Страница 128 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

7. Выполните домашний эксперимент «Силикатный сад».

Реактивы и оборудование: соли — медный купорос, железный купорос (их можно приобрести в магазине товаров для сада и огорода), силикатный клей (1—2 тюбика), несколько баночек из бесцветного стекла (сколько солей возьмёте для опытов, столько нужно и баночек).

Ход работы. Разбавьте клей водой (1 : 1). Налейте раствор в баночки из бесцветного стекла. На донышки предварительно положите несколько крупных кристаллов одной из указанных солей. В течение нескольких дней наблюдайте за происходящими изменениями. Напишите отчёт о проделанной работе. Не забудьте про уравнения реакций!

Отчёт о выполнении домашнего эксперимента «Силикатный сад»

Цель работы: изучить и наглядно продемонстрировать процесс образования нерастворимых силикатов металлов, наблюдая за ростом полых нитевидных структур, напоминающих подводные растения, в растворе силикатного клея.

Реактивы и оборудование:

• Соль 1: Медный купорос (сульфат меди(II), пентагидрат) — $CuSO_4 \cdot 5H_2O$.
• Соль 2: Железный купорос (сульфат железа(II), гептагидрат) — $FeSO_4 \cdot 7H_2O$.
• Силикатный клей (водный раствор силиката натрия $Na_2SiO_3$).
• Вода ($H_2O$).
• Две баночки из бесцветного стекла.
• Палочка для перемешивания.

Ход работы:

1. Был подготовлен рабочий раствор путем разбавления силикатного клея водой в соотношении примерно 1:1. Раствор тщательно перемешан до однородности.
2. Полученный раствор был разлит в две стеклянные баночки, заполняя их примерно на 3/4 объема.
3. В первую баночку на дно были аккуратно помещены несколько крупных кристаллов медного купороса.
4. Во вторую баночку аналогичным образом были помещены несколько кристаллов железного купороса.
5. Баночки были оставлены в спокойном месте для наблюдения за изменениями в течение нескольких дней.

Наблюдения и объяснение процесса:

Почти сразу после помещения кристаллов солей в раствор силикатного клея начинается их взаимодействие. На поверхности каждого кристалла образуется тонкая пленка нерастворимого в воде силиката соответствующего металла. Например, для медного купороса это силикат меди($II$), а для железного — силикат железа($II$).

Эта пленка является полупроницаемой мембраной: она пропускает молекулы воды, но не пропускает ионы соли из кристалла и ионы силиката из раствора. Внутри этой оболочки, по мере растворения кристалла, создается концентрированный раствор соли ($CuSO_4$ или $FeSO_4$), в то время как снаружи находится более разбавленный раствор силикатного клея. Из-за разницы концентраций возникает явление осмоса: вода из внешнего раствора устремляется внутрь полупроницаемой оболочки, чтобы разбавить находящийся там концентрированный раствор соли.

Приток воды создает внутри оболочки избыточное осмотическое давление. Когда давление становится достаточно большим, мембрана в самом слабом месте разрывается. Через разрыв вырывается струйка концентрированного раствора соли, которая тут же вступает в реакцию с окружающим силикатом натрия, образуя новую порцию нерастворимого силиката. Этот процесс многократно повторяется, что приводит к росту полых, извивающихся "ветвей" или "водорослей" вверх (поскольку плотность раствора соли внутри них обычно ниже плотности окружающего раствора силикатного клея).

• В баночке с медным купоросом ($CuSO_4$): наблюдался рост красивых сине-голубых ветвящихся структур, напоминающих морские водоросли. Цвет обусловлен образованием силиката меди($II$) $CuSiO_3$.
• В баночке с железным купоросом ($FeSO_4$): изначально росли белесые или бледно-зеленые "водоросли", состоящие из силиката железа($II$) $FeSiO_3$. Однако со временем, под действием растворенного в воде кислорода, двухвалентное железо ($Fe^{2+}$) окислялось до трехвалентного ($Fe^{3+}$), и цвет структур менялся на желтовато-бурый или ржаво-коричневый из-за образования гидроксосиликатов железа($III$).

Уравнения реакций:

Основной процесс, лежащий в основе роста "силикатного сада", — это реакция ионного обмена между раствором соли тяжелого металла и раствором силиката натрия:

• Реакция с медным купоросом: $CuSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow CuSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$
  В ионном виде: $Cu^{2+} + SiO_3^{2-} \rightarrow CuSiO_3\downarrow$
  Образуется осадок силиката меди(II) синего цвета.
• Реакция с железным купоросом: $FeSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow FeSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$
  В ионном виде: $Fe^{2+} + SiO_3^{2-} \rightarrow FeSiO_3\downarrow$
  Образуется осадок силиката железа(II) белого или бледно-зеленого цвета.
• Процесс окисления силиката железа(II) кислородом воздуха (упрощенная схема): $4FeSiO_3 + O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3\downarrow + 4SiO_2$
  Образующийся гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$ имеет характерный бурый цвет.

Ответ: В ходе домашнего эксперимента «Силикатный сад» был составлен отчет о проделанной работе. Было установлено, что при помещении кристаллов солей меди(II) и железа(II) в разбавленный раствор силикатного клея наблюдается рост причудливых полых структур. Этот эффект объясняется осмосом, возникающим из-за образования на поверхности кристаллов полупроницаемой мембраны нерастворимых силикатов металлов ($CuSiO_3$ и $FeSiO_3$). Внутреннее давление разрывает мембрану, что приводит к росту цветных "водорослей": сине-голубых в случае медного купороса и зеленоватых, переходящих в бурые, в случае железного купороса. Химическая основа процесса — реакции ионного обмена: $CuSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow CuSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$ и $FeSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow FeSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$.

8. Как вы думаете, почему углерод называют главным элементом живой природы, а кремний — основным элементом неживой природы?

Углерод называют главным элементом живой природы по следующим причинам:

• Уникальная способность к образованию связей. Атом углерода имеет валентность IV, что позволяет ему образовывать четыре прочные ковалентные связи. Это свойство является ключевым для построения сложных молекулярных структур.

• Способность к катенации. Атомы углерода могут соединяться друг с другом, образуя длинные и устойчивые цепи и кольца. Это создает "скелеты" для огромного разнообразия органических молекул, таких как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты, которые являются строительными блоками всего живого.

• Прочность и динамичность связей. Связи углерод-углерод (С-С) и углерод-водород (С-Н) достаточно прочны, чтобы молекулы были стабильными, но в то же время они могут разрываться и реформироваться в ходе метаболических реакций, обеспечивая динамику жизненных процессов.

• Разнообразие соединений. Углерод легко образует прочные связи с другими важными для жизни элементами — кислородом (O), водородом (H), азотом (N), фосфором (P) и серой (S). Это позволяет создавать бесчисленное множество соединений с различными функциональными группами, которые определяют их биологические функции.

• Свойства оксида. Оксид углерода(IV), или углекислый газ ($CO_2$), является газом, растворимым в воде. Эта особенность критически важна для глобального круговорота углерода: растения поглощают его из атмосферы в процессе фотосинтеза, а животные выделяют в процессе дыхания. Газообразная форма обеспечивает легкий обмен между организмами и средой.

Ответ: Углерод является главным элементом живой природы благодаря своей уникальной способности образовывать огромное количество сложных, стабильных и разнообразных по строению и функциям органических молекул, которые служат основой структуры и жизнедеятельности всех живых организмов.

Кремний называют основным элементом неживой природы по следующим причинам:

• Распространенность. Кремний — второй по распространенности химический элемент в земной коре после кислорода, составляя около 28% ее массы. Он является основой большей части литосферы.

• Формы существования. В природе кремний встречается не в свободном виде, а в форме очень устойчивых соединений, главным образом оксида кремния(IV) ($SiO_2$) — кремнезёма (кварц, песок, кремень) — и различных силикатов и алюмосиликатов. Эти соединения являются основными компонентами большинства горных пород, глин и почв.

• Свойства соединений. В отличие от углерода, связи кремний-кремний (Si-Si) значительно слабее и менее устойчивы, поэтому кремний не способен образовывать длинные и стабильные цепи, подобные углеродным. Его оксид, $SiO_2$, представляет собой тугоплавкое, твердое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Эта чрезвычайная стабильность и твердость как раз и определяет его роль в качестве структурной основы "косного" вещества планеты — гор и минералов.

• Сравнение с углеродом. Если газообразный $CO_2$ обеспечивает динамичный обмен в биосфере, то твердый и химически инертный $SiO_2$ обеспечивает стабильность и долговечность геологических структур неживой природы. Жизненные процессы требуют динамики и постоянных химических превращений, что не могут обеспечить слишком прочные и инертные соединения кремния.

Ответ: Кремний является основным элементом неживой природы, так как его чрезвычайно распространенные и очень стабильные соединения (оксид кремния и силикаты) составляют основу большей части земной коры, формируя горные породы, песок и глины, то есть фундаментальные компоненты неживого мира.

Секрет изготовления этого материала открыли китайские мастера в VI–VII вв. Он стал альтернативой камню, дереву, глине и отличался невероятной красотой и практичностью. Люди говорили, что изделия из этого материала белы, как снег, тонки, как бумага, и прочны, как металл. Секрет изготовления этого материала китайские мастера свято хранили почти тысячу лет. Того, кто дерзнул бы выдать этот секрет, ждала неминуемая смерть.

О каком материале идёт речь? Какие изделия из него есть у вас дома?

О каком материале идёт речь?

В тексте идёт речь о фарфоре. На это указывает совокупность всех приведённых фактов:

• Происхождение и время: Фарфор был изобретён в Китае именно в период, указанный в тексте (VI–VII вв., во времена династий Суй и Тан), хотя его предшественник, прото-фарфор, появился ещё раньше.
• Свойства: Описание «белы, как снег, тонки, как бумага, и прочны, как металл» — это классическая характеристика высококачественного китайского фарфора. Он ценился за свою белизну, возможность создавать из него изделия с очень тонкими стенками (которые даже могли просвечивать на свету) и исключительную твёрдость и прочность после обжига, в отличие от обычной керамики.
• Альтернатива другим материалам: Фарфор действительно стал изысканной и практичной альтернативой изделиям из глины, дерева и даже некоторым изделиям из камня и металла (например, посуде).
• Хранение секрета: Китайские императоры веками держали технологию производства фарфора в строжайшей тайне, так как он был одним из важнейших и ценнейших экспортных товаров. Разглашение секрета каралось смертью. Европа смогла разгадать эту тайну и наладить собственное производство только в начале XVIII века.

Ответ: Речь идёт о фарфоре.

Какие изделия из него есть у вас дома?

Фарфор — популярный материал для изготовления посуды и предметов декора, поэтому во многих домах можно встретить изделия из него. Наиболее распространёнными примерами являются:

• Посуда: чайные и кофейные сервизы (чашки, блюдца, чайники, сахарницы), столовые тарелки, супницы, салатники.
• Предметы интерьера: декоративные вазы, статуэтки, шкатулки, подсвечники.
• Технические и другие изделия: в некоторых случаях из фарфора делают изоляторы для электропроводки или даже зубные коронки, но в быту чаще всего встречаются именно посуда и декор.

Ответ: Примерами изделий из фарфора, которые могут быть дома, являются: посуда (чашки, тарелки, блюдца, чайники), декоративные статуэтки и вазы.