Фізичні та хімічні явища. Хімічні реакції та явища, що їх супроводжують

Тема 1 Початкові хімічні поняття

& 13. Фізичні та хімічні явища. Хімічні реакції та явища, що їх супроводжують

Опанувавши цю тему, ви зможете:

– розуміти суть фізичних і хімічних явищ, розрізняти їх;

– наводити приклади хімічних явищ, що відбуваються в природі й побуті;

– спостерігати перебіг хімічних реакцій за певними зовнішніми ознаками;

– проводити самостійно лабораторні досліди, характеризувати їх перебіг, описувати спостереження, робити висновки;

– формувати навички й набувати досвіду в експериментальному

дослідженні речовин і їхніх властивостей.

– Пригадайте з курсу природознавства, що називають явищами. Перелічіть відомі вам групи явищ.

Фізичні та хімічні явища (перетворення). У світі, що нас оточує, відбуваються постійні зміни. Як вам уже відомо, їх називають явищами.

Вивчення в курсі природознавства теми “Світ явищ, у якому живе людина” дало вам можливість ширше ознайомитися з фізичними явищами – механічними, звуковими, тепловими, світловими (рис. 46), магнітними й електричними – і деякими їх характеристиками.

– Наведіть приклади вищеперелічених фізичних явищ.

Поміркуйте й дайте відповідь на запитання: чи відбувається під час цих явищ руйнування одних речовин і утворення інших?

Очевидно, що ні. Отже, поява інею на деревах у вологу, холодну пору, зменшення вмісту води у водоймах у бездощову погоду та випадання дощу – це явища, пов’язані зі зміною агрегатного стану води внаслідок зміни температурних умов у природі.

Рис. 46. Блискавка

– Чи можна такі зміни з перетворенням води спостерігати в побуті? Як їх здійснити?

Ви вже знаєте, що іній, водяна пара, вода – це одна й та сама речовина, складу молекули якої відповідає хімічна формула Н2О.

За кімнатної температури йод – тверда, кристалічна, темно-фіолетового кольору зі слабким блиском речовина. У разі нагрівання кристали йоду одразу ж перетворюються на пару насиченого фіолетового кольору, а охолоджуючись, пара знову кристалізується (минаючи рідкий стан). Ці перетворення теж не пов’язані зі зміною складу речовини: і у твердому, і в газоподібному етапі молекули йоду складаються з двох атомів, що відповідає формулі І2.

– Назвіть відомі вам з побуту скляні вироби.

Виробництво скляних виробів базується на наданні їм різної форми. Склад скла залишається незмінним. Здатність деяких речовин розширюватися або стискатися зі зміною температур – це також фізичні зміни.

Пригадайте, які ознаки є проявом фізичних властивостей речовин.

Отже, до фізичних властивостей, завдяки яким ми можемо спостерігати фізичні явища, належать: зміна форми, колір, запах, смак, блиск, густина, електро – й теплопровідність, температури плавлення й кипіння, пластичність тощо. Їхня наявність не змінює склад речовини.

Однак хімія вивчає хімічні явища, під час яких руйнуються одні речовини й утворюються інші. Наприклад, відоме вам з побуту явище – горіння природного газу, який складається переважно з молекул органічної речовини метану СН4 (рис. 47). Цей процес відбувається за наявності газу кисню.

Дослідимо експериментально, що ж утворюється внаслідок згоряння метану. Проведемо демонстраційний дослід і виконаємо такі дії.

1. Потримаємо кілька секунд над полум’ям холодний предмет. На ньому конденсуються крапельки води. Це означає, що в процесі згоряння метану утворюється водяна пара (рис. 48).

Рис. 47. Горіння природного газу

Рис. 48. Утворення води

2. Змочимо пробірку вапняною водою (розчин вапна у воді) і знову потримаємо деякий час над полум’ям згораючого метану. Стінки пробірки швидко мутніють. Це ознака наявності в продуктах горіння вуглекислого газу.

Отже, унаслідок взаємодії метану з киснем утворилися дві речовини: вода й вуглекислий газ. Інакше кажучи, зруйнувалися молекули метану й кисню та утворилися молекули води й вуглекислого газу (рис. 49).

Рис. 49. Схема перетворень під час горіння метану:

А – молекула метану; б – дві молекули кисню; в – атом Карбону; г – чотири атоми Гідрогену; Г – чотири атоми Оксигену; д – молекула вуглекислого газу; с – дві молекули води

За нагрівання порошку заліза із сіркою утворюється складна кристалічна речовина – ферум(ІІ) сульфід, що проявляє зовсім інші властивості, ніж вихідні речовини (рис. 50).

Рис. 50. Схема утворення ферум(ІІ) сульфіду: а – сірка; 6 – залізо; в – ферум(ІІ) сульфід

Перетворення, під час яких відбувається руйнування одних речовин і утворення інших, називають хімічними явищами або хімічними реакціями.

Для будівельних потреб використовують вапно (хімічна назва кальцій гідроксид, формула – Са(ОН)2. Щоб його отримати, треба провести дві реакції: 1) розклад вапняку СаСО3 (кальцій карбонат) з метою добування негашеного вапна СаО (кальцій оксид) і 2) сполучення кальцій оксиду з водою (як кажуть, “погасити вапно”).

Отже, ми бачимо, що під час перебігу хімічних реакцій завжди є речовини, що вступають у реакцію, і речовини, що утворюються після реакції.

Речовини, що вступають у реакцію, називають вихідними речовинами або реагентами, а ті речовини, що утворюються після реакції, – продуктами або кінцевими речовинами.

У двох вищеописаних реакціях, які мають велике практичне значення для людини, вихідними речовинами були: кальцій карбонат – у першій, кальцій оксид і вода – у другій. Продукти реакцій – це кальцій оксид і вуглекислий газ – у першій, кальцій гідроксид – у другій. Знаючи хімічні формули вихідних речовин і продуктів, перебіг реакції можна зобразити схемами:

(1)

(2)

Стрілка вгору означає виділення газу.

– Як ви думаєте, фізичні явища й хімічні реакції відбуваються одночасно чи взаємопов’язано?

Явища, що супроводжують хімічні реакції. Наукою доведено, що кожна хімічна реакція супроводжується одним або декількома зовнішніми проявами. Це дає змогу робити висновки про перебіг реакцій. Розглянемо основні з них за допомогою демонстраційних дослідів.

– Зміна забарвлення речовин

Дослід 1. Для виявлення розчинів лугів застосовують індикатор фенолфталеїн – речовину, що змінює забарвлення в лужному середовищі. Якщо до розчину натрій гідроксиду долити розчину фенолфталеїну, останній змінить своє забарвлення на малинове. Додавши до цієї суміші хлоридної кислоти, спостерігатимемо знебарвлення. Це означає, що кислота нейтралізувала луг. Перебіг реакції взаємодії лугу з кислотою можна записати так:

NаОH + HСl → NaCl + Н2O (3)

Фенолфталеїн був індикатором для виявлення перебігу реакції.

Дослід 2. Зміна забарвлення спостерігається під час прожарювання мідної пластинки в полум’ї (рис. 51). Мідь, яка зазвичай має червоний колір, укривається чорним нальотом. Цей наліт – новоутворена речовина купрум(ІІ) оксид СuО. Схема реакції матиме такий вигляд:

Рис 51. Прожарювання мідної пластини

(4)

– Випадання осаду або його розчинення

Дослід 3. Наллємо в хімічну склянку розчин ферум(ІІІ) хлориду. Цей розчин має жовте забарвлення. До нього додамо декілька крапель розчину натрій гідроксиду (лугу). Спостерігатимемо одночасно два явища – уміст склянки стає бурим (отже, змінилося забарвлення), а згодом бура речовина осідає на дно – утворився осад (рис. 52). Бура речовина – це новоутворений ферум(III) гідроксид. Схема реакції:

(5)

Стрілка донизу вказує на випадання під час реакції осаду.

Рис 52. Утворення осаду ферум(ІІІ) гідроксиду

Дослід 4. Якщо до свіжодобутого осаду ферум(ІІІ) гідроксиду доллємо хлоридної кислоти, то осад розчиняється з утворенням розчинної у воді речовини жовтого кольору – ферум(ІІІ) хлориду:

(6)

– Яка ще ознака проявляться під час розчинення осаду?

– Виділення газу

Деякі хімічні перетворення супроводжуються утворенням (виділенням) газу.

Дослід 5. У пробірку, в яку вміщено цинкову пластинку, доллємо хлоридну кислоту. Спочатку па пластинці утворюються маленькі пухирці (рис. 53), які згодом відриваються від поверхні цинку й виділяються назовні. Це газ водень. Схема реакції:

Zn + НСl → ZnCl2 + H2↑ (7)

Аби переконатися, що під час реакції виділяється водень, обережно запалимо газ. Він загоряється па повітрі й горить блакитним полум’ям. Відбувається реакція, подана схемою:

Н2 + O2 → Н2O (8)

Рис 53. Утворення пухирців водню на цинковій пластинці

– Виділення тепла й світла

Такі реакції відомі людству з часів їх використання. Це горіння дров та інших видів палива. Вони дали поштовх до використання обігріву приміщень, виготовлення смолоскипів для освітлення приміщень, вулиць тощо.

– Пригадайте й назвіть, які ви знаєте речовини, що вступають у реакції горіння.

Дослід 6. Запалимо сірник або суху скіпку й будемо спостерігати, що при цьому відбувається.

– Поясніть самостійно, якими явищами супроводжується ця реакція.

Найпростішою схемою реакції горіння є горіння вуглецю:

С + O2 → СO2 (9)

Тепло і світло виділяється не тільки під час згоряння простих речовин вуглецю, фосфору магнію, а й складних. Наприклад, природного газу, спирту.

– Поглинання теплоти

Цим явищем супроводжуються всі реакції, що відбуваються під час нагрівання (реакція міді з киснем). Наочним прикладом поглинання теплоти з навколишнього середовища с розчинення амоній хлориду NH4Cl у воді.

Дослід 7. Склянку з амоній хлоридом поставимо па мокру підкладку й доллємо води, помішуючи вміст скляною паличкою. Під час розчинення амоній хлорид поглинає стільки теплоти, що склянка примерзає до підставки (рис. 54).

Рис 54. Розчинення амоній хлориду у воді

– Поява запаху

Це вища асоціюється з утворенням запашних сполук. Наприклад, поява своєрідного запаху свіжості після грози пояснюється утворенням у повітрі молекул озону О3. Реакція полягає в перегрупуванні молекул кисню в молекули озону за високих температур під час електричних розрядів. Схематично реакцію можна записати так:

О2→ О3 (10)

Дослід 8 (виконують під тягою). Насипте на дно пробірки суху сіль – амоній хлорид і долийте до неї розчин натрій гідроксиду об’ємом 2-3 мл. Чи спостерігаються зміни? Якими явищами супроводжується реакція?

Ураховуючи сказане вище, доходимо висновку, що хімічні перетворення супроводжуються певними явищами; вони дають можливість спостерігати зовнішні прояви перебігу хімічних реакцій.

Лабораторний дослід 3

Проведення хімічних реакцій

Завдання 1. Запаліть сірник, потім запаліть спиртівку. Що спостерігаєте?

Завдання 2. Покладіть у пробірку невеликий шматок крейди. Долийте оцту так, щоб він покрив крейду. Поясніть свої спостереження.

Завдання 3. Налийте в пробірку блакитний розчин купрум (ІІ) сульфату об’ємом 1,5-2 мл. Долийте розчину натрій гідроксиду. Що спостерігаєте? Чи відбулася, на вашу думку, хімічна реакція?

Завдання 4. До осаду, що утворився в попередньому досліді, долийте хлоридної кислоти. Поясніть спостереження. Обгрунтуйте їх.

Узагальніть свої знання про хімічні реакції.

Методи дослідження в хімії. У & 4 ви частково ознайомилися з методами дослідження. Хімія як експериментальна наука у своїх дослідженнях широко використовує метод спостереження та експеримент, які не виключають один одного, а часто взаємодоповнюють. Розширимо ці відомості.

Спостереження розглядаються в науці як цілеспрямоване, спеціально організоване сприймання предметів і явищ, зумовлене завданням діяльності. Особливість цього методу полягає в тому, що він спирається на роботу органів чуття є одним із способів поповнення знань з навколишнього світу. Вивчаючи хімію, ви вже переконалися, що метод спостереження застосовується під час демонстрування вчителем об’єктів і явищ, моделей, схем, діаграм, таблиць, а також виконання лабораторних дослідів і практичних робіт. Зовнішні прояви, що супроводжують хімічні реакції, здебільшого виявляють за допомогою спостереження.

Однак між спостереженням і експериментом існують відмінності. Не всі явища природи можна спостерігати в просторі та часі. Якщо досліджуваний об’єкт є недосяжним для спостереження, створюють його модель. Такий метод називають моделюванням.

Ставлячи експерименти, учені з’ясовують і встановлюють певні закономірності.

– Пригадайте повторюваність властивостей елементів у періодичній системі.

На основі встановлених закономірностей формулюються закони науки, що подаються словесним або математичним виразом. Для перевірки правильності законів учені висувають певні припущення (гіпотези), які, у свою чергу, слугують створенню теорій. Теорія поєднує експеримент, спостереження та здобуті за їх допомогою факти. Вона ж може стати підгрунтям для прогнозування ще не відомих науці явищ.

Тож, ведучи спостереження за демонстраціями вчителя або здійснюючи дослідницьку роботу під час виконання лабораторних дослідів і практичних робіт, намагайтеся якомога уважніше спостерігати, пов’язувати спостережувані явища з теоретичними висновками та формувати власне наукове бачення й тлумачення всіх процесів. Такий підхід до вивчення хімії ставить перед вами надзвичайно багато запитань, відповіді на які ви зумієте знайти самостійно. Де відкриє можливість бути впевненими у своїх переконаннях і переконувати в них інших.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

– Хімічні явища – це явища, під час яких руйнуються одні речовини й утворюються інші. Хімічні явища ще називають хімічними реакціями.

– Хімічні явища супроводжуються певними зовнішніми проявами, за якими роблять висновки про перебіг реакцій. Це: зміна забарвлення, випадання осаду, виділення газу, поява запаху, виділення тепла й світла.

– Речовини, що вступають у хімічні реакції, називають вихідними або реагентами, а ті, що утворюються під час реакцій, – продуктами або кінцевими речовинами.

– Вивчення речовин і явищ здійснюється за допомогою методів спостереження, моделювання й експерименту, на основі яких формуються закони й теорії відповідної науки.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

1. Наведіть приклади: а) фізичних, б) хімічних явищ, що відбуваються в природі та тих, що ви спостерігали в лабораторних умовах.

2. Перелічіть явища, які супроводжують хімічні перетворення.

3. Уставте пропущені слова, щоб вираз став завершеним. Речовини, що вступають у реакцію, називають…. Продуктами реакцій називають… , що утворюються… реакції.

Хімічні перетворення – це….

4. Класифікуйте явища на фізичні й хімічні: горіння свічки, виготовлення різних виробів з поліетилену, почорніння мідної пластинки під час нагрівання, утворення неприємного запаху внаслідок протухання яєць, випаровування розчину кухонної солі, горіння магнію, поява крапель води на вікнах, скисання молока, розділення порошків суміші заліза й сірки магнітом, поява роси вранці.

5. У схемах позначте вихідні речовини й продукти реакцій. Прочитайте схеми.

А) СО + О2 -> СО2 б) Сu + O2 -> СuО

В) Fe + О2 -> Fe3О4 г) Hg + S → HgS

6. Які зовнішні зміни спостерігаються під час таких перетворень: а) бродіння яблучного соку; б) плавлення цукру;

В) ржавіння залізних виробів; г) підгоряння картоплі під час смаження?

7. Проаналізуйте, як поповнилися ваші знання про явища та які взаємозв’язки існують між ними.

8. Охарактеризуйте методи дослідження хімії.

9. Поясніть, у яких ще природничих науках використовуються відомі вам методи дослідження.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

Помістіть на дно трьох склянок по 1/4 чайної ложки харчової соди та долийте по черзі: у першу – сік квашеної капусти, у другу – сік лимона або розчин лимонної кислоти, у третю – кефір. Що спостерігаєте? Поясніть спостережувані явища.