Дементиев А, Чернобелская Г, Светът през очите на химика, сп. Химия № 34
Учебник за пропедевтичния курс по химия за 7 клас
ГЛАВА 3. ЗАЩО И КАК ПРОТИЧАТ ХИМИЧНИТЕ РЕАКЦИИ?
3.1. Изследваме признаците на реакциите
Говорихме за пламъка на свещта в глава 1. Да се върнем към нея. В крайна сметка изгарянето на свещ не е нищо повече от химическа реакция. Някога свещите са били единственият източник на светлина през нощта. Те горяха в къщи, в храмове и театрални зали. За тях са писали поети. Спомнете си стиховете на Б. Пастернак:
Сняг е, сняг е по цялата земя До всички граници. На масата свещ гореше, Свещ гореше.
И така, защо свещта гори? Същият въпрос може да се зададе и за горенето на газ в печка, спирт в спиртна лампа, дърва в печка, в камина или в огън.
И всеки път наблюдаваме, че по време на горенето се отделят светлина и топлина, т.е. топлинна и светлинна енергия. От къде идва? Защо свещта не свети сама? И ако запалите свещ и я покриете с чаша или капачка отгоре, тогава защо ще изгасне след време? Можете ли да отговорите на всички тези въпроси?
Но както и да е. към нас се приближават двама химици. Да чуем за какво спорят. Изглежда, че и те като нас търсят отговор на поставените въпроси.
1-ви химик. Колега, какво по-лесно? Протича обичайна химическа реакция.
Веществото на свещ (а това е или восък, или парафин, стеарин или дори свинска мас) се отнася до органични вещества. Някои от тези вещества се образуват в резултат на жизнената дейност на организмите. Например, вие знаете толкова добре, колкото и аз, че восъкът се произвежда от пчелите. Знаем също, че земната атмосфера съдържа кислород под формата на O2 молекули.По време на процеса на горене веществото на свещта реагира с кислорода във въздуха, което води до образуването на въглероден диоксид и водни пари.
2-рохимик. Но ти не отговори на въпроса, колега. Първо, не сте доказали, че протича химическа реакция. И второ, изобщо не обясниха защо се получава и защо трябва да се запали свещ, за да светне.
1-ви химик. За да отговорите на първия си въпрос, няма да е зле да си припомнитепризнаците на химическа реакция, за да уловите нейните прояви. Химическата реакция се придружава от образуването на нови вещества. Те се наричат продукти на реакцията. В нашия случай това са въглероден диоксид и вода. И първоначално веществото на свещта и кислородът на въздуха реагираха един с друг. Те се наричат изходни вещества. Ако докажем, че са се образували нови вещества, това означава, че е протекла химична реакция.
Улавянето на въглероден диоксид е по-трудно и ние все още няма да правим това, но ще поставим друг експеримент -експеримент 3.1, който ни позволява да открием още един признак на реакцията.
Изсипете слаб разтвор на калиев перманганат (той е розов) в епруветка и добавете капка лимонов сок там. Забелязали ли сте обезцветяване на разтвора? Цветът е свойство на материята. Ако тя се промени, веществото също се променя, т.е. протича химична реакция.
Сега нека направим още един експеримент -експеримент 3.2. Да вземем сода бикарбонат – добре познат бял прах, който домакините слагат в тестото, и разтвор на оцетна киселина във вода или оцет, който се използва за приготвяне на маринати. Имайте предвид, че разтворът е безцветен и прозрачен. Това са нашите изходни материали. Поставете малко сода за хляб в епруветка и капнете върху нея разтвор на оцетна киселина. На повърхността на праха ще видим образувана пяна поради бързото отделяне на въглероден диоксид (фиг. 3.1). Но преди реакцията нямаше газ. В резултат на това се образува ново вещество - въглероден диоксид. В допълнение към въглеродния диоксидсе образува друга сол (натриев ацетат), която не виждаме, тъй като разтворът й е безцветен.
Въглеродният диоксид и натриевият ацетат са продукти на реакцията.
Нека направим още един експеримент -експеримент 3.3. Като изходни вещества вземаме син прозрачен разтвор на меден сулфат и безцветен прозрачен разтвор на основа. Смесете ги в епруветка (фиг. 3.2). Реакцията протича моментално. Какви промени забелязахте? Забелязали ли сте, че получената смес от разтвори вече не е прозрачна? Вътре се образува желатиново синьо вещество, което, ако изчакате малко, ще се утаи. Тази утайка е продукт на реакцията - ново вещество, вече неразтворимо във вода. В този случай за нас няма значение, че заедно с него се образува друго добре разтворимо вещество, ние не го забелязваме. Основното, което забелязахме, е образуването на ново вещество (утайка). Следователно реакцията е настъпила. Симптомът му е образуването на утайка.
Признак за химическа реакция е и промяна в енергийния резерв, както например при изгаряне на свещ, при което се отделят топлинна и светлинна енергия. В края на краищата промяна в енергийното снабдяване показва, че има промяна и в изходните вещества. Химическа реакция, при която се отделя топлинна енергия, се наричаекзотермична(от гръцките думи "exo" - навън и "thermo" - топлина).
И така, какви признаци на химични реакции успяхте да запомните? За да се тествате, попълнете празнините в следната фраза:
„Признаците за химическа реакция са утаяване. освобождаване на мехурчета. промяна както и промяна на запасите. вещества."
Сега, за всяка дума, вмъкната в празнината, дайте пример.
Можете да дадете примери от съдържащите се в текста на параграф 3.1 или да ги потърсите в предишните.глави от книгата. Ще бъде още по-интересно и полезно.
3.2. Промяната в енергийния резерв е не само знак, но и една от причините за възникване на реакцията.
Обърнете внимание, че всяко вещество се характеризира със запас от енергия или топлина на образуване, което се измерва с количеството топлина или енергия, изразходвани за образуване на това вещество от атоми. Енергията в едно вещество се съхранява в различни форми, например, това може да бъде енергията на химичните връзки или кинетичната енергия на отделните атоми. Енергията, съхранявана в дадено вещество, зависи и от неговото агрегатно състояние, налягането, под което се намира веществото, както и от редица други обстоятелства. Оказва се, че в процеса на горене енергийният запас в образуваните вещества е много по-малък, отколкото в първоначалните. "Излишната" енергия, получена в резултат на горенето, се освобождава под формата на топлина и светлина. С други думи, процесът на горене протича с отделяне на топлинна енергия.
Можете също така да си представите обратната реакция, в резултат на която веществото на свещта и кислородът ще се образуват от въглероден диоксид и водни пари. Ясно е, че този процес ще върви с абсорбцията на енергия и количеството на абсорбираната енергия ще съвпадне с количеството енергия, освободено при горенето. Такива химични реакции се наричатендотермични(„ендо“ е гръцки за „вътре“).
Промяната в енергийния резерв е не само признак, но и една от причините, но не единствената, за спонтанно протичане на химична реакция. Знаем, че онези процеси, които са енергийно изгодни, обикновено протичат спонтанно. И какво значи - енергийно полезен? По отношение на енергията това означава:колкото по-малко, толкова по-добре. Следователно процесът трябва да върви в посока на намаляване на общата енергия на веществото. Например, ако пуснемстъклена чаша, тогава тя ще падне на пода, енергията й ще намалее и „допълнителната“ енергия ще бъде частично изразходвана за нейното унищожаване, тъй като стъклото ще се счупи.
Изглежда, че в случай на химични реакции тяхната възможност трябва да се определя от разликата между общите енергии на изходните вещества и продуктите на реакцията, т.е. ако реакцията е екзотермична, тогава тя трябва да се случи, а ако е ендотермична, тогава не трябва. Това обаче не винаги е така.
Например при стайна температура металът живак реагира с атмосферния кислород и образува ново вещество - живачен оксид. В този случай се отделя топлинна енергия. Ако увеличим температурата, тогава при температура над 400 ° C започва да протича обратната реакция - реакцията на разлагане на живачен оксид, придружена от абсорбиране на топлина. Така виждаме, че са възможни както директни, така и обратни реакции, но преобладаването на единия процес над другия зависи до голяма степен от условията, в които се намират веществата (в този случай от температурата).
Това може да бъде представено по следния начин под формата на таблица.
Реакцията на образуване на живачен оксид от живак и кислород ще наречем условнодиректна, а образуването на живак и кислород от живачен оксид -обратна.
Нека направим следния експеримент -експеримент 3.4. Вземете зеленикав прах от малахит. Да, да, същият малахит, за който уралският разказвач П. П. Бажов пише в своите приказки за малахитовата кутия и господарката на медната планина (мед не случайно, защото медният елемент е част от малахита).
Например колоните и стените на стаите на Зимния дворец в Санкт Петербург са облицовани с малахит. От малахит се правят и мъниста, обеци, гривни и други бижута. Имайте предвид, че в допълнение към медта, малахитът съдържа елементи - въглерод, водород и кислород.
Нека направим експеримент. За целта се нуждаем от епруветка, L-образна стъклена тръба, прекарана през гумена запушалка, малахит, варна вода, статив с крак, спиртна лампа и кибрит. Сглобяваме устройството, показано на фиг. 3.3. Трябва да се събира правилно.
Фигурата показва, че гумена запушалка (2) е вкарана в епруветката (1), през която е прекарана стъклена тръба (3). (Запушалката трябва да е оразмерена така, че да влиза в епруветката с около една трета от нейната дължина и да се държи плътно в нея, като не позволява на въздуха да навлезе в епруветката, т.е. сглобеното устройство трябва да е херметично.)
Запушалката трябва да се постави в отвора на епруветката с въртеливо движение (фиг. 3.4). В този случай епруветката трябва да се държи близо до дупката с лявата ръка, а гумената запушалка с епруветката с дясната ръка.
внимание!В никакъв случай не трябва да поставяте тапата, докато държите стъклената тръба в завоя!Само на пръв поглед изглежда по-удобно, но това е най-крехкото място и ако държите тръбата за нея, тя определено ще се счупи и парчетата й ще наранят ръцете ви.
И така, устройството е сглобено, но преди да го използвате, трябва да проверите неговата херметичност. За да направите това, вземете чаша вода (фиг. 3.5), спуснете свободния край на тръбата във водата и затоплете епруветката с ръка. Въздухът в епруветката ще се разшири и част от него под формата на мехурчета ще излезе през епруветката във водата (бълбукане). Ако това се случи, тогава устройството е запечатано.
Сега изваждаме запушалката и изсипваме малахитов прах в епруветката със слой от 1 cm, след което отново вкарваме запушалката в епруветката и фиксираме последната в крака на статива (4) възможно най-близо до отвора (виж фиг. 3.3). Това ще позволи на тръбата да се нагрее равномерно, преди да започне по-интензивно нагряване. Освен това имайте предвид, че дънототръбите леко повдигнати. Защо е направено това ще стане ясно по-късно. Епруветката трябва да бъде монтирана достатъчно високо, така че под нея да може да се постави горелка или спиртна лампа (5).
Спускаме свободния край на тръбата в епруветка с варна вода (6). Вече знаете от курса си по естествена история, че варовиковата вода се използва за откриване на въглероден диоксид, което я прави мътна, когато преминава през нея.
Сега запалваме спиртната лампа (или горелката) и започваме да нагряваме малахита. Първо, нека загреем малко цялата епруветка, така че стъклото да се нагрее равномерно (в противен случай ще се спука), а след това започваме да нагряваме самия малахит. След известно време ще видите, че малахитът ще почернее, по стените на епруветката (7ще се появи вода), която ще се стича надолу към тапата, където епруветката остава относително студена (затова първоначално дадохме такъв наклон на уреда: защото ако не беше там, водата можеше да попадне върху нажежената част на епруветката, която неизбежно щеше да се спука), а през варовитата вода ще бълбука газ, от който ще помътняват. Следователно това е въглероден диоксид. Черното прахообразно вещество, образувано в устройството след нагряване, е меден оксид, който включва мед и кислород, формулата му е CuO.
Нека се погрижим за безопасния край на експеримента.Не трябва да спирате нагряването, ако краят на тръбата е във варовита вода!В крайна сметка, веднага щом нагряването спре, въздухът в устройството ще започне да се компресира, силата на атмосферното налягане ще изтласка варовата вода в нажежена епруветка и тя ще се спука. Следователно, първо трябва да повдигнете устройството заедно с крака по пръта на статива толкова високо, че краят на тръбата вече да не докосва повърхността на водата и едва след това да спрете нагряването.
Формулата на изходното вещество на малахита е Cu2CH2O5. (ПомняНямате нужда от специални формули, ние често ще ги използваме и те ще бъдат запомнени сами.) Сигурни сме, че вече сте запомнили както формулата за вода H2O, така и формулата за въглероден диоксид CO2.
Така в хода на реакцията от едно вещество малахит се образуват три вещества: меден оксид, вода и въглероден диоксид. Такава реакция се наричареакция на разлагане. (Току-що говорихме за друга реакция на разлагане. Коя?)
Оказва се, че получаването на тези вещества от малахит изисква известно количество топлина. Ето защо трябваше да проведем реакцията, докато нагряваме, предавайки допълнителна енергия на веществата. Химичните реакции на разлагане обикновено протичат с поглъщане на топлина, т.е. те са ендотермични, за разлика от екзотермичните реакции, като например реакциите на горене.
Прочетете тези стихове. Те ще ви помогнат да запомните разликата между екзотермични и ендотермични реакции.
Нека да разгледаме химичните реакции, Екзотермични и ендотермични. Те, подобно на енергийните опоненти, са екзотермични и ендотермични.
Ендо - дайте топлина скоро, Както в къщата през зимата, топлината на батериите. Екзо - самата топлина донесе, Сякаш лятото при теб дойде.
1 Фарадей M. История на свещите. М.: Наука, 1980. 2 Изразът "реакцията протича спонтанно" означава, че тя започва и протича сама.