Страница 25 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт № 3

В стакан с водой поместите несколько кристалликов перманганата калия (марганцовки). Хорошо заметны малиновые разводы. Один из двух типов ионов, из которых состоит это вещество, имеет яркую малиново-фиолетовую окраску, поэтому его диффузию в объёме раствора легко увидеть невооружённым глазом. Нетрудно убедиться, что через непродолжительное время цвет раствора станет совершенно однородным.

Что вы наблюдаете?

При помещении кристалликов перманганата калия (марганцовки) в стакан с водой можно наблюдать, как от них начинают расходиться яркие малиново-фиолетовые струйки. Постепенно эти окрашенные области распространяются по всему объёму воды, и через некоторое время весь раствор приобретает равномерный, однородный цвет.

Ответ: Наблюдается постепенное самопроизвольное окрашивание воды в малиново-фиолетовый цвет, которое начинается от кристалликов и со временем охватывает весь объём, делая окраску раствора однородной.

О чём свидетельствует это явление?

Это явление, называемое диффузией, наглядно демонстрирует основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Во-первых, оно подтверждает, что все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов, ионов), между которыми есть промежутки. В данном случае ионы перманганата калия проникают в промежутки между молекулами воды. Во-вторых, это доказывает, что частицы вещества находятся в непрерывном и хаотическом (беспорядочном) движении. Именно это тепловое движение заставляет частицы перемещаться и перемешиваться.

Ответ: Наблюдаемое явление (диффузия) свидетельствует о том, что вещества состоят из отдельных частиц, которые находятся в непрерывном хаотическом движении.

Почему со временем окраска становится однородной?

Окраска раствора становится однородной в результате процесса диффузии. Кристаллы перманганата калия ($KMnO_4$) при растворении распадаются на ионы калия ($K^+$) и перманганат-ионы ($MnO_4^-$). Перманганат-ионы имеют яркую окраску. Изначально их концентрация максимальна вблизи кристалликов. Из-за непрерывного и хаотического теплового движения ионы $MnO_4^-$ и молекулы воды постоянно сталкиваются и меняют своё положение в пространстве. Это приводит к тому, что ионы самопроизвольно перемещаются из области с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Процесс продолжается до тех пор, пока ионы не распределятся равномерно по всему объёму воды, после чего цвет раствора становится совершенно однородным.

Ответ: Окраска становится однородной, потому что в результате хаотического теплового движения частицы окрашивающего вещества (перманганат-ионы) равномерно распределяются по всему объёму растворителя (воды).

Как изменится скорость окрашивания, если воду нагреть? Почему?

Если использовать горячую воду вместо холодной, скорость окрашивания раствора значительно увеличится. Это объясняется тем, что температура вещества напрямую связана со средней кинетической энергией его частиц. При нагревании воды средняя скорость движения как молекул воды, так и ионов перманганата калия возрастает. Частицы начинают двигаться быстрее, сталкиваться друг с другом чаще и с большей энергией, что существенно ускоряет процесс их взаимного проникновения и перемешивания. Следовательно, диффузия в горячей воде протекает быстрее, и раствор окрасится равномерно за более короткое время.

Ответ: При нагревании воды скорость окрашивания увеличится, так как с ростом температуры возрастает скорость теплового движения частиц, что ускоряет процесс диффузии.

1. Опишите в формате таблицы известные вам физические свойства воды, углекислого газа, алюминия. Используйте признаки, приведённые на с. 9–11 учебника.

1.

* н.у. – нормальные условия (температура $0$ °C, давление $101.325$ кПа).

Ответ: Физические свойства воды, углекислого газа и алюминия представлены в таблице.

2. Что такое атомы? Приведите примеры веществ, состоящих из атомов.

Что такое атомы?

Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. Хотя само слово "атом" происходит от древнегреческого "неделимый", в XX веке было доказано, что атом имеет сложное строение.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг него. Ядро, занимающее центральную часть атома, состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (частиц без электрического заряда). Атом в целом является электронейтральным, так как число протонов в ядре равно числу электронов. Именно количество протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится атом.

Примеры веществ, состоящих из атомов.

Фактически, вся материя состоит из атомов. Однако по типу строения вещества делят на имеющие атомную и молекулярную структуру. В веществах с атомной структурой основными "строительными блоками" являются сами атомы, связанные между собой.

Примеры таких веществ:

• Инертные газы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar). В газообразном состоянии они представляют собой совокупность отдельных, не связанных друг с другом атомов.
• Металлы: железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al), золото (Au). В их кристаллической решётке находятся атомы (ионы-атомы), связанные металлической связью.
• Вещества с атомной кристаллической решёткой: алмаз и графит (разные формы углерода, C), кремний (Si), бор (B). В них атомы соединены в прочный трёхмерный или слоистый каркас.

Важно понимать, что вещества с молекулярной структурой, такие как вода ($H_2O$), кислород ($O_2$) или сахар ($C_{12}H_{22}O_{11}$), тоже состоят из атомов, но в них атомы предварительно объединены в группы — молекулы, которые и являются структурными единицами вещества.

Ответ: Атом — это мельчайшая электронейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра (из протонов и нейтронов) и электронов. Примеры веществ, которые состоят непосредственно из атомов, а не из молекул: инертные газы (гелий, неон), металлы (железо, медь, алюминий), а также алмаз, графит и кремний.

3. Что такое молекулы? Приведите примеры веществ, состоящих из молекул.

Молекула — это наименьшая электронейтральная частица вещества, способная к самостоятельному существованию и сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из двух или более атомов, соединённых между собой химическими связями (как правило, ковалентными). Атомы в молекуле могут быть как одинаковыми (в простых веществах), так и различными (в сложных веществах). Например, молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода ($O_2$), а молекула воды — из двух атомов водорода и одного атома кислорода ($H_2O$). Состав и строение молекул определяют физические и химические свойства вещества. Все молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, интенсивность которого зависит от температуры.

Вещества, состоящие из молекул, называются веществами молекулярного строения. В твёрдом состоянии они образуют молекулярные кристаллические решётки, в узлах которых находятся молекулы. Такие вещества, как правило, имеют невысокие температуры плавления и кипения.

Примерами веществ, состоящих из молекул, являются: вода ($H_2O$), кислород ($O_2$), углекислый газ ($CO_2$), азот ($N_2$), сахар (сахароза, $C_{12}H_{22}O_{11}$), спирт (этанол, $C_2H_5OH$), йод ($I_2$), метан ($CH_4$).

Важно отметить, что не все вещества состоят из молекул. Например, поваренная соль ($NaCl$) состоит из ионов, алмаз — из атомов углерода, образующих единую кристаллическую решётку, а металлы (железо, медь) — из атомов и свободных электронов.

Ответ: Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из связанных между собой атомов. Примерами веществ, состоящих из молекул, являются вода ($H_2O$), кислород ($O_2$), углекислый газ ($CO_2$), сахар ($C_{12}H_{22}O_{11}$), спирт ($C_2H_5OH$).

4. Что называют диффузией? Что доказывает это явление? Как скорость диффузии зависит от агрегатного состояния веществ и от температуры?

Что называют диффузией?

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого. Этот процесс происходит из-за непрерывного и хаотического теплового движения частиц и приводит к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему объёму, который они занимают.

Ответ: Диффузией называют самопроизвольный процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, который обусловлен тепловым движением этих частиц.

Что доказывает это явление?

Явление диффузии служит экспериментальным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества. В частности, оно доказывает, что, во-первых, все вещества состоят из отдельных частиц (молекул и атомов); во-вторых, эти частицы находятся в непрерывном и беспорядочном движении; и в-третьих, между частицами существуют промежутки, достаточные для проникновения других частиц.

Ответ: Явление диффузии доказывает, что все вещества состоят из непрерывно и хаотично движущихся частиц (молекул, атомов), между которыми есть промежутки.

Как скорость диффузии зависит от агрегатного состояния веществ и от температуры?

Скорость протекания диффузии напрямую зависит от агрегатного состояния вещества и его температуры. Зависимость от агрегатного состояния: быстрее всего диффузия протекает в газах, медленнее — в жидкостях, и наиболее медленно — в твёрдых телах. Это объясняется различиями в плотности упаковки и характере движения частиц в разных состояниях. В газах частицы движутся свободно и на больших расстояниях, в жидкостях их движение ограничено, а в твердых телах частицы в основном совершают колебания около фиксированных положений. Зависимость от температуры: с ростом температуры скорость диффузии увеличивается. Это связано с тем, что температура является мерой средней кинетической энергии частиц. При нагревании скорость движения частиц возрастает, что приводит к их более быстрому перемешиванию. И наоборот, при понижении температуры диффузия замедляется.

Ответ: Скорость диффузии увеличивается при переходе от твёрдого состояния к жидкому и от жидкого к газообразному. Также скорость диффузии возрастает с повышением температуры.

5. Что такое броуновское движение? Приведите описания экспериментов, с помощью которых можно наблюдать это явление.

Что такое броуновское движение?

Броуновское движение — это беспорядочное, хаотическое движение микроскопических видимых частиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит под действием ударов молекул окружающей среды. Это явление является прямым экспериментальным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ), согласно которой все вещества состоят из атомов и молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом тепловом движении.

Ключевые характеристики броуновского движения:

• Непрерывность и вечность: движение никогда не прекращается, пока существует тепловое движение молекул среды (то есть при температуре выше абсолютного нуля).
• Хаотичность: траектория движения каждой частицы представляет собой сложную ломаную линию без какого-либо предпочтительного направления.
• Зависимость от внешних факторов: интенсивность движения возрастает с повышением температуры среды (так как молекулы среды начинают двигаться быстрее и их удары становятся сильнее) и уменьшается с увеличением вязкости среды и размера/массы взвешенной частицы.

Явление было открыто в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (в русскоязычной литературе — Браун), который наблюдал в микроскоп за движением цветочной пыльцы в воде. Теоретическое объяснение было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он показал, что движение вызвано тем, что количество молекул жидкости, толкающих частицу с одной стороны, в каждый момент времени не равно количеству молекул, толкающих ее с другой стороны. Эта несбалансированность сил и заставляет частицу двигаться. Эйнштейн вывел формулу, связывающую средний квадрат смещения броуновской частицы $\langle (\Delta x)^2 \rangle$ за время $t$ с коэффициентом диффузии $D$:

$\langle (\Delta x)^2 \rangle = 2Dt$

Коэффициент диффузии, в свою очередь, зависит от температуры $T$, вязкости среды $\eta$ и радиуса частицы $r$ (соотношение Стокса-Эйнштейна):

$D = \frac{k_B T}{6\pi\eta r}$

где $k_B$ — постоянная Больцмана. Эти работы стали решающим доказательством существования атомов и молекул.

Ответ: Броуновское движение — это хаотическое движение микроскопических частиц в жидкости или газе, вызванное постоянными и случайными толчками со стороны молекул окружающей среды. Это движение подтверждает молекулярно-кинетическую теорию строения вещества.

Приведите описания экспериментов, с помощью которых можно наблюдать это явление.

Наблюдать броуновское движение можно с помощью простого оборудования, доступного в школьной или университетской лаборатории.

Эксперимент 1: Наблюдение движения частиц в жидкости

Это классический эксперимент, повторяющий наблюдения Роберта Броуна.

• Оборудование: оптический микроскоп, предметное стекло, покровное стекло, пипетка, вода, взвешенные частицы (например, сильно разбавленное молоко, суспензия гуаши или растертая в порошок цветочная пыльца).
• Ход эксперимента:
  1. С помощью пипетки на предметное стекло наносят небольшую каплю жидкости со взвешенными частицами (например, капля воды с капелькой молока).
  2. Каплю накрывают покровным стеклом, чтобы избежать испарения и воздушных потоков.
  3. Препарат помещают на столик микроскопа.
  4. Настраивают микроскоп на большое увеличение и фокусируются на отдельных частицах (в случае молока это будут жировые шарики).
• Наблюдение: В поле зрения микроскопа будут видны мелкие частички, которые совершают беспорядочные, скачкообразные движения по сложным зигзагообразным траекториям. Они постоянно меняют направление и скорость своего движения без видимой причины. Это и есть броуновское движение, вызванное асимметричными ударами невидимых молекул воды по видимой частице жира.

Эксперимент 2: Наблюдение движения частиц дыма в воздухе

Этот эксперимент позволяет наблюдать броуновское движение в газе.

• Оборудование: микроскоп, дымовая камера (специальная прозрачная ячейка, например, ячейка Перрена), источник света (лампа или лазер), линза для фокусировки света, источник дыма (тлеющая палочка или фитиль).
• Ход эксперимента:
  1. Небольшое количество дыма впускают в дымовую камеру. Дым состоит из мельчайших твердых частиц сажи.
  2. Камеру герметично закрывают.
  3. Сбоку камеру освещают ярким пучком света, сфокусированным линзой. Это делает частицы дыма видимыми в виде ярких точек на темном фоне (эффект Тиндаля).
  4. Наблюдение ведут через микроскоп, установленный сверху или сбоку.
• Наблюдение: В окуляре микроскопа будут видны светящиеся точки (частицы сажи), которые непрерывно и хаотично движутся в разных направлениях. Их движение является результатом столкновений с невидимыми молекулами газов, входящих в состав воздуха (азота, кислорода и др.).

Ответ: Броуновское движение можно наблюдать в микроскоп, рассматривая взвесь мелких частиц в капле воды (например, разбавленного молока или суспензии гуаши) или наблюдая частицы дыма в специальной камере, освещенной сбоку. В обоих случаях будет видно, как видимые частицы беспорядочно и непрерывно движутся под действием ударов невидимых молекул окружающей среды (воды или воздуха).

6. Приведите примеры веществ, состоящих из ионов. К какой группе веществ — молекулярного или немолекулярного строения — их относят?

Вещества, состоящие из ионов, — это химические соединения с ионной связью. В твердом агрегатном состоянии они образуют ионные кристаллические решетки, в узлах которых находятся положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы).

Примеры веществ, состоящих из ионов
К таким веществам относятся, прежде всего, соли, основания (щёлочи) и оксиды типичных металлов.
1. Хлорид натрия (поваренная соль), формула $NaCl$. Состоит из катионов натрия $Na^+$ и хлорид-анионов $Cl^-$.
2. Гидроксид калия, формула $KOH$. Состоит из катионов калия $K^+$ и гидроксид-анионов $OH^-$.
3. Сульфат меди(II) (медный купорос), формула $CuSO_4$. Состоит из катионов меди $Cu^{2+}$ и сульфат-анионов $SO_4^{2-}$.

Классификация по типу строения
Так как в ионных кристаллических решетках отсутствует молекулярная структура (невозможно выделить отдельные молекулы, подобные, например, молекуле воды $H_2O$), все вещества, состоящие из ионов, относят к группе веществ немолекулярного строения. В их кристаллах каждый ион окружен определенным числом ионов противоположного знака, и вся структура представляет собой, по сути, одну гигантскую макрочастицу.

Ответ: Примерами веществ, состоящих из ионов, являются соли (например, хлорид натрия $NaCl$), щёлочи (например, гидроксид калия $KOH$) и оксиды активных металлов (например, оксид кальция $CaO$). Эти вещества относят к группе веществ немолекулярного строения.

7. Рассмотрите под увеличительным стеклом кристаллы сахара и соли. Из каких частиц состоят кристаллы каждого вещества? Как доказать наличие этих частиц?

Из каких частиц состоят кристаллы каждого вещества?

При рассмотрении под увеличительным стеклом видно, что и сахар, и соль имеют кристаллическую структуру. Однако частицы, из которых состоят эти кристаллы, различны.

Кристаллы сахара (сахарозы, химическая формула $C_{12}H_{22}O_{11}$) состоят из молекул. Молекулы сахарозы располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны между собой слабыми межмолекулярными силами.

Кристаллы поваренной соли (хлорида натрия, химическая формула $NaCl$) состоят из ионов — положительно заряженных ионов натрия ($Na^+$) и отрицательно заряженных ионов хлора ($Cl^-$). Эти ионы удерживаются вместе в кристаллической решетке за счет сильного электростатического притяжения.

Ответ: Кристаллы сахара состоят из молекул, а кристаллы поваренной соли — из ионов.

Как доказать наличие этих частиц?

Доказать, что вещества состоят из мельчайших частиц, можно с помощью простого опыта по их растворению в воде.

1. Растворение. Если поместить кристаллы сахара или соли в стакан с водой, они со временем «исчезнут», то есть растворятся. Это происходит потому, что кристаллы распадаются на свои составные частицы (молекулы или ионы), которые настолько малы, что невидимы глазом.

2. Диффузия. Растворившись, частицы вещества не остаются на дне, а самопроизвольно распределяются по всему объему воды благодаря своему непрерывному и хаотичному движению. Этот процесс называется диффузией. Мы можем убедиться в наличии частиц, попробовав воду на вкус: она станет сладкой в случае с сахаром или соленой в случае с солью.

3. Кристаллизация. Если выпарить воду из раствора, на дне посуды снова образуются кристаллы сахара или соли. Это доказывает, что частицы вещества не исчезли, а лишь временно смешались с молекулами воды.

4. Электропроводность. Различие между частицами сахара (молекулами) и соли (ионами) можно доказать, проверив электропроводность их водных растворов. Раствор соли проводит электрический ток, так как в нем присутствуют свободные заряженные частицы — ионы. Раствор сахара ток не проводит, поскольку его частицы — молекулы — электрически нейтральны.

Ответ: Наличие частиц можно доказать, растворив вещества в воде. Кристаллы исчезнут, так как распадутся на мельчайшие частицы (молекулы или ионы), которые распределятся между молекулами воды (явление диффузии). При испарении воды кристаллы появятся вновь, что доказывает сохранение частиц. Различие в строении (молекулярное у сахара и ионное у соли) доказывается электропроводностью их растворов: раствор соли проводит ток, а раствор сахара — нет.