Физические и химические явления 2 страница

при использовании медного купороса и борной кислоты. Соединения, в состав которых входит кальций и стронций, окрашивают пламя в красный цвет различных оттенков. Соединения лития – в малиновый, а калия – в фиолетовый. Ослепительно-белый цвет пламени – результат сгорания порошков металлов в воздухе, в которых частицы металлов крайне малы.

20. Индикаторы

Индикаторы  (от английского indicate – указывать) – это вещества, которые изменяют свой

 

Рисунок 40. Окраска пламени соединениями металлов

цвет в зависимости от среды раствора. С помощью индикаторов качественно определяют реакцию среды. Впервые индикаторы обнаружил в 17 веке английский химик и физик Роберт Бойль. Чтобы понять, как устроен мир, Бойль провел тысячи опытов. Вот один из них. В лаборатории горели свечи, в ретортах что-то кипело, когда некстати зашел садовник. Он принес корзину с фиалками. Бойль очень любил цветы, но предстояло начать опыт. Он взял несколько цветков, понюхал и положил их на стол. Опыт начался, открыли колбу, из нее повалил едкий пар. Когда же опыт кончился, Бойль случайно взглянул на цветы, они дымились. Чтобы спасти цветы, он опустил их в стакан с водой. И – что за чудеса – фиалки, их темно- фиолетовые лепестки, стали красными. Случайный опыт? Случайная находка? Роберт Бойль не был бы настоящим ученым, если бы прошел мимо такого случая. Ученый велел готовить помощнику растворы, которые потом переливали в стаканы и в каждый опустили по цветку. В некоторых стаканах цветы немедленно начали краснеть. Наконец, ученый понял, что цвет фиалок зависит от того, какой раствор находится в стакане, какие вещества содержатся в растворе. Затем Бойль заинтересовался, что покажут не фиалки, а другие растения. Эксперименты следовали один за другим. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником. Тогда Бойль опустил в настой лакмусового лишайника обыкновенные бумажные полоски. Дождался, когда они пропитаются настоем, а затем высушил их. Эти хитрые бумажки Роберт Бойль назвал индикаторами, что в переводе с латинского означает «указатель», так как они указывают на среду раствора. Именно индикаторы помогли ученому открыть новую кислоту – фосфорную, которую он получил при сжигании фосфора и растворении образовавшегося белого продукта в воде. В настоящее время на практике широко применяют следующие индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый.

Вывод: очень часто у ученых есть какое-нибудь необычное увлечение, как любовь к цветам, например. На первый взгляд, это «хобби» было совершенно бесполезным и ничем не могло помочь Бойлю в его настоящей профессии. Но было бы ошибочно и далее полагать, что увлечения и наука не взаимосвязаны. Если бы Бойль не любил цветы и, следовательно, не принес бы корзину с фиалками в свою лабораторию, то неизвестно, кто, когда и каким образом открыл бы индикаторы вместо него.

 

 

§7. Чистые вещества и смеси

Чистые вещества и смеси

Существуют ли абсолютно чистые вещества? Вещества абсолютно чистые, в составе которых нет ни единого постороннего атома или молекулы? В природе таких веществ не существует. Любое вещество содержит определенное количество примесей. Даже хорошо очищенная вода не может считаться чистым веществом, так как в ней растворены кислород, углекислый газ, и другие газы, содержащиеся в воздухе. Все вещества в природе в том или ином виде являются смесями.

Если в веществе содержание посторонних веществ незначительно, то такие вещества условно считают чистыми.

Если из водопроводной воды в значительной мере удалить все растворенные в ней вещества, то такую воду можно считать чистым веществом. Растворимость газов воздуха в воде крайне мала и ей можно пренебречь.

Таким образом, все вещества и материалы в природе можно разделить на индивидуальные вещества и смеси веществ.

Представление о смесях и чистых веществах имели еще древнегреческие ученые. Согласно этим представлениям, чистое вещество состоит из частиц одного вида, а смеси состоят из различных частиц. Итак, чистое вещество состоит из одинаковых молекул, а смеси - из разных.

В смесях веществ свойства отдельных компонентов не меняются.

Смеси, в свою очередь, делят на однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные).

 

Гомогенные смеси можно делить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные. Например, воздух – это гомогенная смесь различных газов. Гомогенными смесями являются сплавы металлов, растворы соли, сахара в воде.

Гетерогенные смеси могут быть различными. Рассмотрим два примера таких смесей. Первая смесь – смесь муки и воды. В данной смеси, после ее перемешивания, частицы муки какое-то время равномерно распределены в воде. Такие смеси называют суспензиями.

Вторая смесь состоит из воды и подсолнечного масла. Данные жидкости не смешиваются друг с другом. Но если смесь энергично перемешать, то какое-то время капельки масла будут равномерно распределены в воде. Такие смеси называются эмульсиями.

 

Рисунок 41. Суспензия муки в воде

 

 

Гетерогенные смеси могут состоять и из компонентов, находящихся в одном агрегатном состоянии. Например, смесь песка и древесных опилок – гетерогенная, так как ее компоненты легко различить визуально.

Существует множество способов, при помощи которых смеси веществ можно разделить на отдельные компоненты.

 

Способы разделения смесей

Действие магнита (магнитная сепарация)

Если в состав смеси входят порошки металлов, обладающих магнитными свойствами, то при помощи магнита эти металлы можно извлечь из смеси. Магнитными свойствами обладают такие металлы как железо, кобальт, никель. Необходимо просто рассыпать

смесь по ровной поверхности и провести над ней

магнитом. Частицы металла притянутся к магниту.

Рисунок 42. Отделение железных опилок (магнитная сепарация)

Отстаивание и декантация

Некоторые смеси можно разделить при помощи отстаивания и последующего сливания слоя жидкости с осевшего вещества (декантации). Данный способ основан на различной плотности веществ. Например, смесь древесных опилок и песка можно разделить при помощи данного метода. Смесь необходимо высыпать в стакан с водой. Тяжелые частицы песка осядут на дно, а легкие опилки будут плавать на поверхности воды. Осторожным сливанием верхнего слоя с опилками смесь будет разделена.

Смесь двух твёрдых веществ, сильно различающихся по плотности, удобно разделять, пропуская через неё поток воды. Раньше так выделяли крупинки золота из измельчённой золотоносной породы. Золотоносный песок помещали на наклонный жёлоб, по которому пускали струю воды. Поток воды подхватывал и уносил пустую породу, а тяжёлые крупинки золота оседали на дне жёлоба.

Разделение смеси малорастворимых друг в друге жидкостей можно провести в делительной воронке. Например, смесь бензина и

воды или подсолнечного масла и воды. Такие смеси быстро расслаиваются. При помощи делительной воронки нижний слой жидкости можно аккуратно слить, а верхний слой останется в воронке.

Рисунок 43. Делительная воронка

Фильтрование

Смеси, содержащие нерастворимые в воде вещества, можно разделить фильтрованием. В лаборатории для фильтрования используют стеклянную воронку, в которую вставлен фильтр — сложенный вчетверо круг фильтровальной бумаги. Фильтровальная бумага, в отличие от обычной, не содержит клеящих веществ, поэтому легко впитывает и пропускает жидкость. Размер пор в ней таков, что позволяет отделять от раствора частицы размером больше 0,01 мм.

Например, смесь из песка и поваренной соли следует всыпать в стакан с водой и хорошо перемешать стеклянной палочкой до полного растворения соли, песок при этом не растворится. Далее песок необходимо отделить от раствора соли, это можно сделать при помощи фильтрования. Фильтром будет служить специальная фильтровальная бумага.

На рисунке 44 показана последовательность изготовления бумажного фильтра, а на рисунке 45 – процесс фильтрования раствора.

        

Рисунок 44. Изготовление бумажного фильтра

Рисунок 45. Фильтрование раствора

После фильтрования раствора песок остается на бумажном фильтре, а раствор соли будет собран в стакане или колбе.

Фильтрованием легко очистить воду или раствор от попавших туда пылинок и других загрязнений, а также отделить осадок от раствора.

В промышленности в качестве фильтров часто используют ткани. Например, на маслобойных заводах измельчённые семена подсолнечника оборачивают плотной суконной тканью и сжимают между стальными плитами.

Растительное масло проходит через ткань, а внутри остаётся твёрдая масса —

жмых.

 

Выпаривание

Метод выпаривания применяют для выделения

растворителя из раствора, концентрирования раствора, кристаллизации растворенных веществ.

Раствор поваренной соли выливают в фарфоровую чашку, помещают в штативное кольцо и нагревают до полного испарения воды.

Перегонка

Способ разделения гомогенных смесей, основанный на различных температурах кипения веществ, называется перегонкой или дистилляцией.

 

Рисунок 46.

Выпаривание вещества

 

Рисунок 47. Перегонка (дистилляция)

Предположим,             необходимо разделить смесь спирта и воды. Ни один из ранее рассмотренных способов не годится для разделения этой смеси.

Спирт и вода имеют различные температуры кипения. Так, вода кипит при +100°С а спирт при +78°С. При нагревании такой смеси спирт закипит раньше и начнет испаряться. Пары спирта поступают в холодильник – трубку,

охлаждаемую проточной водой. В холодильнике пары спирта конденсируются в жидкость и собираются в колбе-приемнике. Вода остается в реакционной колбе. Таким образом, можно отделить спирт от воды. Схема установки для перегонки, представлена на рисунке 47.

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

В чем разница между однородными и неоднородными смесями?

Приведите примеры однородных и неоднородных смесей, с которыми вы сталкиваетесь в быту.

Из нижеперечисленных смесей отдельно выпишите однородные и неоднородные: воздух, морская вода, молоко, свежевыжатый апельсиновый сок, раствор сахара в воде, ил в реке, туман, дым, смесь уксуса и воды.

Укажите различие между эмульсиями и суспензиями.

Приведите примеры эмульсий и суспензий.

Укажите способы разделения следующих смесей:

1) смесь песка и железных опилок;                     4) смесь серы, соли и песка;

2) смесь сахара и древесных опилок;                  5) смесь оливкового масла и воды;

3) смесь песка, соли и железных опилок;            6) смесь спирта и уксуса.

Из дополнительных источников информации подберите сведения о методе разделения смесей – центрифугировании. В чем суть данного метода?

Предложите смесь, состоящую из трех твердых компонентов, которую можно разделить в такой последовательности: действие магнита ® отстаивание ® выпаривание.

Водопроводная вода – чистое вещество или смесь?

При помощи какого способа разделения смесей можно провести опреснение морской воды?

Почему нельзя разделить смесь воды и уксусной кислоты – столовый уксус – фильтрованием или отстаиванием?

Почему не удаётся выделить жир из молока фильтрованием? Как это можно сделать?

Путем тщательного смешения растертого в мелкий порошок медного купороса с порошкообразной серой можно получить порошок зеленого цвета, кажущийся совершенно однородным. Как отличить такой порошок от порошка малахита?

Герой Ж. Верна капитан Немо рассказывал о составе морской воды: «В ней содержится 96,5% чистой воды, 2,67% хлорида натрия, а далее...». Продолжите рассказ капитана Немо. Как получить из морской воды чистую воду и чистый хлорид натрия?

Как можно доказать, что воздух – это смесь веществ, а не химическое соединение? Опишите план эксперимента и свои предполагаемые наблюдения.

Чёрный порох состоит из угля, серы и калийной селитры (вещество, хорошо растворимое в воде). Как доказать, что это смесь?

Выберите правильное утверждение касательно разделения смесей веществ: А. смесь нельзя разделить на отдельные чистые вещества;

Б. смесь можно разделить на чистые вещества только во время химических реакций;

В. смесь можно разделить на чистые вещества, основываясь на отличиях их физических свойств;

Г. смесь нельзя разделить на чистые вещества ни одним способом.

Являются ли правильными следующие суждения о чистых веществах и смесях? А. Молоко является чистым веществом.

Б. Гранит является смесью веществ.

1) правильное только А;

2) правильное только Б;

3) правильны оба суждения;

4) оба суждения неправильны.

Установите соответствие между названием метода разделения смеси и его сутью:

	Суть метода разделения смеси		Название метода
1.	сливание жидкости с осадка	А	дистилляция
2.	пропускание неоднородной смеси через пористое тело	Б	декантация
3.	поочередное выпаривание разных жидкостей с определенной температурой кипения	В	выпаривание
4.	выпаривание жидкости из раствора	Г	фильтрование
		Д	отстаивание

Установите соответствие между типом смеси и методом разделения смеси на составляющие.

	Тип смеси		Метод разделения
1.	однородная смесь жидкостей, которые отличаются температурами кипения	А	отстаивание
2.	неоднородная смесь жидкости с твердым веществом, которые отличаются плотностью	Б	дистилляция
3.	неоднородная смесь веществ, которые отличаются размерами частиц	В	выпаривание
4.	неоднородная смесь веществ, одно из которых является намагничивающимся	Г	действие магнитом
		Д	фильтрование

Блокнот эрудита

22. Обычно химикам не нужны абсолютно чистые вещества, но иногда посторонние примеси могут мешать выполнению опытов, поэтому на банках с химическими реактивами обязательно указывается степень их чистоты. Этикетка с надписью «техн.» (технический) указывает на высокое, до нескольких процентов, содержание примесей. Степень чистоты «Ч» (чистый) или «ХЧ» (химически чистый) означает, что примесей мало, меньше 1%. Чистые вещества уже можно использовать для производства лекарств, а химически чистые – для научных опытов. В некоторых случаях требуются очень чистые вещества, такие реактивы обозначаются «ОСЧ» (особенно чистый), в них содержится меньше 10−6% примесей. Такие вещества нужны для очень точных экспериментов, а также в производстве микросхем для компьютеров. Очистка веществ – это дорогостоящий процесс, поэтому, чем чище вещество, тем она дороже. Например, особо чистые медь и железо стоят значительно дороже обычного золота.

 

 

Рисунок 48. Образец этикетки химического реактива

23. Очень чистые вещества (имеющие высокую степень чистоты) могут значительно отличаться по свойствам от веществ, имеющих обычную степень чистоты. Так, железо, с которым мы имеем дело каждый день – довольно твердый металл, который ржавеет на воздухе. С повышением степени чистоты характеристики железа сильно меняются: железо с чистотой 99,999% – мягкий металл, который с трудом вступает в химические реакции и практически не ржавеет.

24. В Индии (г. Дели) находится один из самых удивительных объектов на нашей планете – Кутубская колонна. Она признана одним из самых загадочных сооружений в мире. Ее возраст – более полутора тысяч лет, вес – в 6,5 т, высота – 7,3 м.

В наше время ученым удалось при помощи детального анализа выяснить состав материала, из которого состоит колонна. Оказалось, она состоит из практически чистого железа (99,72%), и поэтому ее почти не тронула ржавчина. Даже сегодня такое железо можно получить лишь в небольших количествах особыми методами. Как в Древней Индии смогли получить многотонную колонну из чистого железа – остается загадкой.

 

 

Рисунок 49. Кутубская колонна

Практическая работа 3.

Очистка загрязненной поваренной соли

Правила техники безопасности при выполнении работы

При выполнении практической работы строго выполняйте только те опыты, которые прописаны в инструкции или оговорены учителем. Обратите внимание, что данная работа предусматривает работу с хрупкой стеклянной и фарфоровой посудой, нагревательными приборами. Перед началом работы повторите правила работы со стеклянной, фарфоровой посудой и нагревательными приборами.

Работу необходимо выполнять в застегнутом халате или фартуке.

 

Составление плана эксперимента

Вам выдана смесь, состоящая из железных опилок, песка и поваренной соли. Необходимо разделить данную смесь на отдельные компоненты. В

тетради для практических работ составьте план разделения смеси по образцу, оговоренному учителем. Опишите способы и приемы, при помощи которых смесь будет разделена на индивидуальные вещества.

 

Разделение смеси

Если план разделения смеси составлен верно, то последовательность действий должна быть следующей:

1. Высыпьте смесь на лист бумаги, при помощи шпателя или стеклянной палочки разровняйте ее. Над поверхностью смеси проведите несколько раз магнитом. Что наблюдаете? Запишите свои наблюдения.

2. Оставшуюся смесь песка и поваренной соли высыпьте в стакан с водой.

При помощи стеклянной палочки перемешивайте раствор до тех пор, пока вся соль не раствориться.

3. Изготовьте       бумажный фильтр. Вставьте бумажный фильтр в воронку, а воронку – в стакан или колбу.

Отфильтруйте смесь. При выливании смеси на фильтр периодически перемешивайте ее при помощи стеклянной палочки.

4. Небольшое количество отфильтрованного раствора соли перелейте в фарфоровую чашку при помощи пипетки. Разместите чашку в штативном кольце лабораторного штатива и начните нагрев. Внимание! Нагрев должен быть несильным. Жидкость должна слегка кипеть! При сильном нагреве, особенно при использовании сухого горючего, чашка может лопнуть! Пользуйтесь защитными очками! Что наблюдаете после выпаривания раствора?

5. Приведите рабочее место в порядок. Сформулируйте выводы о проделанной работе.

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Составьте план разделения смесей состоящих из:

1) порошка угля, сахара и железных опилок;

2) порошка железа, порошка алюминия и соды.

Обозначьте верное утверждение относительно физических свойств смесей:

A. Физические свойства смеси такие же, как и у преобладающего компонента.

Б. Температура плавления смеси является среднеарифметической от температур плавления всех компонентов.

B. Физические свойства смеси принципиально отличаются от физических свойств отдельных компонентов.

Г. В смеси компоненты сохраняют свои физические и химические свойства.

Какие смеси можно разделить при помощи декантации:

1) смесь песка и соли; смесь древесных опилок и песка;

2) смесь пенопласта и стружек железа;

3) смесь порошка серы и песка;

4) смесь соли и песка.

Из каких компонентов состоят следующие смеси: мед, варенье, фруктовый сок, сваренный кофе, напиток какао, молоко?

Какими должны быть ваши действия и их последовательность перед проведением химического эксперимента?

Что определяет исследователь, изучая: а) вещество; б) химическое явление?

Целесообразно ли ученому исследовать реакцию с участием раствора, приготовленного на водопроводной воде, а не на дистиллированной? Ответ обоснуйте.

Юный Химик записал наблюдения во время эксперимента не в лабораторном журнале, а на листочках, вырванных из тетради. Учитель посчитал это недостатком работы Юного Химика. Как вы думаете, почему?

Химику не удалось получить вещество. Он решил повторить опыт в таких же условиях. Другой химик предложил изменить условия эксперимента. Как объяснить решение первого химика и совет второго?

Какие ошибки случаются во время химических экспериментов и с чем они связаны?

 

Блокнот эрудита

25. Что такое водяная баня и как ее сделать

Иногда в химических опытах приходится нагревать растворы. Если нагревать их слишком сильно, они будут энергично кипеть и разбрызгиваться. Чтобы этого не происходило, их нагревают в кипящей воде. Тогда раствор нагревается до температуры кипения воды, но сам не кипит. Такой способ нагревания называется нагреванием на водяной бане.

В качестве водяной бани можно использовать отслужившую свое кастрюльку или консервную банку. В нее наливают воду и ставят на плиту. Когда вода закипает, в нее ставят пробирку с раствором, который нужно нагреть, и продолжают кипятить столько времени, сколько нужно для нагревания.

Если пробирку нужно нагревать недолго, водяную баню с закипевшей водой можно снять с плиты, перенести на рабочий стол и поставить в нее пробирку.

Рисунок 50. Простейшая схема водяной бани	Рисунок 51. Современная лабораторная водяная баня

 

26. Перегонка с водяным паром

Эфирные масла извлекают из растений при помощи перегонки. Но процесс этот имеет свои особенности. Дело в том, что молекулы веществ, входящих в состав эфирных масел, очень большие и довольно тяжелые. Для того, чтобы такие молекулы начали переходить из жидкого состояния в газообразное, то есть испаряться, необходим сильный нагрев, нередко нагрев необходим настолько сильный, что при данной температуре вещества начинают разлагаться на другие вещества.

В таких случаях применяют перегонку с водяным паром. Водяной пар поступает в реакционную колбу из колбы-парообразователя. Пар поступает именно в реакционную смесь. Молекулы воды легче молекул эфирных масел. В результате происходит интенсивное испарение водяного пара, который увлекает за собой и

 

§9. Химические элементы

Что такое химический элемент?

При химических реакциях происходит превращение одних веществ в другие. Чтобы понять, как это происходит, нужно вспомнить из курса физики, что вещества состоят из атомов.

Существует ограниченное число видов атомов. Атомы могут различным образом соединяться друг с другом. Как при складывании букв алфавита образуются сотни тысяч разных слов, так из одних и тех же атомов образуются молекулы или кристаллы разных веществ.

Атомы могут образовать молекулы, мельчайшие частицы вещества, которые сохраняют его свойства.

Известно, например, несколько веществ, образованных всего из двух видов атомов – атомов кислорода и атомов водорода, но разными видами молекул. К числу

таких веществ относятся вода, водород и кислород, схемы молекул которых изображены на рисунке 53.

Молекула воды состоит из трех частиц, связанных друг с другом. Это и есть атомы. К атому кислорода (атомы кислорода обозначаются в химии буквой О) присоединены два атома водорода (они обозначаются буквой Н). Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода; молекула водорода – из двух атомов водорода.

Молекулы могут образовываться в ходе химических превращений, а могут и распадаться.

Так, каждая молекула воды распадается на два атома водорода и один атом кислорода. Две молекулы воды образуют вдвое больше атомов водорода и кислорода. Одинаковые атомы связываются попарно в молекулы новых веществ – водород и кислород. Молекулы, таким образом, разрушаются, а атомы сохраняются.

Рисунок 53. Схема молекул водорода (а), кислорода (б), воды (в) и отдельных атомов водорода и кислорода (г)

Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы вещества

Отсюда и произошло слово «атом», что значит в переводе с древнегреческого

«неделимый».

В химических превращениях образуются другие вещества из тех же атомов, из которых состояли исходные вещества.

Как микробы стали доступны наблюдению с изобретением микроскопа, так атомы и молекулы – с изобретением приборов, дающих еще большее увеличение и даже позволяющих атомы и молекулы фотографировать. На таких фотографиях атомы выглядят в виде расплывчатых пятен, а молекулы – в виде сочетания таких пятен.