Страница 105 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Применение метода химического анализа.

«ПОМОЩНИК»

В трёх выданных вам пробирках находятся вода, раствор кислоты и раствор щёлочи.

Пользуясь имеющимися у вас реактивами, определите содержимое каждой пробирки.

Используя имеющиеся в вашем распоряжении реактивы и оборудование, получите оксид меди(II) двумя способами.

В трёх выданных вам пробирках находятся вода, раствор кислоты и раствор щёлочи. Пользуясь имеющимися у вас реактивами, определите содержимое каждой пробирки.

Решение:

Для определения содержимого трёх пронумерованных пробирок необходимо воспользоваться кислотно-основными индикаторами. Индикаторы — это вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. Самыми распространёнными в школьной лаборатории являются лакмус, фенолфталеин и метилоранж, а также универсальная индикаторная бумага.

Наиболее удобным является использование лакмуса или универсальной индикаторной бумаги, так как они позволяют однозначно различить все три среды.

Порядок проведения эксперимента:

1. Пронумеровать пробирки, чтобы не перепутать их содержимое (№1, №2, №3).
2. Из каждой пробирки отобрать небольшую пробу вещества с помощью пипетки или стеклянной палочки. Пробы можно поместить в лунки специального планшета или нанести на чистое предметное стекло.
3. В каждую пробу добавить 1-2 капли раствора индикатора (например, лакмуса) или прикоснуться к капле полоской универсальной индикаторной бумаги.
4. Проанализировать результат по изменению цвета индикатора:
   • В той пробирке, где лакмус стал красным (или универсальный индикатор показал цвета от красного до оранжевого), находится раствор кислоты.
   • В той пробирке, где лакмус стал синим (или универсальный индикатор показал цвета от синего до фиолетового), находится раствор щёлочи.
   • В той пробирке, где лакмус не изменил свой фиолетовый цвет (или универсальный индикатор стал жёлто-зелёным), находится вода (нейтральная среда).

Ответ: Содержимое пробирок определяют с помощью кислотно-основного индикатора (например, лакмуса). В кислоте индикатор станет красным, в щёлочи — синим, а в воде не изменит свой цвет.

Используя имеющиеся в вашем распоряжении реактивы и оборудование, получите оксид меди(II) двумя способами.

Решение:

Оксид меди(II) ($CuO$) — это амфотерный оксид, представляющий собой кристалл или порошок чёрного цвета. Рассмотрим два лабораторных способа его получения.

Способ 1: Получение через гидроксид меди(II)

Данный метод включает две последовательные химические реакции. Потребуется раствор любой растворимой соли меди(II) (например, сульфат меди(II) $CuSO_4$) и раствор щёлочи (например, гидроксид натрия $NaOH$), а также оборудование для нагревания (спиртовка, штатив, пробиркодержатель).

1. Осаждение гидроксида меди(II). К раствору сульфата меди(II) голубого цвета приливаем раствор гидроксида натрия. Наблюдаем выпадение объёмистого осадка гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$) голубого цвета.
   Уравнение реакции ионного обмена: $CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
2. Термическое разложение гидроксида меди(II). Полученный осадок нагреваем прямо в пробирке. Гидроксид меди(II) является нестойким соединением и при нагревании легко разлагается. Голубой осадок чернеет, превращаясь в оксид меди(II) ($CuO$).
   Уравнение реакции разложения: $Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CuO + H_2O$

Способ 2: Термическое разложение гидроксокарбоната меди(II)

Для этого способа понадобится гидроксокарбонат меди(II) ($(CuOH)_2CO_3$), известный также как малахит, — твёрдое вещество зелёного цвета, и оборудование для нагревания.

Небольшое количество порошка гидроксокарбоната меди(II) помещаем в сухую термостойкую пробирку и нагреваем в пламени спиртовки. В ходе реакции зелёный порошок разлагается с образованием чёрного оксида меди(II) ($CuO$), а также выделением углекислого газа ($CO_2$) и паров воды ($H_2O$).

Уравнение реакции разложения: $(CuOH)_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + CO_2 \uparrow + H_2O$

Ответ: Оксид меди(II) можно получить: 1) путём нагревания гидроксида меди(II), который, в свою очередь, получают реакцией обмена между раствором соли меди(II) и щёлочью; 2) путём термического разложения гидроксокарбоната меди(II) ($(CuOH)_2CO_3$).

Какими методами пользуются учёные-химики в своей работе?

Учёные-химики в своей работе используют широкий спектр методов, которые можно разделить на несколько основных групп: общенаучные, экспериментальные (включая методы разделения, синтеза и анализа) и современные вычислительные методы.

Это фундаментальные подходы, применяемые во всех естественных науках, которые в химии приобретают свою специфику.

• Наблюдение: Целенаправленное восприятие химических явлений без прямого вмешательства в их протекание. Например, наблюдение за изменением цвета раствора при добавлении реактива или за скоростью выделения газа.
• Эксперимент (опыт): Активное, контролируемое воспроизведение явления с целью его изучения, проверки гипотез. Это ключевой метод в химии. Примером может служить проведение реакции в строго заданных условиях (температура, давление, концентрация) для изучения ее механизма.
• Измерение: Определение количественных характеристик веществ и процессов с помощью специальных приборов. Измеряют массу (весы), объем (мерная посуда), температуру (термометр), pH (pH-метр) и многое другое.
• Моделирование: Создание и изучение моделей (физических или компьютерных) для описания строения и свойств реальных химических объектов (атомов, молекул, кристаллических решеток) и процессов.
• Анализ и синтез: Как мыслительные операции, анализ — это мысленное разложение целого на части (например, изучение состава сложного вещества), а синтез — объединение частей в единое целое (например, вывод общей формулы для гомологического ряда).

Ответ: Ученые-химики используют общенаучные методы, такие как наблюдение, эксперимент, измерение и моделирование, адаптируя их для изучения веществ и их превращений.

Это совокупность практических приемов и операций, используемых в химической лаборатории для работы с веществами.

1. Методы разделения смесей и очистки веществ:

• Отстаивание: Разделение неоднородных смесей (например, жидкости и нерастворимого в ней твердого вещества с большей плотностью) под действием силы тяжести.
• Фильтрование: Отделение твердых частиц от жидкостей или газов с помощью пористых материалов (фильтров).
• Выпаривание и кристаллизация: Выделение растворенного твердого вещества из раствора путем удаления растворителя (выпаривание) с последующим образованием кристаллов (кристаллизация).
• Перегонка (дистилляция): Разделение жидких смесей, компоненты которых имеют разную температуру кипения.
• Хроматография: Метод разделения и анализа смесей, основанный на различном распределении компонентов между двумя фазами — подвижной и неподвижной. Существует множество видов: газовая, жидкостная, тонкослойная и др.

2. Методы синтеза веществ:

Это целенаправленное получение новых веществ с заданными свойствами с помощью химических реакций. Различают органический и неорганический синтез.

Ответ: В практической работе химики применяют методы разделения смесей (фильтрование, перегонка, хроматография) и методы синтеза для получения и очистки химических соединений.

Эти методы используются для определения состава и строения вещества. Их делят на качественный и количественный анализ.

• Качественный анализ: Позволяет установить, из каких химических элементов, ионов или функциональных групп состоит исследуемое вещество. Например, определение ионов с помощью характерных цветных реакций или окрашивание пламени солями определенных металлов.
• Количественный анализ: Позволяет определить количественное содержание (концентрацию, массу) компонентов в образце. Классические методы включают:
  • Гравиметрия: Определение массы искомого компонента после его выделения в виде чистого соединения с известным составом.
  • Титриметрия: Измерение объема раствора реагента известной концентрации (титранта), затраченного на реакцию с определяемым веществом.

Физико-химические (инструментальные) методы анализа:

Это высокочувствительные методы, основанные на измерении физических свойств вещества, которые зависят от его состава и строения. Они являются основой современной аналитической химии.

• Спектроскопия: Изучение спектров взаимодействия вещества с электромагнитным излучением. Включает ЯМР-спектроскопию (ядерный магнитный резонанс), ИК-спектроскопию (инфракрасную), УФ-спектроскопию (ультрафиолетовую). Позволяет определять структуру молекул.
• Масс-спектрометрия: Определение отношения массы к заряду ионизированных частиц, что позволяет установить точную молекулярную массу вещества и его элементный состав.
• Рентгеноструктурный анализ: Позволяет с высокой точностью определить пространственное расположение атомов в кристалле, то есть установить полную 3D-структуру молекулы.
• Электрохимические методы: Основаны на изучении явлений, возникающих при протекании электрического тока через вещество или на границе электрод-раствор (например, потенциометрия, вольтамперометрия).

Ответ: Для определения состава и строения веществ химики используют методы качественного и количественного анализа, включая современные высокоточные инструментальные методы, такие как спектроскопия, масс-спектрометрия и рентгеноструктурный анализ.

С развитием компьютерных технологий все большее значение приобретают методы вычислительной химии.

• Квантовая химия: Использует уравнения квантовой механики для расчета электронного строения, геометрии, энергии и других свойств молекул.
• Молекулярное моделирование (молекулярная динамика, метод Монте-Карло): Позволяет симулировать поведение больших молекулярных систем (белков, полимеров, растворов) во времени и предсказывать их термодинамические и кинетические свойства.

Эти методы позволяют предсказывать результаты экспериментов, изучать короткоживущие частицы и механизмы реакций, а также осуществлять целенаправленный дизайн новых материалов и лекарств.

Ответ: Современная химия активно использует компьютерное моделирование и методы квантовой химии для теоретического изучения свойств веществ и предсказания результатов химических реакций.

Объясните, что общего в методах научного познания в химии, физике, биологии.

Химия, физика и биология, будучи естественными науками, изучающими природу, имеют в своей основе общую методологию познания мира – научный метод. Несмотря на различия в объектах исследования (вещества и их превращения в химии; фундаментальные законы вселенной, материя и энергия в физике; живые организмы и их взаимодействие в биологии), подходы к получению и проверке знаний у них во многом совпадают. Общими для этих наук являются следующие методы и принципы научного познания:

• Наблюдение

  Это целенаправленное и систематическое восприятие явлений окружающего мира для сбора первичной информации. В физике это может быть наблюдение за движением небесных тел, в химии — за изменением цвета раствора при реакции, а в биологии — за поведением животных в их естественной среде обитания.

• Эксперимент

  Это активное и контролируемое вмешательство в изучаемое явление с целью проверки гипотез. Эксперимент позволяет изучать явления в «чистом» виде, создавая специальные условия и изменяя их. Например, физик может изучать падение тел в вакууме, чтобы исключить сопротивление воздуха; химик — проводить реакцию при определенной температуре и давлении, чтобы управлять ее скоростью; биолог — выращивать растения в контролируемых условиях освещенности, чтобы выяснить ее влияние на фотосинтез.

• Выдвижение и проверка гипотез

  На основе наблюдений и существующих знаний ученый выдвигает гипотезу — научное предположение, объясняющее наблюдаемое явление. Ключевое свойство гипотезы — ее проверяемость (фальсифицируемость). Затем гипотеза проверяется с помощью экспериментов. Если результаты эксперимента подтверждают гипотезу, она становится более достоверной; если опровергают — ее отвергают или изменяют.

• Анализ и обобщение (индукция и дедукция)

  Полученные в ходе наблюдений и экспериментов данные анализируются, систематизируются и обобщаются. На основе анализа частных фактов делаются общие выводы (индукция). Также используется дедукция — логический вывод частных следствий из общих положений (теорий, законов) для их последующей проверки.

• Моделирование

  Это создание и исследование моделей — упрощенных аналогов реальных объектов или процессов. Моделирование необходимо, когда прямой эксперимент невозможен или затруднен. В физике это модель атома, в химии — модели молекул, в биологии — модель ДНК или модель экосистемы. Модели помогают наглядно представить и изучить свойства и поведение сложных систем.

• Измерение

  Это количественное описание свойств объектов и явлений с помощью специальных приборов. Измерение придает исследованиям точность и объективность. Физики измеряют скорость, массу, температуру; химики — концентрацию, объем, массу вещества; биологи — численность популяции, размеры организма, активность ферментов.

• Формулирование законов и теорий

  Конечной целью научного познания является установление устойчивых, повторяющихся связей между явлениями (законов) и создание целостных систем знаний (теорий), которые объясняют широкую область явлений и позволяют делать предсказания. Примерами являются закон всемирного тяготения в физике, периодический закон в химии и теория эволюции в биологии.

Таким образом, все три науки стремятся к объективному, доказательному и систематизированному знанию о природе, используя единый арсенал методов научного познания, в центре которого лежит цикл «наблюдение → гипотеза → эксперимент → теория».

Ответ:

Общим в методах научного познания в химии, физике и биологии является использование единого научного метода, основанного на эмпирическом подходе (опыте и наблюдении) и логическом анализе. Ключевые общие элементы включают: наблюдение за явлениями, выдвижение и экспериментальную проверку гипотез, проведение контролируемых экспериментов, измерение физических величин, моделирование сложных систем, анализ и обобщение данных для формулирования научных законов и теорий. Все эти науки стремятся к построению объективной, воспроизводимой и доказуемой картины мира.