Fanlab

Химия · Основы химии · 7 класс

Физические и химические явления

Таяние льда и ржавление гвоздя: в каком случае образуется новое вещество?

Открыть эксперимент

Ситуация

Что происходит на кухне за один день: лёд, вынутый из холодильника, тает, вода в чайнике кипит, сахар в чае становится невидимым. А ещё нарезанное яблоко темнеет, оставленное на столе молоко скисает, гвоздь во влажном месте ржавеет, сахар в посуде превращается в коричневую карамель. В каких из этих случаев вещество не меняется, а в каких образуется совершенно новое? По каким признакам мы это узнаём?

Тема

Физические и химические явления. Химия на кухне: лёд тает и вода кипит (физические явления), сахар карамелизуется, яблоко темнеет, молоко киснет, железный гвоздь ржавеет (химические)

Ключевые понятия

  • Физическое явление
  • Признаки химической реакции
  • Агрегатные состояния

Формулы

H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)

Физическое явление: лёд → вода → пар. Вещество то же — H₂O, меняется только агрегатное состояние.

4Fe+3O2+6H2O→4Fe(OH)3

Химическое явление: ржавление железа — из железа, кислорода и воды образуется новое вещество.

CuSO4+2NaOH→Cu(OH)2↓+Na2SO4

Признак реакции — осадок: нерастворимый в воде голубой гидроксид меди(II).

CaO+H2O→Ca(OH)2

Признак реакции — теплота: когда 1 г негашёной извести реагирует с водой, выделяется ≈ 1,15 кДж теплоты.

Q=cmΔt

Количество теплоты: чтобы нагреть воду на Δt, нужно Q=cmΔt (c = 4,18 Дж/(г·°C)).

Теория

Физические и химические явления

При физическом явлении вещество не меняется — меняется только его состояние, форма или размер: плавление льда, кипение воды, растворение сахара, разбивание стекла, плавление сливочного масла. Часто процесс легко обратить: заморозим воду — получим лёд, выпарим сладкую воду — сахар вернётся. При химическом явлении (химической реакции) из одних веществ образуются новые вещества с другим составом и свойствами: железо ржавеет, сахар превращается в карамель, яблоко темнеет, молоко скисает, газ горит. В режиме «Физика или химия?» рассортируйте восемь кухонных явлений сами.

Признаки химической реакции

Об образовании нового вещества мы узнаём по следующим признакам: изменение цвета (крахмал + иод → тёмно-синий; потемнение яблока), выделение газа (сода + уксус → пузырьки CO₂), выпадение осадка (CuSO₄ + NaOH → голубой Cu(OH)₂), выделение или поглощение теплоты (гашение извести), выделение света (горение магния, газа, свечи), появление запаха (скисание молока, карамель). Внимание: один признак не всегда означает реакцию — пузырьки в кипящей воде тоже похожи на газ, но это водяной пар, то есть физическое явление.

Агрегатные состояния вещества

Вещество бывает в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. В твёрдом теле (во льду) молекулы колеблются в узлах решётки, в жидкости скользят друг по другу, а в газе свободно летают. Когда мы нагреваем лёд, то по достижении 0 °C температура не меняется, пока весь лёд не растает: теплота расходуется на разрыв связей между молекулами (на плавление 1 г льда нужно 334 Дж). Вода кипит при 100 °C (при нормальном давлении); чтобы превратить 1 г воды в пар, нужно 2257 Дж. Изменение состояния — физическое явление. Подробнее: в разделе физики «Плавление, кипение и испарение» и «Фазовые переходы».

Химические процессы в быту и хозяйстве

Ржавление: железо ржавеет только при одновременном наличии воды и кислорода; соль (соль на дорогах зимой, морская вода) ускоряет процесс. Поэтому железные изделия красят, смазывают маслом или покрывают цинком. Брожение теста: дрожжевые грибки сбраживают сахар, образуя углекислый газ и спирт — C6H12O6→2C2H5OH+2CO2↑; пузырьки CO₂ поднимают тесто. Дрожжи наиболее активны при 30–35 °C, в холодильнике замедляются, при ≈ 55–60 °C погибают. Похожие процессы: получение кисломолочных продуктов (катык, сыр), гниение компоста, выпечка лепёшек в тандыре, горение топлива.

Практическая работа: наблюдение и описание

План наблюдения: 1) что произошло (как изменились цвет, состояние, объём, запах, температура)? 2) образовалось ли новое вещество? 3) можно ли обратить процесс? 4) вывод — физическое или химическое. В режиме «Быт» наблюдайте опыт с ржавлением 7 суток, а брожение теста — 3 часа и запишите результат в журнал. Техника безопасности: не пробуйте вещества на вкус; если щёлочь (NaOH) попала в глаза — немедленно промойте большим количеством воды; при гашении извести возможны брызги — наденьте защитные очки; не смотрите прямо на горящий магний; не направляйте горлышко нагреваемой посуды на людей.

О модели

Кухонные процессы показаны с ускорением времени (time-lapse): реальная длительность указана на карточке каждого явления; температуры карамели и сливочного масла приблизительные. Принято, что теплота, выделившаяся при гашении извести, нагревает только 50 г воды (нагрев посуды и извести, испарение не учитываются). В кривой нагревания полезная мощность плитки постоянна, теплопотерь нет; этот режим быстрее реального времени в 20 раз. Скорость ржавления и подъёма теста — качественная модель, показывающая результат школьных опытов, а не точное измерение. Коробка с молекулами — схема.

Знаете ли вы?

  • Ржавчина — не одно вещество: это в основном смесь водных оксидов и гидроксидов железа (Fe₂O₃·nH₂O, FeO(OH)). Ржавчина пористая и хрупкая, поэтому железо не защищает, а тонкая оксидная плёнка на поверхности алюминия плотная и предохраняет металл от дальнейшего окисления.
  • Потемнение разрезанного яблока вызывает фермент полифенолоксидаза: в присутствии кислорода воздуха он окисляет фенолы. Аскорбиновая кислота (витамин C) в лимонном соке замедляет эту реакцию — поэтому нарезанное яблоко посыпают лимонным соком.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела