Свойства кислорода, уксусной кислоты и алюминия

Свойства вещества	Вещество
Kислород	Уксусная кислота	Алюминий
Агрегатное состояние при обычных условиях	Газ	Жидкость	Твердое вещество
Цвет	Без цвета	Без цвета	Серебристо-белый
Вкус	Безвкусный	Kислый	Безвкусный
Запах	Не имеет	Резкий специфический	Не имеет
Растворимость в воде	Плохо растворим	Растворима	Практически нерастворим
Теплопроводность	Низкая	Небольшая	Высокая
Электропроводность	Отсутствует	Малая	Высокая

Знание свойств веществ необходимо для их практического применения. Например, на рис. 5 (см.
с. 14) представлены области применения алюминия, обусловленные свойствами этого металла.

Рис. 5. Области применения алюминия, обусловленные его свойствами

Многие вещества – ядовитые, взрывоопасные и горючие, а поэтому требуют осторожного и грамотного отношения при работе с ними. Теперь вам, очевидно, стало понятно, почему химию изучают на более старшей ступени обучения в школе – в 8-м классе.

Наш курс призван подготовить вас к изучению этого серьезного и важного предмета, поэтому он так и называется: «Старт в химию».

Но является ли химия совершенно новой для вас дисциплиной? Об этом вы узнаете из следующих параграфов.

1. Какие учебные предметы относятся к естественным?

2. Приведите примеры положительного воздействия человека на окружающую среду.

3. Приведите примеры отрицательного воздействия человека на природу.

4. Что изучает химия?

5. Из следующего перечня названий выпишите отдельно тела и вещества: снежинка, капля росы, вода, льдинка, сахар-песок, кусочек сахара, мел, школьный мелок. Сколько тел и сколько веществ названо в этом списке?

6. Сравните свойства веществ (т. е. установите общее и различное между ними): а) углекислый газ и кислород; б) азот и углекислый газ; в) сахар и соль; г) уксусная и лимонная кислоты.

7. Какие свойства алюминия лежат в основе его применения?

8. Почему химию начинают изучать позже, чем биологию, географию, физику?

Продолжение. Начало см. в № 1/2006

§ 2. Наблюдение и эксперимент как методы
изучения естествознания и химии

Знания о природе человек получает с помощью такого важнейшего метода, как наблюдение.

Наблюдение – это концентрация внимания на познаваемых объектах с целью их изучения.

С помощью наблюдения человек накапливает информацию об окружающем мире, систематизирует ее и ищет закономерности в этой информации. Следующий важный шаг – поиск причин, которые объясняют найденные закономерности.

Для того чтобы наблюдение было плодотворным, необходимо соблюдать ряд условий.

1. Нужно четко определить предмет наблюдения, на что будет обращено внимание наблюдателя, – конкретное вещество, его свойства или превращение одних веществ в другие, условия осуществления этих превращений и т.д.

2. Наблюдатель должен знать, зачем он проводит наблюдение, т.е. четко сформулировать цель наблюдения.

3. Чтобы достигнуть поставленной цели, можно составить план наблюдения. А для этого лучше выдвинуть предположение о том, как будет происходить наблюдаемое явление, т.е. выдвинуть гипотезу. В переводе с греческого «гипотеза» (hypo'thesis) означает «предположение». Гипотеза может быть выдвинута и в результате наблюдения, т.е. тогда, когда получен какой-то результат, который нужно объяснить.

Научное наблюдение отличается от наблюдения в житейском смысле этого слова. Как правило, научное наблюдение проводится в строго контролируемых условиях, причем условия эти можно изменять по желанию наблюдателя. Чаще всего такое наблюдение проводится в специальном помещении – лаборатории (рис. 6).

Рис. 6. В химической лаборатории

Наблюдение, которое проводится в строго контролируемых условиях, называется экспериментом.

Слово «эксперимент» (experimentum) имеет латинское происхождение и на русский язык переводится как «опыт», «проба». Эксперимент позволяет подтвердить или опровергнуть гипотезу, которая родилась из наблюдения. Так формулируется вывод.

Проведем небольшой эксперимент, с помощью которого изучим строение пламени.

Зажгите свечу и внимательно рассмотрите пламя. Вы заметите, что оно неоднородно по цвету. Пламя имеет три зоны (рис. 7). Темная зона 1 находится в нижней части пламени. Это самая холодная зона по сравнению с другими. Темную зону окаймляет самая яркая часть пламени 2. Температура здесь выше, чем в темной зоне, но наиболее высокая температура – в верхней части пламени 3.

Рис. 7. Строение пламени свечи

Чтобы убедиться, что различные зоны пламени имеют разную температуру, можно провести такой опыт. Поместите лучинку (или спичку) в пламя так, чтобы она пересекала все три зоны. Вы увидите, что лучинка сильнее обуглилась там, где она попала в зоны 2 и 3. Значит, пламя там более горячее.

Возникает вопрос: будет ли пламя спиртовки или сухого горючего иметь такое же строение, как и пламя свечи? Ответом на этот вопрос могут служить два предположения – гипотезы: 1) строение пламени будет таким же, как и пламя свечи, потому что в его основе лежит один и тот же процесс горения; 2) строение пламени будет различным, т.к. оно возникает в результате горения различных веществ. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу, обратимся к эксперименту – проведем опыт.

Исследуем с помощью спички или лучинки строение пламени спиртовки (с устройством этого нагревательного прибора вы познакомитесь при выполнении практической работы) и сухого горючего.

Несмотря на то, что язычки пламени в каждом случае отличаются формой, размерами и даже окраской, все они имеют одинаковое строение – те же три зоны: внутреннюю темную (самую холодную), среднюю светящуюся (горячую) и внешнюю бесцветную (самую горячую).

Следовательно, выводом из проведенного эксперимента может быть утверждение о том, что строение любого пламени одинаково. Практическое значение этого вывода состоит в следующем: для того чтобы нагреть в пламени какой-либо предмет, его надо вносить в самую горячую, т.е. в верхнюю, часть пламени.

Оформлять эксперименты принято в специальном журнале, который называют лабораторным. Для этого подойдет обыкновенная тетрадь, а вот записи в ней делают не совсем обычные. Отмечают дату проведения эксперимента, его название, а ход опыта часто оформляют в виде таблицы.

Что делал	Что наблюдал	Вывод

Попробуйте таким образом описать эксперимент по изучению строения пламени.

Великий Леонардо да Винчи говорил, что науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений.

Все естественные науки – науки экспериментальные. А для постановки эксперимента часто необходимо специальное оборудование. Например, в биологии широко используются оптические приборы, которые позволяют во много раз увеличить изображение наблюдаемого объекта: увеличительное стекло, лупа, микроскоп. Физики при изучении электрических цепей используют приборы для измерения напряжения, силы тока и электрического сопротивления. Ученые-географы имеют специальные приборы – от самых простейших (например, компас, метеорологические зонды) до уникальных космических орбитальных станций и научно-исследовательских судов.

Химики в своих исследованиях также используют специальное оборудование. Простейшее из них – это, например, уже знакомый вам нагревательный прибор спиртовка и различная химическая посуда, в которой проводят и изучают превращения веществ, т.е. химические реакции (рис. 8).

Рис. 8. Лабораторная химическая посуда и оборудование

Справедливо говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. А еще лучше – подержать в руках и научиться пользоваться. Поэтому ваше первое знакомство с химическим оборудованием произойдет во время практической работы, которая вас ожидает на следующем уроке.

1. Что такое наблюдение? Какие условия необходимо соблюдать, чтобы наблюдение было результативным?
2. Чем различаются гипотеза и вывод?
3. Что такое эксперимент?
4. Какое строение имеет пламя?
5. Как следует проводить нагревание?
6. Какое лабораторное оборудование вы применяли при изучении биологии и географии?
7. Какое лабораторное оборудование используется при изучении химии?

Практическая работа № 1.
Знакомство с лабораторным оборудованием.
Правила техники безопасности

Большинство химических опытов проводят в стеклянной посуде. Стекло прозрачно, и вы можете наблюдать, что происходит с веществами. В некоторых случаях стекло заменяют прозрачной пластмассой, она не бьется, но такую посуду, в отличие от стеклянной, нельзя нагревать.

Рис. 9. Штатив с пробирками

Химические реакции проводят в пробирках (рис. 9), плоскодонных (рис. 10) или конических (рис. 11) колбах. Если содержимое пробирки нужно нагреть, пользуются специальными держателями
(рис. 12). Нагревать можно только те колбы, которые сделаны из специального термостойкого стекла. Такую посуду помечают специальным знаком – матовым прямоугольником.

Рис. 10. Плоскодонные колбы	Рис. 11. Конические колбы

Для демонстрационного эксперимента часто используют химические стаканы (рис. 13). Часто стаканы и конические колбы имеют специальные отметки, с их помощью можно приблизительно определить объем находящейся в них жидкости.

Рис. 12. Держатель для пробирок	Рис. 13. Химические стаканы

Круглодонные колбы (рис. 14) нельзя поставить на стол, их закрепляют на металлических стойках – штативах (рис. 15) – с помощью лапок. Лапки, а также металлические кольца крепят на штативе специальными зажимами. В круглодонных колбах удобно получать какие-либо вещества, например газообразные. Для того чтобы собирать образующиеся газы, используют колбу с отводом (ее называют колбой Вюрца (рис. 16)) или пробирку с газоотводной трубкой.

Рис. 14. Круглодонная колба	Рис. 15. Штатив с кольцом, лапкой и зажимами

Если образующиеся газообразные вещества нужно охладить, сконденсировать в жидкость, используют стеклянный холодильник (рис. 17). По его внутренней трубке движутся охлаждаемые газы, превращаясь в жидкость под действием холодной воды, которая течет по «рубашке» холодильника в обратном направлении.

Рис. 16. Колба Вюрца	Рис. 17. Стеклянные холодильники

Конусные воронки (рис. 18) служат для переливания жидкостей из одного сосуда в другой, они также незаменимы в процессе фильтрования. Вы, наверное, знаете, что фильтрованием называют процесс отделения жидкости от частиц твердого вещества.

Рис. 18. Конусные воронки

Для разделения двух несмешивающихся жидкостей, например бензина и воды, служат делительные воронки (рис. 19). Нижний слой более тяжелой жидкости сливается с помощью краника через нижнюю трубку, жидкость с меньшей плотностью остается в воронке.

Рис. 19. Делительные воронки

Посуда с толстыми стенками, похожая на глубокую тарелку, называется кристаллизатором (рис. 20). Из-за большой площади поверхности налитого в кристаллизатор раствора растворитель быстро испаряется, растворенное вещество выделяется в виде кристаллов. Нагревать кристаллизатор нельзя ни в коем случае: его стенки только кажутся прочными, на самом деле при нагревании он обязательно треснет.

Рис. 20. Кристаллизаторы

При выполнении химического эксперимента часто приходится отмерять необходимый объем жидкости. Чаще всего для этого используют мерные цилиндры (рис. 21).

Рис. 21. Мерные цилиндры

Помимо стеклянной посуды в школьной химической лаборатории есть посуда фарфоровая. В ступке пестиком (рис. 22) измельчают кристаллические вещества. Стеклянная посуда для этого не подходит: от давления пестика она сразу расколется.

Рис. 22. Ступка с пестиком

Стенки фарфоровой чашки гладкие и блестящие (рис. 23). Она похожа на маленький кристаллизатор, и нагревать ее можно даже на открытом пламени до полного выпаривания раствора.

Рис. 23. Фарфоровая чашка

Чтобы избежать неприятностей и травм, каждый предмет нужно использовать строго по назначению, знать, как с ним обращаться. Химический эксперимент будет действительно безопасным, поучительным и интересным, если соблюдать меры предосторожности при работе с химической посудой, реактивами, оборудованием. Эти меры называются правилами техники безопасности.

Кабинет химии – необычный кабинет. Значит, и требования к вам здесь особенные. Например, в химическом кабинете ни в коем случае нельзя есть, поскольку многие из веществ, с которыми вы будете работать, ядовиты.

От других кабинетов химический отличается тем, что здесь есть вытяжной шкаф (рис. 24). Многие вещества имеют резкий неприятный запах, их пары не безвредны для здоровья. С такими веществами работают в вытяжном шкафу, из которого газообразные вещества попадают прямо на улицу.

Рис. 24. Вытяжной шкаф

Для защиты глаз при проведении особо опасных опытов используют защитные очки (рис. 25).

Рис. 25. Защитные очки

Склянку с реактивом нужно брать так, чтобы этикетка оказалась в ладони. Это делается для того, чтобы случайные потеки не испортили надпись.

Некоторые химические вещества ядовиты, есть реактивы, разъедающие кожу, многие вещества легко воспламеняются. Предупреждают об этом специальные знаки на этикетках (рис. 26, см. с. 7).

Рис. 26. Правила работы в химической лаборатории регулируются специальными знаками

Не приступайте к эксперименту, если точно не знаете, что и как нужно делать. Работать надо, строго соблюдая инструкцию и только с теми веществами, которые для опыта необходимы.

Подготовьте рабочее место, рационально разместите реактивы, посуду, принадлежности, чтобы не пришлось тянуться через стол, опрокидывая рукавом колбы и пробирки. Не загромождайте стол тем, что не потребуется для эксперимента.

Опыты нужно проводить только в чистой посуде, а значит, после работы ее нужно тщательно вымыть. Заодно вымойте руки.

Все манипуляции нужно проводить над столом.

Чтобы определить запах вещества, не подносите сосуд близко к лицу, а подгоните рукой воздух от отверстия сосуда к носу (рис. 27).

Рис. 27. Определение запаха веществ

Никакие вещества нельзя пробовать на вкус!

Никогда не выливайте излишек реактива обратно в склянку. Пользуйтесь для этого специальным стаканом для отходов. Рассыпанные твердые вещества тоже нежелательно собирать обратно, тем более руками.

Если вы нечаянно обожглись, порезались, разлили реактив на стол, на руки или на одежду, сразу обращайтесь к учителю или лаборанту.

Закончив эксперимент, приведите рабочее место в порядок.

Практическая работа № 2.
Наблюдение за горящей свечой

Казалось бы, что можно написать о таком простом объекте наблюдения, как горящая свеча? Однако наблюдательность – это не только способность видеть, это способность обращать внимание на детали, сосредоточенность, умение анализировать, порой даже обыкновенная настойчивость. Великий английский физик и химик М.Фарадей писал: «Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания».

Цель данной практической работы – научиться наблюдать и описывать результаты наблюдения. Вам предстоит написать небольшое сочинение-миниатюру про горящую свечу (рис. 28). Чтобы помочь вам в этом, предлагаем несколько вопросов, на которые нужно дать подробные ответы.

Рис. 28. Горящая свеча

Опишите внешний вид свечи, вещество, из которого она изготовлена (цвет, запах, ощущение на ощупь, твердость), фитиль.

Зажгите свечу. Опишите внешний вид и строение пламени. Что происходит с материалом свечи при горении фитиля? Как выглядит фитиль в процессе горения? Нагревается ли свеча, слышен ли звук при горении, выделяется ли тепло? Что происходит с пламенем, если появляется движение воздуха?

Как быстро сгорает свеча? Изменяется ли длина фитиля в процессе горения? Что представляет собой жидкость у основания фитиля? Что с ней происходит, когда она поглощается материалом фитиля? А когда ее капли стекают вниз по свече?

Многие химические процессы протекают при нагревании, однако пламя свечи для этой цели не используется. Поэтому во второй части этой практической работы познакомимся с устройством и работой уже знакомого вам нагревательного прибора – спиртовки (рис. 29). Спиртовка состоит из стеклянного резервуара 1, который заполняют спиртом не более чем на 2/3 объема. В спирт погружен фитиль 2, который сделан из хлопчатобумажных нитей. Он удерживается в горлышке резервуара с помощью специальной трубочки с диском 3. Зажигают спиртовку только с помощью спичек, для этой цели нельзя использовать другую горящую спиртовку, т.к. при этом может разлиться и вспыхнуть пролитый спирт. Фитиль необходимо ровно обрезать ножницами, в противном случае он начинает обгорать. Чтобы потушить спиртовку, нельзя дуть на пламя, для этой цели служит стеклянный колпачок 4. Он же предохраняет спиртовку от быстрого испарения спирта.

Рис. 29. Устройство спиртовки

Моделирование

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование.

Мы уже говорили о том, что одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов.

Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е. моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Слово «модель» имеет франко-итальянские корни и переводится на русский как «образец». Моделирование – это изучение некоторого явления с помощью его моделей, т.е. заменителей, аналогов.

Например, для того чтобы изучить молнию (природное явление), ученым не нужно было дожидаться непогоды. Молнию можно смоделировать на уроке физики и в школьной лаборатории. Двум металлическим шарикам нужно сообщить противоположные электрические заряды – положительный и отрицательный. При сближении шариков до определенного расстояния между ними проскакивает искра – это и есть молния в миниатюре. Чем больше заряд на шариках, тем раньше при сближении проскакивает искра, тем длиннее искусственная молния. Такую молнию получают с помощью специального прибора, который называется электрофорной машиной.

Изучение модели позволило ученым определить, что природная молния – это гигантский электрический разряд между двумя грозовыми облаками или между облаками и землей. Однако настоящий ученый стремится найти практическое применение каждому изучаемому явлению. Чем мощнее электрическая молния, тем выше ее температура. А ведь превращение электрической энергии в теплоту можно «укротить» и использовать, например, для сварки и резки металлов. Так родился знакомый сегодня каждому процесс электросварки.

Каждая естественная наука использует свои модели, которые помогают зримо представить себе реальное природное явление или объект.

Самая известная географическая модель – глобус. Это миниатюрное объемное изображение нашей планеты, с помощью которой вы можете изучать расположение материков и океанов, стран и континентов, гор и морей. Если же изображение земной поверхности нанести на лист бумаги, то такая модель называется картой.

Моделирование в физике используется особенно широко. На уроках по этому предмету вы будете знакомиться с самыми разными моделями, которые помогут вам изучить электрические и магнитные явления, закономерности движения тел, оптические явления.

При изучении биологии модели также широко используются. Достаточно упомянуть, например, модели – муляжи цветка, органов человека и т.д.

Не менее важно моделирование и в химии. Условно химические модели можно разделить на две группы: материальные и знаковые (или символьные).

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Вы, наверное, видели изображение модели атома, напоминающее строение Солнечной системы (рис. 30).

Рис. 30. Модель строения атома

Для моделирования молекул химических веществ используют шаростержневые или объемные модели. Их собирают из шариков, символизирующих отдельные атомы. Различие состоит в том, в шаростержневых моделях шарики-атомы расположены друг от друга на некотором расстоянии и скреплены друг с другом стерженьками. Например, шаростержневая и объемная модели молекул воды показаны на рис. 31.

Рис. 31. Шаростержневая и объемная модели молекулы воды

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии (рис. 32).

Рис. 32. Модель кристалла меди

Однако чаще всего химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями – это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций.

Разговаривать на химическом языке, языке знаков и формул, вы начнете уже со следующего урока.

1. Что такое модель и что – моделирование?

2. Приведите примеры: а) географических моделей; б) физических моделей; в) биологических моделей.

3. Какие модели используют в химии?

4. Изготовьте из пластилина шаростержневые и объемные модели молекул воды. Какую форму имеют эти молекулы?

5. Запишите формулу цветка крестоцветных, если вы изучали это семейство растений на уроках биологии. Можно ли назвать эту формулу моделью?

6. Запишите уравнение для расчета скорости движения тела, если известны путь и время, за которое он пройден телом. Можно ли назвать это уравнение моделью?

Химические знаки и формулы

К символьным моделям в химии относят знаки или символы химических элементов, формулы веществ и уравнения химических реакций, которые лежат в основе «химической письменности». Ее основоположником является шведский химик Йенс Якоб Берцелиус. Письменность Берцелиуса строится на важнейшем из химических понятий – «химический элемент». Химическим элементом называют вид одинаковых атомов.

Берцелиус предложил обозначать химические элементы первой буквой их латинских названий. Так символом кислорода стала первая буква его латинского названия: кислород – О (читается «о», т.к. латинское название этого элемента oxygenium). Соответственно водород получил символ H (читается «аш», т.к. латинское название этого элемента hydrogenium), углерод – С (читается «цэ», т.к. латинское название этого элемента carboneum). Однако латинские названия хрома (chromium), хлора (chlorum) и меди (cuprum) так же, как и углерода, начинаются на «С». Как же быть? Берцелиус предложил гениальное решение: такие символы записывать первой и одной из последующих букв, чаще всего второй. Так, хром обозначается Сr (читается «хром»), хлор – Cl (читается «хлор»), медь – Cu (читается «купрум»).

Й.Я.Берцелиус (1779–1848)

Русские и латинские названия, знаки 20 химических элементов и их произношения приведены в табл. 2.

В нашей таблице уместилось всего 20 элементов. Чтобы увидеть все 110 элементов, известных на сегодняшний день, нужно посмотреть в таблицу химических элементов Д.И.Менделеева.

Таблица 2