащихся

Государственное учреждение образования

«Яршевичский учебно-педагогический комплекс

детский сад- средняя школа»

Условия стабилизации и дестабилизации   пероксида  водорода

Исследовательская работа

        Автор :

        Шароварова  Елизавета Александровна, 

                                                          учащаяся 8 класса

                                                          Руководитель : Коледа  Людмила

                                                          Фёдоровна, учитель химии 

                                                          высшей квалификационной   категории                   

                                                         ГУО «Яршевичский учебно-педагогический

                                                 комплекс детский сад- средняя школа»

                               Оглавление

Введение  ……………………………………………………………. 3-4

Выполнение исследования и полученные результаты  ……………5-6

Заключение   ………………………………………………………....….7

Список использованных источников………………………………..... 8

Приложения …………………………………….…………….……...….9

Введение

Растения, животные, человек нуждаются в кислороде, так как от него зависит нормальное протекание жизненных процессов. В промышленности и технике он широко используется как окислитель. В промышленности, где счет идет на тысячи тонн, в качестве сырьевых источников используют воздух и воду. Необходимая для этого аппаратура сложная и дорогая, поэтому для получения кислорода в лабораторных целях не может быть использована [1]. В качестве сырья для лабораторного получения кислорода используются сложные вещества, богатые кислородом, из которых он выделяется в реакциях разложения. Это КМnО₄, КСlО₃, селитры и некоторые другие вещества [2].

Опыты нужно проводить с особой осторожностью, т.к. при сильном нагревании пробирки с веществом может произойти растрескивание или даже расплавление стекла.

Наиболее удобным и безопасным является лабораторное получение кислорода из пероксида водорода Н₂О₂. Пероксид даже при обычных условиях малоустойчив  и уже при стоянии на воздухе медленно разлагается согласно уравнению   2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂ . Если предполагается хранить его в лаборатории достаточно длительное время, то необходимо выбрать условия, способствующие повышению его  устойчивости, т.е. стабилизации. В случае же использования Н₂О₂  для получения О₂  нужно подобрать условия для быстрого его разложения.

Аптечный раствор Н₂О₂  для увеличения сроков его хранения стабилизируют малыми добавками кислоты [4], а на этикетке присутствует указание «Хранить в прохладном месте».

Ускорить же процесс разложения  можно,   если:  а) реакцию проводить при нагревании,  б) использовать катализатор.  В литературе рекомендуется в качестве катализатора использовать  МnО₂ [1], [2], [3].  В жизни, используя Н₂О₂  для дезинфекции царапин и ссадин, можно наблюдать ускорение разложения пероксида под действием белков, содержащихся в крови (вспенивание).  Авторы [1] предлагают  рассмотреть каталитическое действие иодида калия КI . Значит, данную реакцию можно ускорить с помощью различных веществ. Поводом для написания данной работы явилось мое желание выяснить,  какие нужно создать условия для стабилизации и дестабилизации пероксида водорода.

Цель  работы:

- исследование  условий стабилизации и дестабилизации пероксида водорода.

Задачи:

- изучить теорию исследуемого явления;

- исследовать действие температуры и среды раствора на устойчивость пероксида водорода

- исследовать возможность использования различных веществ в качестве катализаторов для реакции разложения пероксида водорода

- изучить состав продуктов реакции разложения в зависимости от добавленных реагентов и некоторые особенности их реакционной способности.

 - проанализировать полученные результаты.

Актуальность исследования: знание условий стабилизации и дестабилизации пероксида водорода  будет способствовать более широкому его применению во всех сферах человеческой деятельности.

Объект исследования - 3%ный раствор пероксида водорода.

Предмет исследования – неорганические вещества, оказывающие стабилизирующее и дестабилизирующее действие на пероксид водорода.

Гипотеза: некоторые органические и неорганические вещества, оказывают каталитическое действие на пероксид водорода.

Методы исследования: наблюдение, эксперимент, анализ, аналогия.

Практическая значимость: пероксид водорода  широко используется человеком  в быту, в промышленности, как ракетное топливо. Мы должны знать правильные условия его хранения и обращения с ним.

Для изучения каталитического действия выбраны:

1) оксиды других металлов  побочных подгрупп с достаточно высокими степенями окисления  -  по аналогии с МnО₂; 

2) вещества с сильно развитой поверхностью  – активированный уголь и силикагель, т.к. гетерогенный катализ осуществляется именно на поверхности катализатора (в промышленности часто помещают порошки катализатора на пористые носители);

 3)  рекомендуемый в литературе КI и похожий на него по химическому составу

    Выполнение исследования и полученные результаты              

Для проведения эксперимента использовали аптечный 3%-ный раствор пероксида водорода. Его разложение происходит согласно уравнению 2Н₂О₂  кат  2Н₂О + О₂   . Выделяющийся кислород обнаруживали по воспламенению тлеющей лучинки. Сравнительную интенсивность выделения кислорода определяли  а) визуально,  б) по яркости и длительности горения лучинки, в) собирали выделяющийся газ методом вытеснения воды за равные промежутки времени (1 минута) и сравнивали объем собранных газов (Приложение1).

1. Исследование каталитического действия оксидов металлов

2. Исследование каталитического действия пористых веществ

0,25 таблетки активированного угля помещали в 5 мл раствора  Н₂О₂. Выделение газа происходит достаточно интенсивно. Однако воспламенения тлеющей лучинки не произошло! В верхней части пробирки тлеющий уголек на конце лучинки светился ярче, а ближе к раствору лучинка гасла. Данному факту можно дать следующее объяснение: при разложении пероксида на первой стадии реакции происходит образование атомарного кислорода

Н₂О₂ = Н₂О + О

Являясь очень сильным окислителем, атомарный кислород частично окисляет внесенный углерод:  С + 2О = СО₂. Тяжелый СО₂ (М = 44 /моль) скапливается в нижней части пробирки. Лишь некоторая часть атомов кислорода связывается в молекулы О₂  (О + О = О₂), поэтому небольшое количество  кислорода обнаруживается в верхней части пробирки.

Значит, активированный уголь оказывает каталитическое действие, но не может быть использован для получения кислорода из пероксида водорода, т.к. вступает в реакцию с промежуточными продуктами разложения с образованием устойчивых соединений.

При добавлении в пробирку с пероксидом водорода силикагеля признаков реакции не наблюдалось, т.е. силикагель не является катализатором данной реакции.

3. Исследование каталитического действия растворенного и кристаллического КI и NaCl

Раствор КI оказывает очень слабое каталитическое действие. Кроме того, он реагирует с пероксидом водорода с образованием  йода, который придает раствору желтую или бурую (в зависимости от количества) окраску:     2КI + Н₂О₂ = 2КОН + I₂

Кристаллический КI значительно ускоряет реакцию, т.е. является катализатором, одновременно реагирует с пероксидом. Быстрое появление окраски йода, очевидно, как и в опыте (2) связано с образованием в ходе разложения пероксида атомарного кислорода, окисляющего иодид калия.

     Все описанные опыты проводились при комнатной температуре (Приложение 2).

    4.Изучение условий стабилизации пероксида водорода

Для выяснения условий стабилизации пероксида реакцию его разложение в присутствии МпО₂ осуществили при различных температурах (Приложение3). Чтобы сравнить скорости реакции, замеряли время, в течение которого происходит полное разложение 4 мл исследуемого раствора.

Для исследования влияния среды раствора к 4 мл раствора Н₂О₂  добавили по 1 капле растворов HCl и NaOH и также замерили время протекания реакций (Приложение 4).

                          Заключение

В результате выполнения работы «Условия стабилизации и дестабилизации пероксида водорода»   цель была достигнута и решены поставленные задачи.  Я узнала, что:

1. Реакция разложения пероксида водорода избирательно катализируется веществами, принадлежащими к различным классам, среди которых есть оксиды, соли, простые вещества, белки
2. Неорганические вещества оказывают более сильное каталитическое действие, образуя с пероксидом водорода гетерогенные системы
3. При выборе катализатора нужно учитывать не только способность вещества ускорять реакцию, но и возможность его взаимодействия с конечными или промежуточными продуктами реакции.
4. Лучшим катализатором реакции разложения пероксида водорода является МnО₂, для практического использования пригодны также V₂O₅ и кристаллический KI.
5. Для хранения пероксид водорода можно стабилизировать путем подкисления раствора или  понижения температуры.

Пероксид водорода – простое, дешевое и доступное средство, благодаря чему оно находит самое широкое применение в быту, в промышленности, как отбеливатель на текстильном производстве,  при изготовлении бумаги. Применяется как ракетное топливо – в качестве окислителя.  Используется в аналитической химии, при производстве пористых материалов, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. Поэтому знание условий стабилизации и дестабилизации пероксида водорода очень важно. А значит,  работа актуальна и  имеет практическую значимость.

Результаты данной работы могут быть использованы в повседневной жизни для правильного хранения пероксида водорода, в школьной лаборатории, в медицине и в других сферах человеческой деятельности.

              Список использованных источников:

1. Гроссе Э, Вайсмантель Х. Химия для любознательных  «Химия»,  Ленинград,  1979, 640 с.

2 Егоров А. С. Репетитор по химии   «Феникс», Ростов-на-Дону, 2005, 766 с.

3. Жаровский И.М., Комшилова О.Н. Практикум по химии, «Вышэйшая школа», Минск, 1986, 316 с.
4. Ольгин О. Опыты без взрывов, «Химия», Москва, 1986, 250 с.

Приложение 1

Исследование каталитического действия оксидов металлов

Приложение 2  

 Исследование каталитического действия растворенного и кристаллического КI и NaCl

Приложение 3

 Стабилизация пероксида водорода при различных температурах

Приложение 4

Влияние среды раствора на стабилизацию пероксида водорода                        

ТЕЗИСЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

«Условия стабилизации и дестабилизации пероксида водорода»

Автор: Шароварова Елизавета Александровна, учащаяся 8 класса

Руководитель: Коледа Людмила Фёдоровна, учитель химии высшей квалификационной категории                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

Растения, животные, человек нуждаются в кислороде, так как от него зависит нормальное протекание жизненных процессов. В промышленности и технике он широко используется как окислитель. В промышленности, где счет идет на тысячи тонн, в качестве сырьевых источников используют воздух и воду. Необходимая для этого аппаратура сложная и дорогая, поэтому для получения кислорода в лабораторных целях не может быть использована. В качестве сырья для лабораторного получения кислорода используются сложные вещества, богатые кислородом, из которых он выделяется в реакциях разложения. Это КМnО₄, КСlО₃, селитры и т.д. Наиболее удобным и безопасным является лабораторное получение кислорода из пероксида водорода Н₂О_2.

Цель  работы:

- исследование   условий  стабилизации и дестабилизации пероксида водорода.

Задачи:

- изучить теорию исследуемого явления;

-- исследовать действие температуры и среды раствора на устойчивость пероксида водорода

-- исследовать возможность использования различных веществ в качестве катализаторов для реакции разложения пероксида водорода.

Актуальность исследования: знание условий стабилизации и дестабилизации пероксида водорода  будет способствовать более широкому его применению во всех сферах человеческой деятельности.

Объект исследования:  3%ный раствор пероксида водорода.

Гипотеза: некоторые органические и неорганические вещества, оказывают стабилизирующее и дестабилизирующее действие на пероксид водорода.

Для проведения эксперимента использовали аптечный 3%-ный раствор пероксида водорода. Его разложение происходит согласно уравнению 2Н₂О₂  кат  2Н₂О + О₂ .  В качестве катализатора использовали различные вещества: оксид марганца (IV), оксид ванадия (V), оксид хрома (III), оксид железа (III). Наблюдали очень интенсивное выделение кислорода при использовании оксида марганца, чуть слабея в случае оксида ванадия, совсем слабое выделение кислорода наблюдалось при использовании в качестве катализатора оксида хрома,  и не было реакции при использовании оксида железа. Исследовали каталитическое действие активированного угля. Выяснили, что активированный уголь оказывает каталитическое действие, но не может быть использован для получения кислорода из пероксида водорода, т.к. вступает в реакцию с промежуточными продуктами разложения с образованием устойчивых соединений.

Раствор КI оказывает очень слабое каталитическое действие, Кроме того, он реагирует с пероксидом водорода с образованием  йода, который придает раствору желтую или бурую  окраску. Кристаллический  КI  значительно ускоряет реакцию, т.е. является катализатором, одновременно реагирует с пероксидом.  А вот хлорид натрия не оказывает ни какого каталитического действия на разложение пероксида водорода.  

    Для выяснения условий стабилизации пероксида водорода реакцию его разложение в присутствии МпО₂  осуществили при различных температурах. Чтобы сравнить скорости реакции, замеряли время, в течение которого происходит полное разложение 4 мл исследуемого раствора. Оказалось, что с повышением температуры, скорость разложения пероксида водорода значительно возрастала.

В ходе исследования выяснили, что реакция разложения пероксида водорода избирательно катализируется веществами, принадлежащими к различным классам, среди которых есть оксиды, соли, простые вещества, белки. Неорганические вещества оказывают более сильное каталитическое действие, образуя с пероксидом водорода гетерогенные системы. При выборе катализатора нужно учитывать не только способность вещества ускорять реакцию, но и возможность его взаимодействия с конечными или промежуточными продуктами реакции.

Лучшим катализатором реакции разложения пероксида водорода является МnО₂, для практического использования  пригодны также V₂O₅ и кристаллический  KI. Для хранения пероксид водорода можно стабилизировать путем  подкисления  раствора или  понижения температуры.

Пероксид водорода – простое, дешевое и доступное средство, благодаря чему оно находит самое широкое применение в быту, в промышленности, как отбеливатель на текстильном производстве,  при изготовлении бумаги. Применяется как ракетное топливо – в качестве окислителя.  Используется в аналитической химии, при производстве пористых материалов, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. Поэтому знание условий стабилизации и дестабилизации пероксида водорода очень важно. А значит,  работа актуальна и  имеет практическую значимость.

Результаты данной работы могут быть использованы в повседневной жизни для правильного хранения пероксида водорода, в школьной лаборатории, в медицине и в других сферах человеческой деятельности.

Список использованных источников:

1. Гроссе Э, Вайсмантель Х.  Химия для любознательных  «Химия»,  Ленинград,  1979, 640 с.

2 Егоров А. С. Репетитор по химии   «Феникс», Ростов-на-Дону, 2005, 766 с.

3. Жаровский И.М., Комшилова О.Н. Практикум по химии, «Вышэйшая школа», Минск, 1986, 316 с.
4. Ольгин О. Опыты без взрывов, «Химия», Москва, 1986, 250 с.

Чем выгоднее отапливать дом?

Автор: Кульбако Виктор 7 класс

Цель исследования: выявить наиболее рациональный вид отопления частного дома

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме.

2.Выполнить сравнительный анализ затрат на разные вида отопления.

3. Научиться рассчитывать затраты на отопление дома.

Предмет исследования:  виды топлива, стоимость отопления.

Методы исследования:  сравнительный анализ информации, обобщение и систематизация информации.

Готовясь к отопительному сезону, мама каждый год заказывает в Воложинском филиале ГП «Миноблтопливо» брикет и дрова. На семью на год можно приобрести три тонны брикета и 1,2 м³ дров. Дрова в основном хвойных пород, поэтому меня заинтересовал вопрос: «Какие породы древесины дают больше тепла, какие другие виды топлива можно использовать и затраты на них». И вот что я узнал:

  Древесина хвойных пород горит очень хорошо, но  горят такие дрова очень быстро и интенсивно и  с минимальной теплоотдачей. Поэтому, такое топливо чаще покупают или заготавливают для  бань, так как в состав древесины многих хвойных пород входят не только смолы, но и эфирные масла, благоприятные  для здоровья человека. Во время банных процедур они поспособствуют профилактике и лечению дыхательной системы, успокоению нервов, общему расслаблению и снятию усталости.

Удобство приобретения ольховых дров состоит в том, что их не нужно подвергать дополнительной просушке — они сами доходят до нужного состояния  влажности.  Свои свойства древесина не теряет очень долгое время и хорошо хранится в течение длительного периода. При горении ольха дает мало дыма и хорошую теплоотдачу, испарения дров из ольхи способны очистить дымоходную трубу от сажного нагара, они дают красивое пламя и отличный жар.

Дубовые дрова для отопления — это идеальный вариант, они дают  высокую теплоотдачу, и такая древесина получается очень экономной в использовании, но подобная древесина является достаточно дорогим удовольствием.

Береза для отопления жилья использовалась издревле. Деготь, содержащийся в древесине березы, помогает дровам быстро заняться пламенем и гореть с постоянной интенсивностью достаточно долгое время. Такое топливо не дает большого количества углей и золы. Благодаря таким качествам коры березы, ее часто используют в качестве средства для розжига более тяжелых по структуре дров. Теплоотдача от березовых поленьев достаточно высокая, превышающая теплоотдачу сосны и осины на 20—30%.

Свойства осиновых дров очень схожи с особенностями ольховых — они также способны размягчать сажные отложения в дымоходной трубе, облегчая ее прочистку. Осина при горении сильно не дымит и дает минимальное количество копоти, а ее испарения, оседая на саже в трубе, легко разрыхляют и отслаивают ее от стенок дымохода. Сажа осыпается в топочную камеру, из которой ее очень просто удалить. Так как эти дрова не дают большой  теплоотдачи, их часто и используют исключительно для периодической очистки дымохода, или же для розжига древесины,  которая самостоятельно возгорается тяжело.

Оказывается, для того, чтобы натопить дом, отлично подойдут дрова из плодовых пород, но приобрести их можно нечасто. Некоторые из них схожи по своим качествам с дубовой древесиной, такие, как груша или яблоня. Так как найти эти сорта в качестве дров удается редко, ими запасаются при вырубке садов.

Познакомившись с теплоотдачей разных пород древесины, я решил рассчитать  затраты на отопление в зимний период своего дома площадью 54м² некоторыми видами топлива.

Отопительный сезон в среднем продолжается 6 месяцев.

Для обогрева 10 м²  жилого дома, как правило, требуется тепловая мощность 1 кВт. Площадь дома равна 54 м². Чтобы обогреть её, потребуется 5,4 кВт. А чтобы узнать, сколько тепловой энергии потребуется для его отопления за 6 месяцев, произведём расчёт:

5,4 *24=129,6≈130 кВт – в сутки

130 *30=3900 кВт – в месяц

130 *180 =23400кВт за 6 месяцев.

Затраты на отопление дровами:

Теплоотдача дров составляет 3,9 кВт.

23400 : 3,9= 6000кг дров.

Один м³ дров весит примерно 650 кг, значит 6000 : 650=9м³ дров. 1м³ дров стоит 10,11рублей, получаем: 9 *10,11 = 91 рубль.

Затраты на отопление брикетом.

Килограмм брикета, сгорая, выделяет в среднем 6,2 кВт тепла.

23400 : 6,2 = 3774кг.= 3,774т.

 Тонна брикета стоит 28,57 рублей,получаем: 3,774 * 28,57 = 107,82 рублей.

Затраты на отопление пеллетами.

Изучая литературу, я узнал о новом виде топлива – пеллеты.

Пеллеты для отопления — это спрессованные топливные гранулы, изготавливаемые из отходов растительного происхождения. В их состав не входят никакие химические соединения, поэтому они считаются наиболее экологичными и безопасными для здоровья человека. С помощью гранул можно создать комфортные температурные условия как в отдельной комнате, так и во всем доме.

В среднем,  при сгорании 1кг пеллет выделяется 4,7 кВт тепла.

Получаем: 23400 : 4,7 = 4978,7кг.= 4,979т. Тонна пеллет в среднем стоит 360 рублей. Затраты на пеллеты составляют

 4,979 *360 =1792 рубля.

Затраты на отопление природным газом.

У моих родственников в деревне Пугачи дом отапливается природным газом. Поэтому я заинтересовался, сколько они тратят за отопление.

Потребление газа на отопление дома зависит от проектной мощности котла. Если брать мощность котла 12 кВт, то для расхода газа надо брать половину –  кВт.

6 * 24 = 144 кВт за сутки

144 * 180 = 25920 кВт за 6 месяцев.

Удельная теплоемкость сгорания природного газа 9,2 кВт.

25920 : 9,2 = 2817 м³ за 6 месяцев

2817 * 0,119 =335 рублей. 0,119 рубля – стоимость газа за 1м³ в отопительный сезон.

Результаты  вычислений

Заключение.

       Мои расчеты – приблизительные. Потребление топлива в какой-то месяц будет намного меньше, в самый холодный – больше, но в среднем цифра будет примерно такой же. Эту цифру можно применять, если дом построен по всем требованиям и имеет хорошее утепление.

Список использованных источников

1. https://oventilyacii.ru/otoplenie/pellety
2. https://stroychik.ru
3. https://stroyday.ru

Конкурса работ исследовательского характера «Юный исследователь»https://www.youtube.com/watch?v=Rk-rV2SX7s8