Страница 51 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Домашний эксперимент.

«ПОМОЩНИК»

Свою окраску под действием растворов веществ изменяют многие вещества, имеющиеся в каждом доме.

Выявить такие «домашние» индикаторы вам поможет раствор стиральной (кальцинированной) соды или прозрачный раствор хозяйственного мыла.

Напишите любое слово синей шариковой ручкой, а затем протрите его ваткой, смоченной в приготовленном растворе.

Проверьте, изменят ли свою окраску под действием раствора соды или мыла виноградный сок, раствор вишнёвого или малинового варенья.

Выявить такие «домашние» индикаторы вам поможет раствор стиральной (кальцинированной) соды или прозрачный раствор хозяйственного мыла.

Это утверждение объясняет, какие вещества можно использовать для проведения эксперимента. Раствор стиральной (кальцинированной) соды ($Na_2CO_3$) и раствор хозяйственного мыла (соли высших жирных кислот, например, стеарат натрия $C_{17}H_{35}COONa$) в воде создают щелочную среду. Это происходит из-за реакции гидролиза — взаимодействия ионов соли с водой. Для карбоната натрия (соды) реакция выглядит так: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$ Для мыла (на примере стеарата натрия) реакция такая: $C_{17}H_{35}COO^- + H_2O \rightleftharpoons C_{17}H_{35}COOH + OH^-$ В обоих случаях в растворе появляются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые и обуславливают щелочную реакцию среды ($pH > 7$). Именно щелочная среда позволяет выявить вещества-индикаторы, которые изменяют свой цвет при изменении кислотности.

Ответ: Растворы соды и хозяйственного мыла являются щелочными, что позволяет использовать их для обнаружения веществ-индикаторов, меняющих цвет в щелочной среде.

Напишите любое слово синей шариковой ручкой, а затем протрите его ваткой, смоченной в приготовленном растворе.

В состав чернил для синих шариковых ручек часто входят кислотно-основные индикаторы, например, трифенилметановые красители. Эти вещества имеют сложную структуру, которая обуславливает их цвет. В нейтральной или кислой среде они окрашены в синий или фиолетовый цвет. При обработке надписи щелочным раствором соды или мыла происходит химическая реакция. Гидроксид-ионы ($OH^-$) из раствора атакуют молекулу красителя. В результате изменяется химическая структура красителя (разрушается сопряженная система связей, ответственная за поглощение света), и он обесцвечивается. Таким образом, щелочь действует как "пятновыводитель" для таких чернил.

Ответ: Надпись, сделанная синей шариковой ручкой, обесцветится или полностью исчезнет, так как щелочной раствор вступает в реакцию с красителем в чернилах и разрушает его цветную форму.

Проверьте, изменят ли свою окраску под действием раствора соды или мыла виноградный сок, раствор вишнёвого или малинового варенья.

Виноградный сок (особенно из тёмных сортов винограда), а также соки и варенья из вишни и малины богаты природными пигментами — антоцианами. Эти вещества относятся к классу флавоноидов и отвечают за красные, розовые, фиолетовые и синие оттенки многих растений. Ключевое свойство антоцианов — их способность менять цвет в зависимости от pH среды. Они являются природными кислотно-основными индикаторами.

• В кислой среде (которая характерна для соков и ягод) они имеют красную или розовую окраску.
• В нейтральной среде их цвет смещается в сторону фиолетового.
• В щелочной среде (которую мы создаем, добавляя раствор соды или мыла) антоцианы меняют свой цвет на синий, сине-зелёный или даже жёлтый.

Поэтому при добавлении щелочного раствора к соку или раствору варенья произойдет заметное изменение цвета.

Ответ: Да, окраска изменится. Изначально красные или фиолетовые растворы виноградного сока, вишнёвого или малинового варенья при добавлении щелочного раствора соды или мыла станут синими или сине-зелёными.

Какие вещества образуются в результате химической реакции между оксидом металла и водой?

В результате химической реакции между оксидом металла и водой образуются гидроксиды. Характер продукта зависит от типа оксида металла.

1. Основные оксиды. Это оксиды щелочных металлов (Li, Na, K и др.) и щелочноземельных металлов (Ca, Sr, Ba). При их взаимодействии с водой образуются растворимые основания, называемые щёлочами.

Общая схема реакции:
Основный оксид + Вода → Основание (щёлочь)

Примеры:

• Реакция оксида калия с водой с образованием гидроксида калия:
  $K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$
• Реакция оксида кальция (негашеная известь) с водой с образованием гидроксида кальция (гашеная известь):
  $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

2. Амфотерные и нерастворимые основные оксиды. Оксиды многих металлов, таких как алюминий ($Al_2O_3$), цинк ($ZnO$), железо ($Fe_2O_3, FeO$), медь ($CuO$), являются амфотерными или нерастворимыми основными оксидами. В обычных условиях они с водой не реагируют.

3. Кислотные оксиды. Некоторые металлы в высших степенях окисления образуют кислотные оксиды. При их взаимодействии с водой образуются соответствующие кислоты.

Примеры:

• Оксид хрома(VI) реагирует с водой, образуя хромовую кислоту:
  $CrO_3 + H_2O \rightarrow H_2CrO_4$
• Оксид марганца(VII) реагирует с водой, образуя марганцовую кислоту:
  $Mn_2O_7 + H_2O \rightarrow 2HMnO_4$

Ответ: В реакции оксида металла с водой могут образовываться разные вещества в зависимости от химической природы металла. Чаще всего (в случае оксидов щелочных и щелочноземельных металлов) образуются основания (гидроксиды). Если оксид металла проявляет кислотные свойства (металл в высокой степени окисления), то образуется кислота. Оксиды многих металлов (например, железа, меди, алюминия) с водой не реагируют.

Как обнаружить протекание химической реакции, если отсутствуют её признаки?

Даже если отсутствуют привычные визуальные признаки химической реакции, такие как изменение цвета, выделение газа или выпадение осадка, это не означает, что химическое превращение не происходит. Для обнаружения таких реакций используют более чувствительные инструментальные (физико-химические) методы анализа. Суть этих методов заключается в регистрации изменений состава реакционной смеси или её физических свойств, которые не заметны невооруженным глазом.

Основные способы обнаружить протекание такой реакции:

• Изменение физических свойств системы.

  • Измерение pH среды: если в ходе реакции образуются или расходуются кислоты или основания (например, ионы $H^+$ или $OH^-$), то кислотность раствора изменится. Это изменение можно точно зафиксировать с помощью pH-метра.

  • Измерение электропроводности (кондуктометрия): если в результате реакции изменяется общее число или подвижность ионов в растворе, то его электропроводность также изменится. Это регистрируется специальным прибором — кондуктометром.

  • Измерение показателя преломления (рефрактометрия): показатель преломления является физической константой вещества и зависит от состава смеси. Его изменение, фиксируемое рефрактометром, указывает на то, что одни вещества превратились в другие.

  • Измерение оптической активности (поляриметрия): если в реакции участвуют или образуются хиральные (оптически активные) соединения, то угол вращения плоскости поляризации света, проходящего через раствор, будет меняться. Это измеряется с помощью поляриметра.

• Спектроскопические методы.

  • Инфракрасная (ИК) спектроскопия: этот метод анализирует колебания химических связей в молекулах. Поскольку у реагентов и продуктов разная структура и, следовательно, разный набор связей, их ИК-спектры будут отличаться. Появление новых полос поглощения или исчезновение старых служит прямым доказательством реакции.

  • УФ- и видимая спектроскопия: даже при отсутствии видимого изменения цвета, электронная структура молекул может меняться, что отразится на их спектрах поглощения в ультрафиолетовой или видимой области. Появление новых максимумов поглощения или изменение их интенсивности свидетельствует о протекании реакции.

  • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР): один из самых информативных методов для определения строения молекул. Сравнение ЯМР-спектров смеси до и после предполагаемой реакции позволяет однозначно установить, произошли ли изменения в структуре молекул.

• Хроматографические методы.

  Методы, такие как газовая хроматография (ГХ), высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) или тонкослойная хроматография (ТСХ), позволяют разделять компоненты смеси. Анализируя пробы реакционной смеси через определенные промежутки времени, можно увидеть на хроматограмме уменьшение пиков исходных веществ и появление новых пиков, соответствующих продуктам реакции.

• Масс-спектрометрия.

  Этот метод позволяет определить массы молекул, присутствующих в образце. Если в реакционной смеси обнаруживаются молекулы с массами, соответствующими предполагаемым продуктам, это подтверждает протекание химической реакции.

• Калориметрия.

  Любая реакция сопровождается тепловым эффектом ($ \Delta H $), то есть выделением или поглощением тепла. Даже если это изменение очень мало и незаметно на ощупь, его можно измерить с помощью высокочувствительного прибора — калориметра. Ненулевой тепловой эффект является признаком протекания реакции.

Ответ: Протекание химической реакции при отсутствии видимых признаков можно обнаружить с помощью инструментальных методов анализа. К ним относятся методы, основанные на измерении физических свойств системы (pH, электропроводность, показатель преломления, оптическая активность), спектроскопия (ИК, УФ, ЯМР), хроматография (ГХ, ВЭЖХ), масс-спектрометрия и калориметрия. Эти методы позволяют зафиксировать изменение химического состава или физических и энергетических характеристик системы, что является неопровержимым доказательством протекания реакции.

Составьте презентацию об использовании гашёной извести.

Ниже представлена структура и содержание презентации на тему «Использование гашёной извести».

Слайд 1: Что такое гашёная известь?

Гашёная известь, также известная как гидроксид кальция или «пушонка», — это неорганическое химическое соединение с формулой $Ca(OH)_2$.

Её получают путём гашения негашёной извести (оксида кальция, $CaO$) водой. Реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества тепла:
$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + Q$

Физически представляет собой белый мелкокристаллический порошок, который плохо растворяется в воде. Насыщенный водный раствор гидроксида кальция называется известковой водой, а суспензия (взвесь) в воде — известковым молоком.

Ответ: Гашёная известь (гидроксид кальция, $Ca(OH)_2$) — это продукт реакции оксида кальция с водой, представляющий собой белый порошок и широко используемый в различных отраслях благодаря своим щелочным и вяжущим свойствам.

Слайд 2: Применение в строительстве

Строительство — одна из главных сфер применения гашёной извести.

• Строительные растворы: Гашёная известь является основным компонентом известковых штукатурных и кладочных растворов. Смешанная с песком и водой, она образует пластичную массу, которая со временем твердеет на воздухе.
• Процесс твердения: Отвердевание раствора происходит за счёт химической реакции с углекислым газом ($CO_2$), содержащимся в воздухе. В результате образуется прочный и долговечный карбонат кальция ($CaCO_3$):
  $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$
• Побелка: Известковое молоко используется для побелки стен, потолков, а также для защиты деревянных элементов от гниения и возгорания. Это один из самых дешёвых и экологичных видов отделки.
• Производство стройматериалов: Гашёная известь используется при производстве силикатного кирпича и ячеистых бетонов (газобетон, пенобетон).

Ответ: В строительной сфере гашёная известь используется для приготовления вяжущих растворов и штукатурок, для побелки поверхностей и в производстве таких материалов, как силикатный кирпич и газобетон.

Слайд 3: Применение в сельском хозяйстве и садоводстве

Благодаря своим свойствам гашёная известь незаменима для садоводов и аграриев.

• Известкование почвы: Внесение извести-пушонки в кислые почвы позволяет нейтрализовать избыточную кислотность (повысить уровень pH). Это улучшает структуру почвы, активизирует деятельность полезных микроорганизмов и делает питательные вещества более доступными для растений.
• Защита растений:
  • Побелка стволов плодовых деревьев осенью и весной защищает кору от солнечных ожогов, резких перепадов температур (морозобоин) и уничтожает зимующих в трещинах коры вредителей.
  • Является компонентом бордоской жидкости (смесь с раствором медного купороса), которая является эффективным фунгицидом для борьбы с грибковыми заболеваниями (фитофтороз, парша и др.).
• Дезинфекция: Известковым молоком обрабатывают погреба, подвалы, теплицы и животноводческие помещения для уничтожения плесени, грибков и болезнетворных микроорганизмов.

Ответ: В сельском хозяйстве и садоводстве гашёную известь применяют для снижения кислотности почв, для защиты растений от болезней, вредителей и неблагоприятных погодных условий, а также для дезинфекции помещений.

Слайд 4: Применение в промышленности и экологии

Гидроксид кальция — важное сырьё во многих промышленных и экологических процессах.

• Химическая промышленность: Используется для синтеза других соединений, таких как каустическая сода, хлорная известь («хлорка»), а также для нейтрализации кислых растворов.
• Водоподготовка: Применяется для умягчения воды. Гидроксид кальция осаждает ионы кальция и магния, вызывающие карбонатную (временную) жёсткость воды. Также используется как флокулянт в очистке сточных вод, помогая примесям оседать.
• Пищевая промышленность: Зарегистрирована как пищевая добавка E526. Применяется в производстве сахара для очистки свекловичного сока, а также в некоторых других технологических процессах как регулятор кислотности.
• Охрана окружающей среды: Гашёную известь используют в установках для очистки дымовых газов на ТЭЦ и заводах. Она вступает в реакцию с диоксидом серы ($SO_2$), предотвращая его выброс в атмосферу и образование кислотных дождей.
  $Ca(OH)_2 + SO_2 \rightarrow CaSO_3 \downarrow + H_2O$

Ответ: В промышленности и экологии гашёная известь используется в химическом синтезе, для очистки питьевой и сточной воды, в пищевой промышленности (добавка E526, производство сахара) и для очистки промышленных газов от вредных примесей.

Слайд 5: Другие области применения и техника безопасности

Существуют и другие, более узкие сферы применения гашёной извести.

• Кожевенное производство: Используется на этапе подготовки шкур для удаления волосяного покрова.
• Стоматология: Применяется в эндодонтии (лечение корневых каналов) как антибактериальный препарат и материал, стимулирующий восстановление твёрдых тканей зуба.

Техника безопасности:
Гашёная известь — едкое щелочное вещество. При работе с ней необходимо строго соблюдать меры предосторожности:

• Использовать защитные очки для предотвращения попадания в глаза, что может вызвать сильный химический ожог и потерю зрения.
• Защищать кожу рук перчатками.
• При работе с сухим порошком использовать респиратор или маску для защиты органов дыхания от пыли.

Ответ: Гашёная известь также находит применение в кожевенной промышленности и стоматологии; при работе с ней обязательно использование средств индивидуальной защиты (очки, перчатки, респиратор), так как она является едким веществом.