Страница 101 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Вы узнали о способах нагревания. А как охлаждают вещества?

Охлаждение веществ, как и нагревание, происходит за счет теплообмена, но в обратном направлении. Если при нагревании тело получает энергию от более горячего источника, то при охлаждении оно отдает свою внутреннюю энергию более холодному телу или окружающей среде. Этот процесс продолжается до тех пор, пока их температуры не выровняются. Существует несколько основных способов охлаждения веществ, которые основаны на разных физических принципах.

Теплообмен с более холодной средой (теплопроводность, конвекция, излучение)

Это наиболее распространенный способ охлаждения, который включает три механизма передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому:

• Теплопроводность: передача тепла при непосредственном контакте. Чтобы охладить предмет, его приводят в соприкосновение с чем-то более холодным. Например, если опустить горячую ложку в стакан с холодной водой, ложка отдаст свое тепло воде и остынет.
• Конвекция: передача тепла потоками жидкости или газа. Горячий предмет нагревает окружающий воздух (или жидкость). Нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, а на его место приходит более холодный. Этот процесс можно ускорить, создав принудительный поток, например, с помощью вентилятора. Так работают системы охлаждения в компьютерах и радиаторы автомобилей.
• Излучение: все тела, температура которых выше абсолютного нуля ($-273.15$ °C), испускают тепловое (инфракрасное) излучение. Горячее тело излучает больше энергии, чем поглощает от более холодных окружающих объектов, и за счет этого остывает. Например, Земля ночью остывает, излучая тепло в космос.

Ответ: Вещества охлаждаются путем передачи тепла более холодной среде через прямой контакт (теплопроводность), с помощью потоков жидкости или газа (конвекция) или путем испускания теплового излучения.

Испарение и кипение

Этот способ основан на фазовом переходе вещества из жидкого состояния в газообразное. Для испарения или кипения жидкости требуется энергия, которая называется удельной теплотой парообразования. Эта энергия забирается у самой жидкости и окружающих ее тел, что приводит к их охлаждению. Чем интенсивнее испарение, тем сильнее эффект охлаждения.

• Пример из жизни: когда человек потеет, испарение пота с поверхности кожи забирает тепло и охлаждает тело.
• Технический пример: в холодильниках и кондиционерах используется специальное вещество (хладагент), которое кипит при низкой температуре внутри системы, отбирая тепло из камеры холодильника, а затем снова сжижается снаружи, отдавая тепло в окружающую среду.

Ответ: Вещества можно охладить, используя процесс испарения или кипения, так как для этого фазового перехода требуется энергия, которая отбирается у охлаждаемого объекта.

Адиабатическое расширение газов

Когда сжатый газ быстро расширяется, он совершает работу против внешних сил, расталкивая окружающую среду. Если при этом нет притока тепла извне (такой процесс называется адиабатическим), то на совершение этой работы тратится внутренняя энергия самого газа. Уменьшение внутренней энергии приводит к понижению его температуры.

• Пример: баллончик с аэрозолем становится холодным при распылении содержимого, так как находящийся под давлением газ резко расширяется на выходе.
• Этот принцип используется в криогенной технике для получения очень низких температур и сжижения газов, таких как азот или гелий.

Ответ: Охлаждение веществ возможно за счет резкого (адиабатического) расширения газа, при котором он совершает работу за счет своей внутренней энергии, что ведет к падению его температуры.

1. Объясните, почему для протекания многих превращений требуется нагревание.

Для протекания многих превращений, как химических, так и физических, требуется нагревание, поскольку оно обеспечивает необходимую для этих процессов энергию.

С точки зрения химических реакций, для того чтобы исходные вещества (реагенты) превратились в продукты, их частицам (атомам, молекулам, ионам) необходимо преодолеть так называемый энергетический барьер. Этот барьер связан с тем, что для начала реакции нужно затратить энергию на разрыв существующих химических связей в молекулах реагентов. Минимальная энергия, которую необходимо сообщить частицам, чтобы их столкновение привело к химическому превращению, называется энергией активации ($E_a$).

Нагревание — это процесс передачи веществу тепловой энергии. Эта энергия увеличивает внутреннюю энергию вещества, что на микроскопическом уровне проявляется в увеличении кинетической энергии его частиц. Частицы начинают двигаться быстрее и хаотичнее. Это приводит к двум последствиям: во-первых, увеличивается частота столкновений между частицами реагентов, и, во-вторых, что более важно, возрастает доля «эффективных» столкновений. Это столкновения, при которых кинетическая энергия сталкивающихся частиц достаточна для преодоления энергетического барьера ($E_a$).

Зависимость скорости реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа (эмпирически) и уравнением Аррениуса (теоретически). Уравнение Аррениуса $k = A e^{-E_a / (RT)}$ показывает, что константа скорости реакции $k$ (а следовательно, и сама скорость) экспоненциально возрастает с повышением температуры $T$.

Для физических превращений, таких как плавление (переход из твердого состояния в жидкое) или кипение (переход из жидкого в газообразное), нагревание также играет ключевую роль. В этом случае подводимая энергия идет не на разрыв химических связей внутри молекул, а на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия, которые удерживают частицы в определенном порядке (в кристаллической решетке твердого тела) или на близком расстоянии друг от друга (в жидкости). Чтобы разрушить эти связи и дать частицам большую свободу движения, необходима дополнительная энергия, которая и сообщается при нагревании.

Таким образом, нагревание является универсальным способом инициирования или ускорения многих превращений, так как оно предоставляет системе необходимую энергию для преодоления различных энергетических барьеров.

Ответ: Нагревание требуется для многих превращений, потому что оно увеличивает кинетическую энергию частиц вещества. В химических реакциях эта дополнительная энергия позволяет частицам преодолеть энергетический барьер (энергию активации), необходимый для разрыва старых и образования новых химических связей. В физических процессах, таких как плавление или кипение, энергия, полученная при нагревании, расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения, что позволяет веществу перейти в другое агрегатное состояние.

2. Какие нагревательные приборы, используемые в лабораториях, вы знаете?

В лабораториях для проведения химических реакций, подготовки образцов, высушивания и других процессов, требующих нагрева, используется разнообразное нагревательное оборудование. Выбор конкретного прибора зависит от множества факторов: необходимой температуры и точности ее поддержания, химической природы нагреваемого вещества (особенно его горючести и летучести), объема и формы посуды.

Спиртовка
Это простейший прибор для нагрева, состоящий из резервуара для спирта и фитиля. Он дает открытое, не очень горячее пламя и используется для нагревания небольших объемов жидкостей, стерилизации микробиологических петель, оплавления краев стеклянных палочек и проведения демонстрационных опытов, не требующих высокой или строго контролируемой температуры.

Газовая горелка (например, горелка Бунзена)
Работает на бытовом или сжиженном газе, подаваемом из баллона или газовой сети. Позволяет получить пламя с высокой температурой (до 1500°c) и регулировать его характер (окислительный/восстановительный) за счет изменения соотношения газа и воздуха. Применяется для сильного прокаливания веществ, работы со стеклом, проведения высокотемпературных синтезов.

Электрическая плитка
Устройство с плоской нагревательной поверхностью. Главное преимущество — отсутствие открытого пламени, что делает ее незаменимой при работе с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями. Современные модели часто оснащены терморегулятором для поддержания заданной температуры и встроенной магнитной мешалкой для одновременного нагрева и перемешивания.

Колбонагреватель
Электрический прибор, представляющий собой чашу из стекловолокна со встроенными нагревательными элементами. Его форма идеально подходит для нагрева круглодонных колб. Обеспечивает равномерный и щадящий нагрев по всей поверхности колбы, исключая локальный перегрев и риск растрескивания стекла. Широко используется в органическом синтезе и при перегонке.

Нагревательные бани (водяная, масляная, песчаная)
Это устройства для равномерного и контролируемого нагрева. Нагреваемый сосуд помещается в емкость (баню) с теплоносителем — водой, маслом или песком. Сама баня нагревается на электроплитке или имеет встроенный нагреватель. Водяная баня позволяет поддерживать температуру не выше 100°c. Масляная и песчаная бани используются для достижения более высоких температур (до 300°c и выше).

Сушильный шкаф
Представляет собой термостатированную камеру с электрическим нагревом, используемую для высушивания лабораторной посуды, удаления влаги из образцов, проведения реакций при постоянной температуре в течение длительного времени.

Муфельная печь
Высокотемпературная печь (до 1100-1300°c и выше), в которой рабочая камера (муфель) изолирована от нагревательных элементов. Это защищает образцы от контакта с раскаленными спиралями. Используется для озоления (сжигания органических веществ для определения содержания минеральных компонентов), прокаливания осадков в гравиметрическом анализе, обжига керамики и термообработки металлов.

Ответ: К основным нагревательным приборам, используемым в лабораториях, относятся спиртовки, газовые горелки, электрические плитки, колбонагреватели, различные типы нагревательных бань (водяные, масляные, песчаные), сушильные шкафы и муфельные печи.

3. Как можно осуществлять контроль температуры?

Контроль температуры — это комплексный процесс, включающий измерение текущей температуры и её последующее регулирование для достижения и поддержания заданного значения (уставки). Осуществлять контроль можно различными способами, которые условно делятся на методы измерения и методы регулирования.

Измерение температуры с помощью контактных методов

Контактные методы предполагают физический контакт чувствительного элемента (датчика) с объектом, температуру которого необходимо измерить. Эти методы основаны на различных физических принципах:
- Жидкостные и механические термометры: используют принцип теплового расширения веществ (жидкостей, таких как спирт или ртуть, или твердых тел, как в биметаллических термометрах).
- Термопары: основаны на эффекте Зеебека, при котором в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает термо-ЭДС, если их спаи находятся при разных температурах. Величина ЭДС зависит от разности температур.
- Термометры сопротивления (RTD): используют свойство материалов (обычно платины) изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Эта зависимость почти линейна и очень стабильна, что позволяет достигать высокой точности. Например, для платины: $R_T \approx R_0(1 + \alpha T)$.
- Термисторы: полупроводниковые приборы, чье сопротивление сильно и нелинейно изменяется с температурой, что обеспечивает высокую чувствительность.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять путем прямого измерения с помощью контактных датчиков, таких как жидкостные термометры, термопары, термометры сопротивления и термисторы, которые регистрируют температуру при непосредственном физическом контакте с объектом.

Измерение температуры с помощью бесконтактных методов

Бесконтактные методы позволяют определять температуру объекта на расстоянии путем анализа его теплового излучения. Основным прибором для этого является пирометр (инфракрасный термометр). Его работа основана на законе Стефана-Больцмана, согласно которому мощность теплового излучения, испускаемого телом, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры ($P = \epsilon \sigma A T^4$). Этот метод незаменим для измерения очень высоких температур (расплавы металлов), а также для объектов, контакт с которыми невозможен или нежелателен (движущиеся части, стерильные поверхности).

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять дистанционно, без прямого контакта, с помощью пирометров, которые определяют температуру по интенсивности теплового излучения объекта.

Двухпозиционное (релейное) регулирование температуры

Это самый простой способ автоматического поддержания температуры. Регулирующее устройство (например, нагреватель) имеет только два рабочих состояния: «полностью включено» или «полностью выключено». Система включает нагрев, когда температура падает ниже заданной отметки, и выключает его, когда температура превышает эту отметку. Для предотвращения слишком частых переключений вводится зона нечувствительности (гистерезис). Метод прост и дешев, но обеспечивает невысокую точность поддержания температуры, так как она постоянно колеблется вокруг заданного значения.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять с помощью двухпозиционного регулятора, который попеременно включает и выключает нагревательный или охлаждающий элемент для удержания температуры в заданном диапазоне.

Пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование

Это наиболее совершенный и широко используемый метод автоматического регулирования температуры. ПИД-регулятор постоянно вычисляет ошибку $e(t)$ — разницу между заданной и реальной температурой — и формирует управляющий сигнал на основе трех составляющих:
- Пропорциональная (П): воздействие пропорционально текущей ошибке ($K_p \cdot e(t)$). Обеспечивает основную реакцию системы.
- Интегральная (И): воздействие пропорционально накопленной ошибке ($K_i \int e(t)dt$). Позволяет со временем устранить статическую ошибку, то есть точно достичь заданного значения.
- Дифференциальная (Д): воздействие пропорционально скорости изменения ошибки ($K_d \frac{de(t)}{dt}$). Предотвращает "перелет" через заданное значение и гасит колебания, делая систему более устойчивой.
Полный управляющий сигнал имеет вид: $u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$. Подбор коэффициентов $K_p$, $K_i$, $K_d$ (настройка регулятора) позволяет добиться быстрого и точного поддержания температуры.

Ответ: Контроль температуры можно осуществлять с высокой точностью при помощи ПИД-регулятора, который комплексно анализирует текущую ошибку, её накопление и скорость изменения для плавной и стабильной коррекции температуры.

4. Какая часть пламени является наиболее горячей?

Решение

Пламя имеет неоднородную структуру и состоит из нескольких зон, которые различаются по температуре и цвету из-за разной степени доступа кислорода и полноты сгорания топлива. Обычно в пламени свечи или спички можно выделить три основные зоны:

1. Нижняя (тёмная) зона: Находится у самого основания фитиля. Здесь происходит испарение и разложение топлива, но из-за недостатка кислорода горение почти не идёт. Это самая холодная часть пламени с температурой около 600 °C.

2. Средняя (светящаяся) зона: Это самая яркая, видимая часть пламени. Здесь происходит неполное сгорание топлива с образованием раскалённых частиц углерода (сажи), которые и создают яркое свечение. Температура в этой зоне выше и составляет примерно 800–1200 °C.

3. Верхняя (внешняя) зона: Это наружный слой пламени, который часто бывает почти бесцветным или имеет бледно-голубой оттенок. В этой зоне продукты неполного сгорания из средней зоны вступают в реакцию с кислородом из окружающего воздуха. Происходит полное сгорание топлива, сопровождающееся выделением максимального количества тепла. Поэтому эта часть пламени является самой горячей.

Таким образом, температура распределяется по пламени неравномерно, увеличиваясь от основания к внешней его части.

Ответ: Наиболее горячей является верхняя, внешняя часть пламени, которая часто бывает едва заметной.

5. Подумайте, почему сырые дрова не дают такого жаркого огня, как сухие.

Разница в жаре, выделяемом при горении сырых и сухих дров, объясняется физическими процессами, связанными с наличием воды в древесине. Горение — это экзотермическая химическая реакция, в ходе которой выделяется большое количество тепловой энергии. В случае сухих дров почти вся эта энергия идет на поддержание высокой температуры пламени и обогрев окружающей среды.

Сырые дрова, в отличие от сухих, содержат значительное количество воды. Прежде чем древесина сможет эффективно гореть и выделять максимальное количество тепла, вся содержащаяся в ней вода должна сначала нагреться до температуры кипения (100 °C), а затем полностью испариться, превратившись в пар.

Процесс парообразования является очень энергозатратным. Для испарения воды требуется большое количество теплоты, которое называется удельной теплотой парообразования ($L$). Для воды эта величина очень высока и составляет примерно $2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг. Это означает, что на испарение 1 кг воды тратится 2,3 миллиона джоулей энергии. Количество теплоты $Q$, необходимое для испарения массы воды $m$, рассчитывается по формуле:
$Q = L \cdot m$

Таким образом, значительная часть энергии, выделяемой при сжигании древесины, "тратится" на испарение воды, а не на создание жара. Это приводит к тому, что температура пламени у сырых дров значительно ниже. Кроме того, большое количество водяного пара в зоне горения может препятствовать доступу кислорода, что ведет к неполному сгоранию топлива, образованию большого количества дыма и сажи и еще большему снижению общей теплоотдачи.

Ответ: Сырые дрова не дают такого жаркого огня, как сухие, потому что большая часть тепловой энергии, выделяющейся при горении, расходуется на нагревание и испарение содержащейся в них воды. Процесс превращения воды в пар требует значительных затрат энергии (удельная теплота парообразования), что снижает температуру пламени и общую теплоотдачу.

Лабораторный опыт 4

Нагревание на электроплитке

Лабораторная электроплитка имеет закрытую нагревательную спираль. Нагреваемая поверхность плоская и напоминает конфорку бытовой электроплиты. Поставим на плитку стакан с водой. Поместим в стакан несколько граммов нитрата калия — калийной селитры — и перемешаем. Соль полностью не растворилась. Включим электроплитку. Постепенно вода в стакане нагревается. Мы видим, как соль полностью растворяется в воде. Определим температуру воды термометром.

Решение

Данный лабораторный опыт демонстрирует зависимость растворимости солей от температуры. Рассмотрим происходящие процессы поэтапно.

Наблюдение в начале опыта

В начале эксперимента в стакан с водой добавляют несколько граммов нитрата калия ($KNO_3$), также известного как калийная селитра. После перемешивания видно, что часть соли не растворилась и осталась на дне стакана. Это явление указывает на то, что при начальной температуре (вероятно, комнатной) вода смогла растворить лишь определенное количество соли. Когда максимальное количество соли для данной температуры растворено, раствор становится насыщенным. Любое количество соли сверх этого предела остается в виде твердого осадка. Таким образом, в начале опыта мы имеем систему, состоящую из насыщенного раствора нитрата калия и его твердой фазы (осадка).

Ответ: Изначально раствор является насыщенным при данной температуре, так как в нем растворено максимальное количество нитрата калия, а избыток соли присутствует в виде нерастворенного осадка.

Процесс нагревания и его результат

При включении электроплитки вода в стакане начинает нагреваться. Для большинства твердых веществ, и для нитрата калия в частности, растворимость в воде значительно увеличивается с повышением температуры. Это означает, что горячая вода способна растворить большее количество соли, чем холодная. По мере того как температура раствора растет, его "емкость" по отношению к соли увеличивается, и твердый осадок $KNO_3$ на дне стакана начинает постепенно растворяться. В определенный момент вся соль полностью переходит в раствор. Если измерить температуру в тот момент, когда растворился последний кристаллик соли, мы определим температуру насыщения для раствора именно этой концентрации (то есть, для исходного соотношения массы соли и воды).

Ответ: Нагревание раствора приводит к увеличению растворимости нитрата калия, в результате чего весь осадок соли постепенно растворяется. Раствор из насыщенного с осадком превращается в насыщенный (в момент полного растворения) или ненасыщенный (при дальнейшем нагреве) без осадка.

Вывод из лабораторного опыта

Основной вывод из данного эксперимента заключается в том, что растворимость нитрата калия в воде напрямую зависит от температуры: чем выше температура, тем больше соли можно растворить в том же объеме воды. Этот опыт является качественной демонстрацией данного физико-химического закона. Зависимость растворимости от температуры можно представить в виде графика — кривой растворимости. Проведенный опыт позволяет определить одну точку на этой кривой. Это свойство широко используется на практике, например, в процессе очистки веществ методом перекристаллизации, когда вещество растворяют в горячем растворителе, а затем при охлаждении оно выпадает в виде чистых кристаллов.

Ответ: Эксперимент наглядно доказывает, что растворимость нитрата калия в воде возрастает с повышением температуры.

Лабораторный опыт 5

Зажгите свечу и рассмотрите её пламя. Перерисуйте пламя свечи в тетрадь и укажите в нём зоны свечения, окрашенные в разные цвета (рис. 76). Чем ярче цвет

Белый, $1400 \text{ °C}$

Светло-жёлтый, $1200 \text{ °C}$

Красно-коричневый, $1000 \text{ °C}$

Оранжевый, $800 \text{ °C}$

$600 \text{ °C}$

Рис. 76. Строение пламени свечи

пламени, тем выше его температура. В центре нижней части пламени (рядом с фитилём) температура настолько низкая, что внесённая в эту область деревянная щепка не воспламеняется. Наиболее высокая температура в верхней части пламени и по его краям. Убедитесь в этом на опыте. Внесите в нижнюю часть пламени свечи деревянную щепку длиной около 10 см. Держите её горизонтально обеими руками. Как только щепка начнёт обугливаться, выньте её из пламени. Если она загорелась, немедленно затушите. Рассмотрите, в каких местах щепка начала обугливаться. Почему она не обуглилась в центре? Проделайте то же самое с щепкой, внеся её в верхнюю часть пламени. Где она начинает обугливаться на этот раз? Сделайте выводы о том, какие части пламени являются наиболее горячими. После опыта задуйте свечу.

Строение пламени свечи

Пламя свечи имеет неоднородное строение. В нём можно выделить три основные концентрические зоны, которые различаются по цвету, температуре и протекающим в них процессам. Основываясь на рисунке 76, можно описать эти зоны следующим образом:

1. Нижняя зона (тёмная): Расположена непосредственно над фитилём. Её температура самая низкая, около $600 \text{ °C}$. В этой зоне происходит плавление и испарение парафина, но горение практически не идёт из-за недостатка кислорода.

2. Средняя зона (светящаяся): Это самая большая и яркая часть пламени, имеющая жёлто-оранжевый цвет. Здесь происходит термическое разложение паров парафина с образованием мелких частиц углерода (сажи). Раскаляясь, эти частицы ярко светятся. Температура в этой зоне значительно выше и колеблется от $800 \text{ °C}$ до $1200 \text{ °C}$.

3. Внешняя зона: Окружает светящуюся часть пламени, она почти невидима или имеет бледно-голубой оттенок. Это самая горячая часть пламени, температура здесь достигает $1400 \text{ °C}$. В этой зоне частицы углерода и продукты неполного сгорания полностью сгорают благодаря свободному доступу кислорода из окружающего воздуха.

Ответ: Пламя свечи состоит из трёх основных зон: внутренняя тёмная (самая холодная, $ \sim 600 \text{ °C}$), средняя светящаяся (более горячая, $800 \text{–}1200 \text{ °C}$) и внешняя (самая горячая, до $1400 \text{ °C}$).

Опыт с щепкой в нижней части пламени

Если внести деревянную щепку горизонтально в нижнюю часть пламени свечи, то обугливание начнётся на тех её участках, которые соприкасаются со средней, светящейся зоной пламени, то есть по краям. Центральная часть щепки, находящаяся во внутренней тёмной зоне, останется неповреждённой или лишь слегка пожелтеет.

Щепка не обуглилась в центре, потому что внутренняя зона пламени является самой холодной (около $600 \text{ °C}$). Этой температуры недостаточно для быстрого обугливания древесины. Кроме того, в этой зоне почти нет кислорода, необходимого для процесса горения.

Ответ: Внесённая в нижнюю часть пламени щепка начала обугливаться по краям. В центре она не обуглилась, так как эта часть пламени имеет самую низкую температуру и испытывает недостаток кислорода.

Опыт с щепкой в верхней части пламени

Если проделать тот же опыт, но внести щепку в верхнюю часть пламени, она начнёт обугливаться очень быстро и равномерно по всей длине, которая находится внутри пламени. Это связано с тем, что верхняя часть пламени является самой горячей.

Ответ: В верхней части пламени щепка начинает обугливаться быстро и по всей своей длине, находящейся в пламени.

Выводы о температуре в разных частях пламени

Проведённые опыты с деревянной щепкой позволяют сделать вывод о распределении температуры в пламени свечи. Тот факт, что щепка обугливается по-разному в разных частях пламени, доказывает их различную температуру.

1. Нижняя, внутренняя часть пламени является самой холодной.

2. Верхняя и внешняя части пламени являются самыми горячими.

Это происходит потому, что в верхней и внешней частях пламени происходит наиболее полное сгорание паров парафина при максимальном доступе кислорода, что сопровождается выделением наибольшего количества тепла.

Ответ: Наиболее горячими частями пламени являются его внешняя и верхняя зоны, а самой холодной — внутренняя тёмная зона у основания фитиля.