Волшебное яйцо, страница 33, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

"Волшебное яйцо".

В высокий химический стакан или широкий цилиндр наливают 5%-ный раствор соляной кислоты, или можно заменить ее уксусной кислотой. Затем в раствор опускают неочищенное куриное яйцо, которое вначале опускается на дно сосуда. Однако через некоторое время на поверхности скорлупы появляются пузырьки углекислого газа (вследствие реакции карбоната кальция скорлупы с соляной кислотой) и увлекают яйцо вверх. На поверхности пузырьки газа лопаются, и яйцо вновь "ныряет на дно". Процесс протекает до тех пор, пока не растворится скорлупа.

Примечание. Если яйцо окажется слишком тяжелым, то для увеличения плотности раствора в него следует добавить поваренную соль.

1. Почему яйцо тонет вначале?

В начале эксперимента сырое куриное яйцо опускается на дно сосуда с раствором кислоты. Это происходит потому, что средняя плотность яйца больше, чем плотность 5%-го раствора соляной или уксусной кислоты. Согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненной жидкости. Если сила тяжести, действующая на тело, больше выталкивающей силы, тело тонет. В данном случае $F_{тяжести} > F_{Архимеда}$, поэтому яйцо опускается на дно.

Ответ: Яйцо тонет, потому что его средняя плотность больше плотности раствора кислоты, следовательно, действующая на него сила тяжести превышает выталкивающую силу.

2. Какая химическая реакция происходит?

Яичная скорлупа примерно на 90% состоит из карбоната кальция ($CaCO_3$). При погружении в кислоту происходит химическая реакция нейтрализации. Карбонат кальция реагирует с кислотой, в результате чего образуются соль, вода и углекислый газ ($CO_2$). Пузырьки, которые появляются на скорлупе, — это и есть углекислый газ.

Уравнение реакции с соляной кислотой ($HCl$):

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2o + CO_2 \uparrow$

Уравнение реакции с уксусной кислотой ($CH_3COOH$):

$CaCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow Ca(CH_3COO)_2 + H_2o + CO_2 \uparrow$

Ответ: Происходит реакция между карбонатом кальция ($CaCO_3$) из яичной скорлупы и кислотой, в результате которой выделяется углекислый газ ($CO_2$).

3. Почему яйцо всплывает?

Образующиеся в ходе реакции пузырьки углекислого газа прилипают к поверхности яичной скорлупы. Эти пузырьки увеличивают общий объем системы "яйцо + пузырьки", не оказывая при этом существенного влияния на ее массу. Средняя плотность этой системы ( $\rho_{системы} = \frac{m_{яйца}}{V_{яйца} + V_{пузырьков}}$ ) уменьшается. Когда средняя плотность системы становится меньше плотности раствора кислоты, выталкивающая сила Архимеда ($F_{Архимеда} = \rho_{жидкости} \cdot g \cdot V_{погруж}$ ) становится больше силы тяжести, и яйцо начинает подниматься на поверхность.

Ответ: Яйцо всплывает, потому что прилипшие к нему пузырьки углекислого газа уменьшают среднюю плотность системы "яйцо-газ" до значения, меньшего, чем плотность раствора, в результате чего выталкивающая сила начинает превышать силу тяжести.

4. Почему яйцо снова тонет?

Достигнув поверхности жидкости, яйцо оказывается в контакте с воздухом. Пузырьки углекислого газа, удерживаемые на скорлупе силами поверхностного натяжения, лопаются. Газ улетучивается в атмосферу. В результате яйцо теряет дополнительный объем, который обеспечивали пузырьки. Его средняя плотность снова становится больше плотности раствора кислоты. Сила тяжести вновь превышает выталкивающую силу, и яйцо "ныряет" на дно. Там реакция продолжается, на скорлупе снова накапливаются пузырьки газа, и цикл повторяется до тех пор, пока вся скорлупа не растворится.

Ответ: На поверхности жидкости пузырьки газа лопаются, средняя плотность яйца снова становится больше плотности раствора, и оно тонет под действием силы тяжести.

5. Зачем добавлять поваренную соль?

В примечании указано, что если яйцо слишком тяжелое, в раствор следует добавить поваренную соль ($NaCl$). Это делается для увеличения плотности раствора. Растворение соли в воде увеличивает массу раствора в том же объеме, а следовательно, и его плотность. Согласно формуле силы Архимеда ($F_{Архимеда} = \rho_{жидкости} \cdot g \cdot V_{погруж}$), чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила, действующая на погруженное тело. Увеличение выталкивающей силы помогает "подтолкнуть" яйцо вверх, компенсируя его большую массу.

Ответ: Добавление поваренной соли увеличивает плотность раствора, что, в свою очередь, увеличивает выталкивающую силу, действующую на яйцо, и помогает ему всплыть.