О.С.Габриелян и др.Старт в химию(часть 11)

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ
7 класс

Продолжение
Глава 3.
Явления, происходящие с веществами

(окончание)
§18. Химические реакции.
Условия протекания и прекращения
химических реакций

Все рассмотренные ранее способы разделения смесей основаны на различиях в физических свойствах веществ, образующих смеси, и относятся к физическим явлениям. Однако есть и химические явления. Такие явления сопровождаются превращением веществ, их называют химическими реакциями.

Сравним физические явления, лежащие в основе разделения смесей, и химические реакции, приводящие к получению новых химических соединений, на примере смеси порошков железа и серы.

Демонстрационный эксперимент. Тщательно смешивают железные опилки и порошок серы (в отношении 7:4 по массе). Получилась смесь двух простых веществ, в которой каждое сохраняет свои свойства (предложите способы разделения полученной смеси).
Смесь переносят в пробирку и нагревают в пламени спиртовки. Начинается химическая реакция железа с серой, в результате которой образуется новое вещество – сульфид железа. Продукт реакции – сложное вещество, свойства которого отличаются от свойств как железа, так и серы. Например, оно не притягивается магнитом, тонет в воде, не ржавеет и не горит (рис. 78).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 78.
При нагревании смеси железных опилок и серы (а)
происходит химическая реакция (б),
в результате которой образуется сульфид железа (в)


Опишем проведенную химическую реакцию словами:

железо + сера = сульфид железа

и химическими формулами:

Fe + S = FeS.

Для того чтобы прошел этот химический процесс, были необходимы два условия: соприкосновение реагирующих веществ и первоначальная подача тепла (нагревание).

Первое условие обязательно для всех химических процессов, где участвуют два или более веществ. Второе требуется не всегда.

Демонстрационный эксперимент. Помещают в пробирку небольшой кусочек мрамора и приливают раствор соляной кислоты. Происходит бурное выделение газа (рис. 79).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 79.
Взаимодействие мрамора с соляной кислотой

Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и кончик ее опускают в другую пробирку с известковой водой. О том, что протекает химическая реакция, можно судить по появлению белого осадка – помутнению известковой воды (рис. 80).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 80.
Помутнение известковой воды
при пропускании углекислого газа


Какой газ выделился в первом опыте? Что является реактивом на этот газ во втором опыте?
Для проведения обеих реакций нагревания не потребовалось.

Можно описать протекающие реакции с помощью названий веществ:

мрамор + соляная кислота хлорид кальция + углекислый газ + вода,

углекислый газ + известковая вода карбонат кальция + вода.

Однако химики используют вместо слов химические формулы:

СаСО₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O,

CO₂ + Ca(OH)₂= CaCO₃ + H₂O.

Для протекания некоторых реакций мало соприкосновения веществ или их нагревания. Если такие реакции и протекают, то идут они очень медленно. Чтобы ускорить этот процесс, используют особые вещества, называемые катализаторами.

Катализаторами называют вещества, которые ускоряют химические реакции, но по их окончании остаются неизмененными качественно и количественно.

Биологические катализаторы белковой природы называют ферментами, или энзимами.

Продемонстрируем действие катализаторов с помощью следующего эксперимента.

Демонстрационный эксперимент. В большую пробирку наливают небольшой объем раствора перекиси (точнее, пероксида) водорода. К раствору добавляют несколько крупинок порошка диоксида марганца, выполняющего роль катализатора. Начинается бурное выделение газа – кислорода, о чем свидетельствует вспыхивание внесенной в верхнюю часть пробирки тлеющей лучинки (рис. 81).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 81.
При разложении пероксида водорода выделяется кислород,что можно доказать с помощью
тлеющей лучинки

Повторим аналогичный опыт, только вместо диоксида марганца поместим в пробирку с пероксидом водорода немного кашицы свежеизмельченного картофеля, содержащего фермент. Наблюдаем бурное выделение кислорода.

Происходящую химическую реакцию можно отобразить с помощью названий веществ:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

1. Какие условия необходимы для протекания химических реакций?

2. Приведите примеры реакций из повседневной жизни, для протекания которых не требуется первоначальное нагревание.

3. Что такое катализаторы? Что такое ферменты?

4. Назовите известные вам способы тушения пожаров.

5. С помощью учителя или специальной литературы рассмотрите устройство углекислотного огнетушителя. В чем принцип его действия?

6. Прочитайте инструкции к применению высококачественных стиральных порошков – синтетических моющих средств (СМС) с добавлением ферментов (энзимов). В чем преимущества СМС, содержащих энзимы, перед обычными СМС?

7. Почему костер или горящие деревянные постройки тушат водой? Какую роль играет вода в этом процессе?

8. Почему нельзя потушить водой горящую нефть?

9. Почему нельзя тушить водой горящие электроприборы или электропроводку?
§19. Признаки химических реакций

Вы уже знаете, что сущность химических реакций состоит в превращениях одних веществ в другие. Часто такие превращения сопровождаются внешними эффектами, которые воспринимаются органами чувств. Их-то и называют признаками химических реакций.

Внешними признаками химических реакций можно считать: образование осадка (рис. 83, а, см.
с. 10), выделение газа (рис. 83, б), появление запаха, изменение цвета (рис. 83, в), выделение или поглощение теплоты.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 83.
Выпадение осадка при смешивании веществ (а),
выделение газа (б), изменение окраски (в) –
все это признаки протекания химической реакции


В предыдущем параграфе вы уже познакомились с некоторыми признаками реакций. Так, при взаимодействии железных опилок с порошком серы изменялся цвет смеси, выделялась теплота (см.
рис. 78, б). При взаимодействии мрамора с соляной кислотой наблюдалось выделение газа (см. рис. 79). При взаимодействии углекислого газа с известковой водой появлялся осадок (см. рис. 80). Вспыхивание тлеющей лучинки в присутствии кислорода – тоже признак протекания реакции (см. рис. 81).

Проиллюстрируем указанные признаки химических реакций с помощью демонстрационного и ученического экспериментов.

Демонстрационный эксперимент. В химическом стакане находится бесцветный раствор щелочи. Обнаружить ее можно с помощью особых веществ – индикаторов (от лат. indico – указываю). Индикатором на щелочь является бесцветный спиртовой раствор фенолфталеина.
Если к содержимому стаканчика прилить несколько капель раствора фенолфталеина, то жидкость окрасится в малиновый цвет, «сигналя» о наличии в стакане раствора щелочи.
Затем к содержимому стакана приливают раствор кислоты – до исчезновения малиновой окраски. Какой признак протекания химической реакции вы наблюдаете?

Посмотрите еще несколько реакций с изменением цвета растворов.

Демонстрационный эксперимент. В двух химических стаканах разноцветные растворы: фиолетово-розовый (перманганат калия в щелочной среде) и оранжевый (подкисленный раствор дихромата калия). В оба стакана добавляют бесцветный раствор сульфита натрия. Что указывает на протекание в стаканах химических реакций (рис. 84)?

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 84.
Взаимодействие раствора перманганата калия (а)
и раствора дихромата калия (б) с раствором сульфита натрия


Ученический эксперимент. Несколько кристалликов марганцовки (буквально два-три!) растворите в стакане воды (дождитесь полного растворения вещества). В полученный раствор опустите таблетку аскорбиновой кислоты. Какие изменения указывают на протекание химической реакции?

Ученический эксперимент. В газовой зажигалке с прозрачным корпусом вы видите бесцветную жидкость. Это смесь двух газов, названия которых вы могли прочитать на автозаправочных газонаполнительных станциях или бытовых баллонах – пропан и бутан. Какие же это газы, если имеют жидкое агрегатное состояние? Дело в том, что внутри резервуара – повышенное давление. Нажмите на клапан, не поджигая газ. Слышите шипение? Пропан и бутан вырываются наружу, принимая привычное для нормального давления газообразное состояние.
Зажгите зажигалку. Протекает химическая реакция горения пропана и бутана (рис. 85). Ненадолго поднесите пламя к оконному стеклу. Объясните наблюдаемое явление.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 85.
Пламя газовой зажигалки –это реакция горения


Сравните окраску пламени зажигалки с пламенем газовой плиты и свечи. Какое пламя коптит? Проследите связь между свечением пламени и его коптящими свойствами.
Переход пропана и бутана из жидкого состояния внутри зажигалки в газообразное вне ее – это явление физическое. А горение этих газов – химическая реакция.

Некоторые реакции сопровождаются образованием труднорастворимых веществ, которые выпадают в осадок.

Демонстрационный эксперимент. В два химических стакана, содержащих бесцветный раствор гидроксида натрия и желтоватый раствор желтой кровяной соли, добавляют раствор хлорного железа (рис. 86). Что указывает на химические явления?

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

ис. 86.
Взаимодействие хлорного железа с гидроксидом натрия (а) и желтой кровяной солью (б)


Не только образование осадка, но и его растворение служит признаком протекания химической реакции.

Демонстрационный эксперимент. В стаканчик с полученным в предыдущем опыте бурым осадком добавляют соляную кислоту. Что указывает на протекание химической реакции?

Благодаря образованию нерастворимого вещества – карбоната кальция (вспомните: это и мел, и мрамор) в результате протекания природных химических реакций в пещерах «растут» каменные «сосульки» – сталактиты и сталагмиты.

Сталактитовые колонны образуются тысячелетиями. Смоделировать фрагмент этого процесса можно и дома (задание 9 в конце этого параграфа). Понятно, что вместо сталактита вы получите просто осадок карбоната кальция.

1. Чем отличаются химические явления от физических?

2. К каким явлениям вы отнесете горение свечи и «горение» электрической лампочки?

3. Приведите примеры известных из повседневной жизни реакций, которые сопровождаются изменением цвета, выделением газа или выпадением осадка.

4. Какой процесс происходит при растворении в воде таких лекарственных средств, как шипучих таблеток аспирина УПСА или витамина С?

5. Какие качественные реакции используются для распознавания кислорода и углекислого газа?

6. Под действием так называемых кислотных дождей разрушаются мраморные скульптуры. Какое явление происходит при этом?

7. В глубокую тарелку насыпьте горку сухого речного песка. Пропитайте песок спиртом. В вершине конуса сделайте небольшое углубление и положите в него смесь тщательно перемешанных 2 г питьевой соды и 13 г сахарной пудры. Осталось поджечь смесь и наблюдать за протеканием сразу нескольких химических реакций: горение спирта, обугливание сахара, разложение соды при нагревании.

8. В литровую стеклянную банку налейте полстакана воды и опустите часть шипучей таблетки аспирина размером с горошину. Что наблюдается при этом? Чтобы определить, какой газ выделяется в результате химической реакции, опустите в банку тлеющую лучинку (не касаясь жидкости).

9. Налейте полстакана кипяченой воды и размешайте в нем половину чайной ложки гашеной извести (она продается в хозяйственных магазинах). Весь порошок не растворится, но это не беда. Дайте смеси отстояться и слейте прозрачный раствор с осадка в чистый стакан.

С помощью трубочки от сока (осторожно, избегайте брызг!) продувайте выдыхаемый воздух через раствор. Вскоре он помутнеет: образуется осадок белого цвета. Сделайте вывод о протекании в стакане химической реакции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6.
Изучение процесса коррозии железа
(домашний эксперимент)

Вам наверняка известен процесс коррозии (ржавления) железа. Под действием внешних условий на металле образуется ржавчина. В этой работе вы выясните, как влияют внешние условия на скорость коррозии железа.

Для проведения эксперимента вам понадобятся:

• три пластиковые бутылки с крышками объемом 250–500 мл;

• три больших гвоздя длиной 5–10 см;

• мыло;

• наждачная бумага для зачистки гвоздей;

• кипяченая вода;

• водопроводная вода из-под крана;

• поваренная соль.

Гвозди нужно помыть с мылом, чтобы избавиться от слоя масла, который защищает их от ржавления. Когда гвозди высохнут, зачистите их поверхность наждачной бумагой и промойте кипяченой водой.

Первую бутылку полностью заполните холодной кипяченой водой, положите туда гвоздь и плотно закройте крышкой.

Вторую бутылку заполните наполовину холодной водой из-под крана, положите туда гвоздь. Крышкой бутылку закрывать не нужно.

В третью бутылку сначала всыпьте две столовые ложки поваренной соли. Заполните ее наполовину холодной водой из-под крана, закройте крышкой и хорошо перемешайте. Когда вся соль растворится, поместите в бутылку третий, последний гвоздь. Крышкой бутылку закрывать не нужно.

Чтобы ничего не перепутать, с помощью фломастера пронумеруйте каждую бутылку.

Поставьте бутылки в укромное место. Если вода из второй и третьей бутылок будет испаряться, то просто доливайте в них воду из-под крана.

Через неделю на гвоздях образуется ржавчина. Посмотрите, где ее больше, а где меньше.

Запишите свои наблюдения, расставив номера бутылок напротив соответствующих описаний, например:

• ржавчины образовалось мало или ее практически не заметно – … ;

• ржавчина хорошо заметна, она крепко держится на гвозде – … ;

• ржавчины так много, что она не держится на гвозде, осыпается с него и образует на дне бутылки бурый осадок – … .

Сделайте выводы, как влияет на процесс коррозии состав раствора и доступ воздуха.