Страница 23 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

В замечательной книге М. Фарадея «История свечи» есть строчки: «Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания... Я собираюсь изложить вам... ряд сведений по химии, которые можно извлечь из горящей свечи».

Какие явления вы будете изучать при выполнении этой практической работы?

При выполнении практической работы по изучению явлений, происходящих при горении свечи, можно наблюдать и исследовать целый комплекс взаимосвязанных физических и химических процессов, как это описал Майкл Фарадей. К ним относятся:

1. Плавление и отвердевание вещества. Под действием тепла от пламени твёрдый парафин или стеарин, из которого сделана свеча, переходит в жидкое состояние. Это физическое явление называется плавлением. Вокруг фитиля образуется лужица расплавленного парафина. Если свечу погасить, жидкий парафин остынет и снова затвердеет, т.е. кристаллизуется. Ответ: изучение фазовых переходов вещества: плавления (переход из твёрдого состояния в жидкое) и кристаллизации (переход из жидкого в твёрдое).

2. Капиллярный эффект. Расплавленный парафин поднимается вверх по фитилю, который состоит из множества тонких волокон. Это происходит благодаря капиллярному эффекту — способности жидкостей подниматься по узким каналам (капиллярам) вопреки силе тяжести. Это физическое явление обеспечивает непрерывную подачу топлива в зону горения. Ответ: наблюдение капиллярного эффекта — подъёма жидкости по пористому материалу (фитилю).

3. Испарение. У основания пламени, где температура очень высокая, жидкий парафин, поднявшийся по фитилю, превращается в газ (пары парафина). Этот процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется испарением или парообразованием. Горит именно газообразный парафин, а не жидкий или твёрдый. Ответ: изучение фазового перехода — испарения (превращения жидкости в газ под действием высокой температуры).

4. Горение (химическая реакция). Пары парафина (сложные углеводороды) смешиваются с кислородом из воздуха и вступают в химическую реакцию — горение. Это экзотермическая реакция окисления, которая сопровождается выделением большого количества тепла и света. При полном сгорании образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Ответ: изучение химической реакции горения, являющейся экзотермической реакцией окисления углеводородов кислородом воздуха.

5. Строение пламени и образование сажи. Пламя свечи неоднородно и имеет несколько зон. В его нижней, самой тёмной и холодной части, происходит испарение парафина. В средней, самой яркой (жёлтой) части, происходит неполное сгорание паров с образованием раскалённых до свечения мельчайших частичек углерода (сажи). Если внести в эту часть пламени холодный предмет (например, стеклянную пластинку), на нём осядет копоть (сажа). Во внешней, почти невидимой и самой горячей части пламени, происходит полное сгорание сажи и паров топлива до конечных продуктов. Ответ: исследование строения пламени, его зон, и доказательство неполного сгорания топлива по образованию сажи.

6. Теплопередача. Горящая свеча является источником тепла, которое передаётся в окружающее пространство тремя способами. Излучением: пламя испускает электромагнитные волны (свет и инфракрасное излучение), что можно почувствовать, поднеся руку сбоку от пламени. Конвекцией: нагретый воздух и продукты сгорания имеют меньшую плотность и поднимаются вверх, создавая конвекционные потоки, которые можно ощутить над пламенем. Теплопроводностью: тепло передаётся по телу самой свечи, но этот вид теплопередачи в данном случае наименее значителен. Ответ: изучение различных видов теплопередачи от источника тепла: излучения, конвекции и теплопроводности.

7. Обнаружение продуктов сгорания. Можно экспериментально доказать наличие продуктов полного сгорания. Если подержать над пламенем сухой холодный стакан, на его стенках появятся капельки воды — это сконденсировался водяной пар ($H_2O$). Если в этот же стакан налить известковую воду ($Ca(OH)_2$) и взболтать, она помутнеет из-за реакции с углекислым газом ($CO_2$), что доказывает его наличие. Ответ: качественное определение продуктов полного сгорания — воды ($H_2O$) и углекислого газа ($CO_2$).

Опыт 1. Физические явления при горении свечи

Возьмите небольшую парафиновую свечу (можно использовать огарок свечи), зажгите спичку и, нагревая с её помощью нижний конец свечи, прикрепите её к кафельной плитке или кусочку стекла. Зажгите свечу (рис. 21). Обратите внимание на то, что парафин вокруг фитиля начинает плавиться, образуя небольшую лужицу. Какое явление происходит? Через некоторое время лужица переполняется, жидкий парафин стекает по краям свечи, образуя при застывании причудливые потёки. Какое явление происходит?

Явление, происходящее при образовании лужицы парафина вокруг фитиля:
При зажигании свечи тепло от пламени фитиля нагревает окружающий его твёрдый парафин. Когда температура парафина достигает точки плавления (для парафина это примерно 45–65 °C), он переходит из твёрдого агрегатного состояния в жидкое. Этот фазовый переход, при котором вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое под действием тепла, называется плавлением. Таким образом, вокруг фитиля образуется небольшая лужица жидкого парафина, который, в свою очередь, пропитывает фитиль и, испаряясь, поддерживает горение.
Ответ: плавление.

Явление, происходящее при образовании потёков на свече:
Когда лужица жидкого парафина переполняется, он начинает стекать по бокам свечи. Удаляясь от источника тепла (пламени), жидкий парафин контактирует с более холодным корпусом свечи и окружающим воздухом, отдавая им своё тепло. В результате этого процесса теплообмена его температура понижается. При достижении температуры застывания (которая для чистого вещества равна температуре плавления), жидкий парафин переходит обратно в твёрдое агрегатное состояние. Этот фазовый переход называется затвердеванием или кристаллизацией. В результате застывания жидкого парафина и образуются твёрдые потёки на боковой поверхности свечи.
Ответ: затвердевание (кристаллизация).

Опыт 2. Строение пламени свечи

Проткните язычок пламени свечи спичкой, держа её за головку. Через две секунды выньте спичку из пламени и обратите внимание на то, какие её части обуглились. Сделайте вывод о строении пламени свечи и соответственно о правилах нагревания при выполнении химического эксперимента. Зарисуйте в тетради строение пламени и подпишите его части.

Рис. 21. Пламя свечи

Результаты эксперимента и наблюдения

Если быстро поместить спичку в пламя свечи так, чтобы она пересекла все его зоны, а через 2-3 секунды вынуть, то можно наблюдать неравномерное обугливание древесины. Концы спички, которые находились в средней и внешней частях пламени, почернеют. Та часть спички, которая прошла через внутреннюю, самую тёмную зону пламени (ближе к фитилю), останется практически нетронутой или лишь слегка пожелтеет.

Ответ: Сильнее всего обуглились те части спички, которые находились во внешней части пламени, а центральная часть спички, находившаяся во внутренней зоне, почти не изменилась.

Вывод о строении пламени свечи и правилах нагревания

Результаты опыта показывают, что пламя неоднородно по своей структуре и температуре. В пламени можно выделить три основные зоны:

• 1. Внутренняя (тёмная) зона. Это самая нижняя и тёмная часть пламени, расположенная непосредственно у фитиля. Температура здесь самая низкая (около $600^\circ\text{C}$), так как кислород сюда почти не поступает, и горение не происходит. В этой зоне пары парафина только начинают образовываться. Именно поэтому часть спички, оказавшаяся здесь, не обуглилась.
• 2. Средняя (светящаяся) зона. Это самая яркая и крупная часть пламени. Температура здесь выше (около $800-1000^\circ\text{C}$). В этой зоне происходит неполное сгорание паров парафина из-за недостаточного доступа кислорода. Яркое свечение вызвано раскалёнными добела частицами сажи (углерода), которые образуются в результате этого процесса.
• 3. Внешняя (окислительная) зона. Это наружная, почти невидимая часть пламени, имеющая бледно-голубой оттенок. Здесь температура максимальна (может достигать $1400^\circ\text{C}$), так как есть свободный доступ кислорода из окружающего воздуха. В этой зоне происходит полное сгорание паров парафина и частиц сажи до углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$).

Из этого следует важное правило для химических экспериментов: для наиболее быстрого и полного нагревания веществ (например, в пробирке) следует использовать самую горячую, верхнюю часть пламени.

Ответ: Пламя свечи состоит из трёх зон с разной температурой: внутренняя зона – самая холодная, средняя – более горячая и светящаяся, внешняя – самая горячая. При проведении экспериментов нагревание следует проводить в верхней, внешней части пламени.

Описание рисунка строения пламени

При зарисовке строения пламени в тетради необходимо схематически изобразить свечу и её пламя, разделив его на три концентрические части и подписав их:

1. Зона 1: Внутренняя, тёмная зона. Расположена у самого фитиля.
2. Зона 2: Средняя, светящаяся зона. Самая большая и видимая часть пламени, окружающая внутреннюю зону.
3. Зона 3: Внешняя, самая горячая зона. Тонкий, почти бесцветный слой, окружающий среднюю зону.

К каждой зоне можно добавить подпись с указанием её примерной температуры.

Ответ: На рисунке должны быть обозначены и подписаны три зоны пламени: 1 — внутренняя (тёмная), 2 — средняя (светящаяся), 3 — внешняя (самая горячая).

Опыт 3. Обнаружение продуктов горения парафина и влияние воздуха на горение свечи

Возьмите пинцетом кусочек стекла или осколок фарфоровой посуды, внесите его в светящуюся зону пламени свечи и подержите его там несколько секунд. Посмотрите на поверхность стекла или фарфора. Объясните, что там появилось.

Сухой, желательно охлаждённый (но не запотевший) стеклянный стакан подержите над пламенем свечи до запотевания. Объясните наблюдаемое явление.

Накройте горящую свечу стеклянным стаканом. Что наблюдаете? Почему погасла свеча?

При горении свечи образуются не только сажа и вода, но также и углекислый газ. Как его можно распознать? (Для ответа на вопрос используйте знания из курса биологии и различные источники информации.)

Дополнительное задание. Подготовьте сообщение и презентацию по теме «Свечи, их классификация и роль в жизни человека».

Возьмите пинцетом кусочек стекла или осколок фарфоровой посуды, внесите его в светящуюся зону пламени свечи и подержите его там несколько секунд. Посмотрите на поверхность стекла или фарфора. Объясните, что там появилось.

На поверхности стекла или фарфора появится черный налет, который называется сажей. Свеча состоит из парафина — смеси углеводородов. В светящейся, самой яркой части пламени, наблюдается недостаток кислорода для полного сгорания топлива. В результате происходит неполное сгорание, при котором образуются частицы чистого углерода ($C$), которые и оседают на холодной поверхности в виде черной сажи.

Ответ: На поверхности предмета, внесенного в пламя, появится черный налет (сажа), состоящий из частиц углерода. Это продукт неполного сгорания парафина из-за недостатка кислорода в данной части пламени.

Сухой, желательно охлаждённый (но не запотевший) стеклянный стакан подержите над пламенем свечи до запотевания. Объясните наблюдаемое явление.

Внутренняя поверхность холодного сухого стакана, помещенного над пламенем, покроется мелкими капельками влаги, то есть запотеет. Это явление доказывает, что при горении парафина образуется вода. Парафин, будучи углеводородом ($C_nH_{2n+2}$), содержит в своих молекулах атомы водорода. В процессе горения они вступают в реакцию с кислородом ($O_2$) из воздуха, образуя воду ($H_2O$). В пламени вода находится в газообразном состоянии (в виде пара). Когда этот горячий пар соприкасается с холодной поверхностью стакана, он охлаждается и конденсируется, превращаясь в видимые капельки жидкой воды.

Ответ: Стакан запотевает, так как одним из продуктов горения парафина является вода. В пламени она образуется в виде пара, который, соприкасаясь с холодной поверхностью стакана, конденсируется в капли жидкости.

Накройте горящую свечу стеклянным стаканом. Что наблюдаете? Почему погасла свеча?

Если накрыть горящую свечу стаканом, пламя сначала может вспыхнуть чуть ярче, затем оно станет меньше и вскоре полностью погаснет. Свеча гаснет, потому что для процесса горения необходим непрерывный доступ кислорода, который содержится в воздухе. Стакан перекрывает доступ свежего воздуха к свече. Ограниченный объем кислорода, находящийся под стаканом, быстро расходуется в реакции горения. Как только концентрация кислорода падает ниже критического уровня, необходимого для поддержания горения (около 15-16%), реакция прекращается, и свеча гаснет.

Ответ: Свеча, накрытая стаканом, гаснет. Это происходит потому, что горение – это реакция, требующая кислорода. Под стаканом запас кислорода ограничен, и когда он расходуется, горение прекращается.

При горении свечи образуются не только сажа и вода, но также и углекислый газ. Как его можно распознать? (Для ответа на вопрос используйте знания из курса биологии и различные источники информации.)

Углекислый газ ($CO_2$) – это газ без цвета и запаха, поэтому его нельзя обнаружить с помощью органов чувств. Для его распознавания используется качественная химическая реакция с известковой водой — прозрачным раствором гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$). Если пропустить продукты горения свечи (газ) через известковую воду, она помутнеет. Это происходит из-за реакции между углекислым газом и гидроксидом кальция, в результате которой образуется карбонат кальция ($CaCO_3$) — нерастворимое вещество белого цвета, выпадающее в осадок. Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$. В курсе биологии этот же метод используется для доказательства наличия углекислого газа в выдыхаемом человеком воздухе.

Ответ: Углекислый газ можно распознать с помощью известковой воды (раствора $Ca(OH)_2$). При пропускании через нее продуктов горения свечи известковая вода помутнеет из-за образования белого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$).

Дополнительное задание. Подготовьте сообщение и презентацию по теме «Свечи, их классификация и роль в жизни человека».

Данное задание является творческим и предполагает самостоятельную подготовку. Необходимо найти информацию по указанной теме, структурировать ее и представить в виде сообщения (доклада) и наглядной презентации. План работы может включать следующие пункты: история возникновения свечей, материалы для изготовления (воск, парафин, стеарин), виды свечей по назначению и материалу, роль свечей в истории человечества и их современное применение.

Ответ: Это задание для самостоятельной исследовательской работы, по результатам которой необходимо подготовить доклад и презентацию.