Химия
Материал из Клуб Слідопитів
Дайте определение терминам
а) Элменты
Элементы - класс веществ, которые не могут быть разделены на более простые вещества химическими средствами
б) Химическое соединение
Химическое соединение - однородное вещество составлено из двух или больше элементов
в) Химические символы
Химические символы – для представления каждого элемента, используются сокращения из одного или двух символов, которые представляют название элемента. Первый символ всегда пишется заглавными буквами, а второй – всегда в нижнем регистре (правда, если он существует).
H обозначает водород (гидроген)
He – гелий
Li – литий
Некоторые из символов обозначают не современное название, а название-оригинал
Ag означает аргентум (латынь) или серебро
Au означает аурум (лат.) или золото
Нg означает гидраргирум (лат.) ртуть
94 элемента были обнаружены в природе, другие же 23 элементов были получены искусственно в атомных ускорителях и имеют очень непродолжительный период жизни. На август 2007 IUPAC как действительные были подтверждены только элементы до 111. По поводу синтезированных элементов 112, 113, 114, 115, 116 и 118 только были сделаны заявления. Все эти элементы упорядочены в «периодическую таблицу химических элементов», которая была создана Дмитрием Менделеевым
г) Раствор
Раствор - смесь двух или больше веществ, которые не реагируют химически. Если вы растворяете сахар, соль, или другое вещество в воде, то вы создаете раствор.
д) Атомы
Атомы – атомы это основополагающие «кирпичики» материи. Атомы разнятся в размере от 0,5Å до 24Å (Å это символ величины, известной как ангстрем. Диаметр белого волоса приблизительно от 170 000 до 500 000 Å, а черного – от 560 000 до 1 810 000 Å) Примечание переводчика: ангстрем – внесистемная единица величины равная 10-10 м. В метрической системе размеры атома будут от 32 пм (атом гелия; пм – пикометр= 10-12м) до 225 пм (амом цезия).
Атомы – это почти пустое пространство, но т.к. электроны двигаются достаточно быстро, то вещество которое мы осязаем, может казаться очень твердым. Водород является самым простым атомом, он состоит из одного протона и одного электрона. Классическая модель атома представляет собой электрон, вращающийся вокруг протона. Если мы создадим модель этого атома, где атом протона будет размером с баскетбольный мяч, тогда электрон будет размером с крупинку соли и будет вращаться на расстоянии около 12000 м.
Мы не можем непосредственно наблюдать атом в обычный микроскоп. Свет имеет длину волны в диапазоне от 4,000Å до 7,000Å, а это примерно в 1 000 раз больше диаметра атома. Именно потому, что длинна световой волны такая большая, она почти не взаимодействует с атомом. Ядро атома может быть «рассмотрено», а так же можно определить позицию электронного облака вокруг атома при использовании рентгеновского луча, пучка нейтронов или электронов (которые имеют намного меньшую длину волны чем свет) с помощью таких методик как рентгеновская кристаллография, нейтронная кристаллография или электрическая кристаллография. Так же могут быть использованы растровые туннельные микроскопы.
е) Молекула
Молекула - два или более атома, связанные друг с другом
ж) Периодическая таблица
Периодическая таблица – это табличный метод отображения химических элементов. Таблица иллюстрирует принцип повторения («периодичности») свойств элементов.
| Группа → | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
| ↓ Период | ||||||||||||||||||||
| 1 | 1 H | 2 He | ||||||||||||||||||
| 2 | 3 Li | 4 Be | 5 B | 6 C | 7 N | 8 O | 9 F | 10 Ne | ||||||||||||
| 3 | 11 Na | 12 Mg | 13 Al | 14 Si | 15 P | 16 S | 17 Cl | 18 Ar | ||||||||||||
| 4 | 19 K | 20 Ca | 21 Sc | 22 Ti | 23 V | 24 Cr | 25 Mn | 26 Fe | 27 Co | 28 Ni | 29 Cu | 30 Zn | 31 Ga | 32 Ge | 33 As | 34 Se | 35 Br | 36 Kr | ||
| 5 | 37 Rb | 38 Sr | 39 Y | 40 Zr | 41 Nb | 42 Mo | 43 Tc | 44 Ru | 45 Rh | 46 Pd | 47 Ag | 48 Cd | 49 In | 50 Sn | 51 Sb | 52 Te | 53 I | 54 Xe | ||
| 6 | 55 Cs | 56 Ba | 57 La | * | 72 Hf | 73 Ta | 74 W | 75 Re | 76 Os | 77 Ir | 78 Pt | 79 Au | 80 Hg | 81 Tl | 82 Pb | 83 Bi | 84 Po | 85 At | 86 Rn | |
| 7 | 87 Fr | 88 Ra | 89 Ac | ** | 104 Rf | 105 Db | 106 Sg | 107 Bh | 108 Hs | 109 Mt | 110 Ds | 111 Rg | 112 Uub | 113 Uut | 114 Uuq | 115 Uup | 116 Uuh | 117 Uus | 118 Uuo | |
| Лантаноиды * | 58 Ce | 59 Pr | 60 Nd | 61 Pm | 62 Sm | 63 Eu | 64 Gd | 65 Tb | 66 Dy | 67 Ho | 68 Er | 69 Tm | 70 Yb | 71 Lu | ||||||
| Актиноиды ** | 90 Th | 91 Pa | 92 U | 93 Np | 94 Pu | 95 Am | 96 Cm | 97 Bk | 98 Cf | 99 Es | 100 Fm | 101 Md | 102 No | 103 Lr | ||||||
| Щелочные металлы2 | Щёлочноземельные металлы2 | Лантаноиды1 2 | Актиноиды1 2 | Переходные металлы2 |
| Лёгкие металлы | Полуметаллы | Неметаллы | Галогены3 | Инертные газы3 |
1Актиноиды и лантаноиды вместе известны как «редкоземельные металлы». 2Щелочные металлы,щёлочеземельные металлы, переходные металлы, актиноиды и лантаноиды все вместе известны как «металлы». 3Галогены и инертные газы так же являются неметаллами.
Состояния вещества при стандартной температуре и давлении (стандартная температура= 0 °C (273015 K или 32 °F); стандртное давление = 100 кПа (14,504 фунтов/дюйм)):
- те вещества, атомный номер которых обозначен красным являются газами при стандартной температуре и давлении (СТД)
- те вещества, атомный номер которых обозначен зеленым являются жидкоcтями при СТД
- те вещества, атомный номер которых обозначен черным являются твердыми при стандартной температуре и давлении при СТД
Нахождение в природе
- номер без кавычек имеют изотопы, которые старше Земли (изначальные элементы)
- номер в круглых кавычках - имеют природное происхождение, но появились в результате распада других химических элементов и не имеют изотопов старших чем земля
- номер в квадратных кавычках - получены искусственно (синтетические элементы)
- номер в фигурных кавычках - еще не открыты
з) Горение
Горение – мы часто используем слово «горение» для обозначения химического процесса быстрого соединения горючего с окислителем (как правило кислородом). Этот процесс обычно ассоциируется с пламенем, светом, теплом и дымом.
и) Кислота
Кислота – слово «кислота» происходит от латинского слова «acidus», которое значило «кислый». На заре химии было обычным делом пробовать или нюхать вещи и записывать ощущения. Многие кислотообразующие вещества кислые. Лимонный сок кислый потому, что содержит лимонную кислоту.
Т.к. многие вещества могут быть ядовиты, то это вероятно и послужило причиной смерти многих химиков, включая известного ученного Гемфри Дэви, человека, предложившего теорию, которая объясняет природу кислоты (т.н. водородную теорию кислоты – прим. переводчика). Гипотеза Дэви предполагала, что кислота является веществом, которое содержит замещаемый водород. Этот водород может быть вытеснен металлами и в результате этой реакции образуется соль.
- 2HCl + Zn → ZnCl2 + H2
- Fe + H2SO4 → H2 + FeSO4
к) Соль
Соль - это термин для обозначения твердой формы ионных соединений, таких как хлорид натрия (Na+Cl-) или гидроксид калия (K+(OH)-).
л) Протон
Протон – позитивно заряженная частица, которая является частью ядра атома. Масса протона 1,67*10-27 кг. Один кубический сантиметр воды содержит 6,02*1024 протонов, которые формируют ядра атомов и кислорода, и водорода. Водород имеет один протон в ядре, а у кислорода 8 протонов.
м) Нейтрон
Нейтрон – нейтрально заряженная частица ядра атома. Масса нейтрона 1,67*10-27 кг. Когда мы исследуем воду, мы можем обнаружить, что она состоит из водорода и кислорода. У водорода нет нейтронов, зато каждый атом кислорода содержит 8 нейтронов Нейтроны скрепляются тем, что называют "слабым ядерным взаимодействием". Период полураспада около 10,3 минут; распадается на протон, электрон и электронное нейтрино. В ядре атома нейтрон может быть довольно стабилен, благодаря другому виду взаимодействия, так называемому «сильному ядерному взаимодействию»
н) Электрон
Электрон – негативно заряженная частица с массой 9,11*10-31 кг. Электроны формируют облако вокруг позитивно заряженного ядра атома.
о) Дистилляция
Дистилляция – это технология отделения химических веществ (как правило жидких), базирующаяся на знании температур испарения. Чем более разные температуры кипения, тем более вероятно, что дистилляция будет успешна. Успех так же зависит от взаимодействия между частицами, так как две разнородные жидкости, которые растворены друг в друге, могут, сформировать азеотропную смесь (такую смесь нельзя разделить на фракции перегонкой).
п) Фракционная дистилляция
Фракционная дистилляция – технология, когда сразу происходит дистилляция нескольких веществ в той же самой колонке (дефлегматоре – прим. переводч.), с участием, своего рода, пористой среды (америкосы напутали с определениями, то о чем сейчас идет речь называется разделением азеотропных смесей – примечание переводч.). Она позволяет отделять близкие по температуре кипения вещества, в отличие от простой дистилляции, и делает дистилляцию некоторых растворов боле эффективной.
р) Фильтрация
Фильтрация – технология, с помощью которой от жидкости отделяется осадок (твердые загрязняющие вещества). Смесь помещается на фильтрующую бумагу, которая пропускает жидкость, задерживая твердые частички. Обычно жидкость доводят до такой температуры, при которой в жидкости растворено как можно меньше твердого вещества, тогда разделение будет более эффективным. Фильтрация может происходить только в условиях гравитации, либо же необходимо всасывание.
Какие газы уничтожают все живое и как? Объясните принцип одного типа химического огнетушителя
В общем случае, любой газ может убить человека. Даже чистый кислород может убить т.к. тело человека не может усваивать кислород в чистом виде. Газы могут вызвать следующие причины смерти:
- удушье. Газ замещает кислород и человек умирает от кислородного голодания. Одним из наиболее опасных веществ удушающего действия являются оксиды, такие как СО2 или СО.
- отравление. Такие газы как синильная кислота (HCN) являются очень ядовитыми. Цианиды связывают атомы железа в ферменте цитохромоксидазе и таким образом места продукции АТК. АТК является универсальным энергообменным веществом всех живых организмов.
- взрыв. Многие газы являются в значительной мере огнеопасными и могут привести к довольно разрушительному взрыву. Большинство летучих углеводородов в шахтах могут детонировать от малейшей искры.
Огонь, как и жизнь, требует кислород, итак, общий метод используемый в огнетушителях это использовать газ или жидкость, которые препятствуют контакту кислорода и горючего.
Назовите два источник монооксида углерода(СО). Почему он опасен?
Автомобильные выхлопы перед каталитическим дожигателем выхлопных газов содержат большое количество СО (монооксид углерода или угарный газ). Если выхлопная система повреждена ранее этого места, то возникает опасность надышаться угарным газом. Каталитический дожигатель выхлопных газов преобразует большую часть CO в CO2 (диоксид углерода или углекислый газ). В выхлопных газах еще может оставаться смертельная доза СО, но так как теперь больше CO2, у которого есть запах или по крайней мере его можно ощутить, то шансов удушья становится меньше (CO2 так же может привести к фатальному исходу, но он довольно едок и вызывает раздражение слизистой носа и легких. Если вы когда-то выдыхали пузырьки от газированной воды, то это вы чувствовали запах углекислого газа).
Другой известный источник CO это природный газ из газовых хранилищ, печей, бойлеров, сушилок одежды. Если эти приборы ломаются, то они м.б. крайне опасны. Это хорошая задумка устанавливать детекторы угарного газа возле старых печей или бойлеров, чтобы обеспечить своевременное оповещение.
Кислород переносится к клеткам из легких красными кровяными тельцами (эритроцитами) и ими же CO2 транспортируется в легкие для выдыхания. Эритроциты имеют пространственное строение, для того чтобы «сажать» кислород и углекислый газ, причем молекулы CO2 и O2 могут быть «отсоединены», как только достигнут пункта своего предназначения. CO так же может быть «посажен», но он легко «не отсоединяется», так что эритроциты, которые загружены СО долго не способны выполнять свою функцию. Если поражено достаточно много красных кровяных телец, то клетки тела не получают кислород, который им нужен; количество СО2 растет, что приводит к смерти.
Какие бывают агрегатные состояния вещества
Твердое
Атомы имеют четкую и жесткую структуру, это на макроскопическом уровне кажется жестким или твердым. Атомы могут быть упорядочены в очень четкую кристаллическую структуру, но все же остается так называемое Броуновское движение.
Жидкое
Атомы имеют некоторую свободу и могут перемещаться, но не отделены как в газе. Жидкости могут течь и, главное, они не жесткие и не твердые. Жидкости несжимаемы. Когда гелий охлаждают практически до абсолютного нуля, у него появляется такое качество как сверхтекучесть. Из-за столь низких температур содержание такого гелия опасно.
Газ
При обычной комнатной температуре молекулы газа могут вполне свободно перемещаться десятки метров до столкновения с другой молекулой. Газ воздухообразен. Вы непременно должны знать, что если вы махнете рукой, к примеру, то почувствуете ток воздуха.
Плазма
Молекулы плазмы ионизированы, что вызывает их взаимоотталкивание, так что плазма может течь как жидкость и она светится, т.к. некоторые молекулы меняют энергетические уровни. Состояние вещества большей степенью базируется на уровне взаимодействия между молекулами и атомами, которые формируют вещество. Это взаимодействие зависит от температуры(и давления), и сейчас уже хорошо известны точки замерзания (переход из жидкой в твердую фазу), кипения (жидкость в газ), конденсации (газ в жидкость) для каждого элемента или молекулы при атмосферном давлении(т.е. нормальном давлении на уровне моря).
Вот почему вода закипает при более низких температурах в горах, где давление меньше, чем на уровне моря. Это может повлиять на эффективность обеззараживания воды, ведь для этого нужно больше времени.
CO2 необычный газ – из твердой формы он сразу переходит в газообразную, т.е. он не тает(сублимирует). Вот почему замороженный CO2 еще называется сухим льдом – он не проходит стадию жидкости, а значит не может быть мокрым.
Проделайте 5 из нижеперечисленных заданий, и объясните происходящие при этом химические реакции
а) попробуйте сжечь кубик сахара сперва без, а потом с добавлением золы, которая демонстрирует действие катализатора
Материалы:
- кубик сахара
- зола из камина или кострища
- спички или зажигалка
- алюминиевая фольга
- деревянный брусок или тренога, которые будут выступать как подставки
Метод:
- положите лист алюминия на треногу или деревянный брусок
- поместите кубик сахара на фольгу
- возьмите другой кубик сахара и покройте его золой
- поместите посыпанный золой кубик возле кубика без золы, но так, чтобы они не соприкасались
- попробуйте поджечь кубики. Легче зажечь кубик с золой.
б) поместите кубик льда в стакан с водой, положите четырехдюймовую (10,2 см) нитку поверх стакана и поверх льда, найдите способ, как достать кубик льда из воды без дотрагивания до него
Материалы:
- лед
- вода
- соль
- стакан
- 10ти сантиметровая нитка
Методика:
- положите кубик льда в стакан
- завяжите петлю на нитке и положите ее на кубик льда
- положите щепотку соли на петлю и на лед
- немного подождите и потяните за нитку
в) с помощью воды, скипидара и мыла перенесите рисунок из газеты на чистый листок бумаги
Материалы:
- 30 мл мыльного порошка (например: Ivory Snow(примечание переводчика: товарный знак стирального порошка для пеленок и детского белья производства компании "Проктер энд Гэмбл"))
- 60 мл горячей воды
- 15 мл скипидар
- небольшая емкость
- мерная чашка
- кисточка
- газета или старый журнал
Методика:
- растворите стиральный порошок в горячей воде и после этого добавьте скипидар
- наберите кисточкой раствор и нанесите на ту картинку, которую нужно перевести, подождите секунд десять, потом положите кусочек бумаги на картинку и верхний лист втирайте ложкой. Картинка переснимется на бумагу
Через некоторое время раствор в емкости начнет затвердевать. Это легко избежать, если поставить бутылку в сосуд с горячей водой, подождать пока р-р снова станет жидким, а затем встряхнуть.
г) с помощью свечи и кусочка картона продемонстрируйте 3и вида пламени свечи
1) синяя зона
синий участок это основа пламени. В этом месте происходит пиролиз (здесь воск свечи превращается в горючий газ). Так же здесь имеет место часть процесса горения. Температура в этой зоне 1200 – 1400°С.
2) темная зона
Темный участок находится посередине пламени, прямо над фитилем. Темное ядро пламени накалено приблизительно до 800 – 1000°С. Внутри этих (темно-)синих участков, водород начинает отделяться от топлива и сгорать, формируя водные пары.
3) светящаяся зона
Желтая светящаяся зона находится над темной зоной. Эта более яркая желтая часть пламени поддерживается окислением углерод до диоксида углерода. Раскаленные частички сажи вызывают желтое и оранжевое свечение. Этот участок накален приблизительно до 1200°С.
4)мантия пламени
Это внешняя часть пламени, она бесцветная или бледноголубая и самая горячая часть пламени свечи. Этот участок накален приблизительно до 1400°С. Примечание переводчика: в советских учебниках химии пламя свечи делилось на 3и части: внутренний «темный» конус (или темная зона), средний светящийся конус (или самая яркая часть пламени) и наружная часть пламени (иногда верхняя часть пламени).
д) с помощью емкости с водой, деревянных частей спички, кусочка сахара и небольшого количества мыла продемонстрируйте действие сахара и мыла на плавающую спичку
Материалы:
- кубик сахара
- средство для мытья посуды
- 2е маленькие емкости
- 12ть зубочисток или деревянных частей спичек
- вода
Методика:
- наполните 2е емкости водой
- бросьте по половине зубочисток в каждую емкость
- поместите кубик сахара в одну емкость. Зубочистки будут притягиваться им
- добавьте каплю моющего средства в другую емкость. Зубочистки будут отталкиваться от нее
Сахар поглощает воду и, таким образом, создает струю, которая притягивает зубочистки к нему. С другой стороны, мыло (моющее средство) разрушает поверхностное натяжение практически сразу для всей поверхности воды. Т.к. этот процесс происходит от центра к краям, он так же создает струю, переносящую зубочистки за ней.
е) поместите свежее яйцо в пресную воду, а затем в соленую. Заметьте разницу
Материалы:
- свежее (несвареное) яйцо
- 1 л (4 чашки) воды
- 120 мл (1/2 чашки) соли
- 2е емкости
Методика:
- добавьте в емкость соль и пол литра воды и перемешивайте до тех пор пока соль не растворится
- в другую емкость влейте другие пол литра воды. Соль не добавлять
- поместите яйцо в соленую воду. Оно должно плавать
- переместите яйцо в несоленую воду. Оно должно тонуть
Соленая вода более плотная чем пресная, это значит, что определенный объем с соленой водой будет весить больше такого же объема с пресной. Плотность яйца средняя между плотностями пресной и соленой воды. Предмет будет плавать, если он менее плотный, чем жидкость, в которую он помещен. Т.к. яйцо более плотное, чем пресная вода оно тонет. Но из-за того, что плотность яйца меньше плотности соленой воды – оно плавает.
ж) продемонстрируйте с помощью стальной стружки, карандаша, изоленты, стакана и миски с водой, что ржавчина использует кислород
Материалы:
- стальная стружка(чистая, без смазки)
- карандаш
- изолента
- стеклянный стакан (чистый)
- миска
- вода
Методика: Используйте изоленту для того, чтобы приклеить металлическую стружку к затирачке на карандаше. Карандаш д.б. коротким на столько, чтобы он мог уместиться внутри стакана без того чтобы его верхушка выглядывала наружу. Наполовину заполните стакан водой и поместите карандаш в стакан с водой пыжом из стальной стружки вниз. Накройте перевернутой миской верх стакана и осторожно поверните стакан и миску так, чтобы стакан перевернулся вверх ногами, а миска стала как положено. Добавьте чуть воды в миску и отметьте уровень воды на стенке стакана. Поставьте прибор в такое место, где его не будут тревожить. После нескольких дней проверьте металлическую стружку – она будет ржавой. Т.к. стальная проволока ржавеет, то она использует кислород, находящийся в стакане. Это уменьшает объем воздуха внутри стакана, и атмосферное давление снаружи стакана компенсирует давление на воду в миске. Это, в свою очередь, выталкивает воду в стакане выше. Сравните текущий уровень воды и уровень воды в стакане в начале эксперимента.
з) продемонстрируйте цвета, которые возникают при сжигании: соли, сульфата меди и борной кислоты
- соль: химическое название хлорид натрия, желто-оранжевый Orange-Yellow
- сульфат меди: зелено-голубой(бирюзовый)
 Сульфат меди |
 Сульфат меди (через кобальтовое стекло) |
 Хлорид натрия |
- борная кислота: ярко-зеленый Bright Green
Больше цветов/пламени
 Газовое пламя |
 Сурьма, Sb |
 AМышьяк, As |
 Бор, B |
 Кальций, Ca |
Медь, Cu |
 Свинец, Pb |
 Литий, Li |
 Калий, K |
Натрий, Na |
 Стронций, Sr |
и) сделайте невидимые чернила
Материалы:
- вода
- уксус, лимонный сок, сахар, лук
- небольшие чашечки
- пламя свечи или кухонной плиты
- зубочистки
- бумага
Методика: Для того чтобы сделать невидимые чернила нужно смешать с водой уксус, лимонный сок, сахар или сок лука. Для того чтобы сделать чернила видимыми, нужно осторожно подержать их возле источника тепла. Чернила вновь станут видимыми. Попробуйте поэкспериментировать соотношением ингредиентов и посмотреть, что даст лучший эффект.
к) покажите, что хозяйственная сода или декагидрат карбоната натрия содержат воду
Материалы:
- пробирка и щипцы для эксперимента
- хозяйственная сода (пищевая сода так же подходит для этих целей, но в требованиях написано «хозяйственная сода»(примечание переводчика: у нас в быту в основном используется питьевая и каустическая сода, каустическая сода не содержит связанную воду))
Методика: Положите немного соды в пробирку. Держите пробирку пинцетом над огнем. Вы увидите торнадообразный эффект в пробирке, т.к. вода попробует «сбежать». За этим очень смешно наблюдать.
перевод: Антон Чумак
