Составьте схему иллюстрирующую значение химии 8 класс: ПРОШУ ПОМОЩИ!!!!! 1.Что изучает химия?Каковы её важнейшие задачи? составьте схему

Содержание

§ 1. Предмет химии. Вещества и их свойства

§1. Задание 1

Условие:

Что изучает химия? Каковы её важнейшие задачи? Составьте схему, иллюстрирующую значение химии, и обсудите её с соседом по парте.

Решение:

Химия – наука о веществах, их свойствах, превращениях веществ и явлениях, сопровождающих эти превращения. 

Задачи: изучение веществ, их свойств и прогнозирование использования веществ в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту; получение различных веществ. 

Значение химии состоит в том, что она проникает во все отрасли промышленности и сельского хозяйства. Она обеспечивает переработку полезных ископаемых в ценные продукты: металлы, их сплавы, топливо. Продуктивность сельскохозяйственного производства во многом зависит от того, как химическая промышленность обеспечивает его минеральными удобрениями и средствами зашиты растений от вредителей. Не менее важна роль химии в производстве строительных материалов, синтетических тканей, пластмасс, красок, моющих средств, медикаментов.

Советы:

Никогда не списывай слово в слово. Этот ответ приблизительный. Подумай сам, где ты в жизни еще встречаешься с химией. Например окраска волос. или?

§1. Задание 2

Условие:

Чем различаются понятия «вещество» и «тело»? Приведите примеры.

Решение:

Тело имеет форму и занимает определённый объём, а вещество это то, из чего состоят физические тела. Примеры (тело – вещество): медная проволока – медь; школьный мел – карбонат кальция; гвоздь – железо; золотое кольцо – золото; пакет – полиэтилен.

Советы:

Никогда не списывай слово в слово. Этот ответ приблизительный. Попытайся ответить самостоятельно опираясь на предложенный вариант.

§1. Задание 3

Условие:

Из следующего перечня выпишите отдельно названия веществ и предметов (физических тел): железо, термометр, медь, капрон, ртуть, напильник, нож, сахар.

Решение:

Названия веществ: железо, медь, ртуть, сахар. 

Названия предметов: термометр, капрон, напильник, нож.

Советы:

Вещество состоит из одного вещества Предмет это несколько веществ объединённых в какой-то предмет. например вещество ртуть-жидкий метал сам по себе он не может выполнить функцию термометра. Термометр- несколько веществ объединенных в предмет выполняющий определенные функции.

§1. Задание 4

Условие:

Какими сходными и отличительными свойствами обладают следующие вещества: а) поваренная соль и сахар; б) уксус и вода?

Решение:

а) поваренная соль и сахар Сходные свойства: цвет (белый), запах (не имеют запаха), растворимость (растворимы в воде), агрегатное состояние (твердые). Отличительные свойства: вкус (сахар имеет сладкий вкус, а соль – соленый). 

б) уксус и вода Сходные свойства: цвет (прозрачные), агрегатное состояние (жидкости). Отличительные свойства: запах (вода не имеет запаха, а уксус имеет резкий запах), вкус (уксус имеет кислый вкус, а вода не имеет вкуса).

Советы:

Никогда не списывай слово в слово. Этот ответ приблизительный. Попытайся ответить самостоятельно опираясь на предложенный вариант.

§1. Задание 5

Условие:

На основе жизненного опыта и используя дополнительную литературу, сравните физические свойства меди и серы. Ответ оформите в виде таблицы.

Решение:

Советы:

Никогда не списывай слово в слово. Этот ответ приблизительный. Попытайся ответить самостоятельно опираясь на предложенный вариант.

Диэлектрик-вещество не проводящее электрический ток.
Проводник- вещество проводящее электрический ток.

ГДЗ (ответы) Химия 8 класc Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г., 2019, §1 Предмет химии. Вещества и их свойства » Крутые решение для вас от GDZ.cool

ГДЗ (ответы) Химия 8 класc Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г., 2019, §1 Предмет химии. Вещества и их свойства

Во всех упражнениях

красным цветом приводится решение,

а фиолетовым ― объяснение.

Задание 1 Что изучает химия?
Химия – наука о веществах, их свойствах, превращениях веществ и явлениях, сопровождающих эти превращения.
Каковы её важнейшие задачи?
Изучение веществ, их свойств и прогнозирование использования веществ в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту, а также получение различных веществ.
Составьте схему, иллюстрирующую значение химии, и обсудите её с соседом по парте.

            ↗ обеспечивает переработку
полезных ископаемых в ценные продукты: металлы, их сплавы, топливо.
ХИМИЯ → обеспечивает сельское хозяйство минеральными удобрениями
и средствами зашиты растений от вредителей.
            ↘ обеспечивает производство строительных материалов, синтетических тканей, пластмасс, красок, моющих средств, медикаментов.

Задание 2 Чем различаются понятия «вещество» и «тело»?
Тело имеет форму, занимает определённый объём и состоит из вещества.
Приведите примеры.
Медная проволока – медь;
карандаш– графит;
гвоздь – железо;
стакан – стекло;
ручка – пластмасса.

Задание 3 Из следующего перечня выпишите отдельно названия веществ и предметов (физических тел): железо, термометр, медь, капрон, ртуть, напильник, нож, сахар.
Вещества: железо, медь, капрон, ртуть, сахар.
Физические тела: термометр, напильник, нож.

Задание 4 Какими сходными и отличительными свойствами обладают следующие вещества:
а) поваренная соль и сахар;
Сходные свойства: белого цвета, не имеют запаха и растворимые в воде.
Отличительные свойства: вкус (соль ― солёная, сахар ― сладкий).
б) уксус и вода?
Сходные свойства: жидкости прозрачного цвета.
Отличительные свойства: вкус (уксус ― кислый, вода ― без вкуса), запах (уксус — резкий, вода — без запаха).

Задание 5 На основе жизненного опыта и используя дополнительную литературу, сравните физические свойства меди и серы. Ответ оформите в виде таблицы.

Свойство Медь Сера
Агрегатное состояние твердое твердое
Цвет золотисто-красный желтый
Запах без запаха без запаха
Плотность 8. 96 г/см³ 2.07 г/см³
Растворимость в воде нерастворима нерастворима
Проводит тепло хорошо плохо
Проводит ток проводит не проводит
Температура плавления 1083°C 113°C
Температура кипения 2567°C 445°C

ТЕСТ 1
В каком ряду находятся названия только веществ?
1) медь, медная проволока, стекло, колба;
2) железо, сахар, соль, уксус; 
3) вилка, ножницы, фарфоровая ваза, стакан.
Ответ: 3)

ТЕСТ 2
В каком ряду находятся названия только тел?
1) крахмал, белок, соль, песок;
2) подсолнечное масло, железо, очки, ложка;
3) колба, стакан, фужер, стеклянная банка.
Ответ: 3)

Урок 50. образование галактик, звезд, планетных систем — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 50. Образование галактик, звёзд, планетных систем

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Как и когда образовались галактики?
  • Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд?
  • Может ли стать звездой Юпитер?
  • Как образуются планетные системы?
  • Какие процессы происходят в недрах звезд и какова их роль в эволюции Вселенной?

Глоссарий по теме:

Космогония – область астрономической науки, изучающая происхождение и развитие отдельных небесных тел и их систем.

Протозвезда – от греч. protos – первый, условное название тел, из которых формируются звезды.

Нормальная звезда – шарообразные объекты космоса, реализующие своё физическое состояние равновесия посредством осуществления в своей глубине (в недрах) термоядерных реакций синтеза.

Белый карлик – тип звезды, которая по величине сравнима с Землёй, однако, по массе соизмерима с Солнцем. В результате, плотность её чрезвычайно велика и превышает плотность любого земного вещества. Поэтому нормальная атомная структура полностью разрушена, и электроны с ядрами плотно упакованы. Имеют низкую яркость и постепенно остывают, становясь холодными, темными объектами. Они представляют собой заключительную стадию эволюции звёзд с малой массой, после того, как звезды лишаются наружного слоя.

Нейтронная звезда – очень маленькая звезда с большой плотностью, состоящая из нейтронов. Является последней стадией эволюции многих звёзд. Нейтронные звезды образуются, когда массивная звезда вспыхивает в качестве сверхновой звезды, взрывая свои внешние оболочки и сжимая ядро до такой степени, что содержащиеся в нем протоны и электроны превращаются в нейтроны. Эти звезды наблюдают как пульсары.

Чёрная дыра – состояние вещества, при котором свет (излучение) неспособен преодолеть гравитационный барьер, возникший при определённых сверхвысокого сжатия массивных звёзд в период последней стадии их существования (жизни). Термин предложил в 1968 г. Астрофизик из США Дж. Уилер. В составе галактики Млечный путь возможно наличие 109 черных дыр.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 225 – 229.

Электронные ресурсы:

Эволюция звезд. Портал Астронет [Электронный ресурс]// доступ : http://www.astronet.ru/db/msg/1188340

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Вселенная представляет собой огромную самоорганизующуюся систему. В ходе эволюции происходило упорядочивание и усложнение её структуры. В расширяющейся однородной Вселенной возникали флуктуаций, которые привели к образованию различных структур от планет и звёзд до метагалактик. Ведущую роль в самоорганизации Вселенной играет гравитационное взаимодействие. Происхождение и развитие космических объектов и их систем изучает наука космогония.

Формирование галактик. По модели Дж. Джинса галактики образуются из газопылевых облаков в результате возникновения гравитационной неустойчивости. Уплотнение в какой-либо части материи Вселенной приводят к возрастанию взаимного притяжения частиц и в конечном итоге к обособлению вещества и формированию макротел. Гравитация возрастает до тех пор, пока не будет скомпенсирована другими силами (центробежными, давления). В результате образуются предшественники галактик – протогалактики. Протогалактики по своей структуре не однородны. Поэтому внутри их образуются свои уплотнения протозвезды, которые приводят к появлению звёзд.

Эволюция звёзд. Появившись в результате сгущения газово-пылевых туманностей протогалактик, протозвёзды под действием гравитации продолжают сжиматься. Повышение давления приводит к их разогреву. При достижении температуры в несколько миллионов кельвинов в недрах протозвезды начинаются термоядерные реакции. Тогда её можно считать нормальной звездой. Продолжительность этого первого этапа эволюции звёзд зависит от массы и может протекать сотни тысяч и миллионов лет.

Сформировавшись из облаков горячего газа, звёзды в течение долгого времени сохраняют устойчивость благодаря балансу между выделением тепла в термоядерных реакциях и гравитационным притяжением. Стадия нормальной звезды длится пока не будет использовано все топливо (например, водород) в реакциях термоядерного синтеза. В ходе которого формируются атомы всех элементов вплоть до железа.

Если масса звезды сопоставима массе Солнца, то её развитие приведёт к формированию так называемого — белого карлика. Синтезируемые тяжелы ядра атомов концентрируются в центральной области звезды, образуя плотное ядро. Оболочки звезды значительно раздуваются. Наступает стадия красного гиганта, (до размера орбиты Юпитера) и в конечном итоге будут сброшены. Раскалённое ядро (размером с Землю), продолжается светиться ещё примерно 10 12 лет.

Звёзды массой, не превышающей пяти масс Солнца в итоге, превращаются в коричневого карлика. Размеры стадии красного гиганта сопоставимы с несколькими десятками радиусов Солнца. А взорвавшиеся оболочки наблюдаются как планетарные туманности.

Более массивные звезды увеличиваются в размерах на стадии красного гиганта до сотни радиусов Солнца. Их взрыв называют вспышкой сверхновой. Сверхвысокие температуры (миллиарды кельвинов) позволяют синтезироваться элементам тяжелее железа. При взрыве, эти элементы обогащают межзвёздное пространство. Сверхвысокое сжатие образует ядро такой плотности, что протоны и электроны превращаются в нейтроны, тогда на месте взрыва такой звезды остаётся нейтронная звезда. Если масса оставшегося ядра сверхмассивной звезды превысит 2,5 массы Солнца, то гравитация такого тела будет настолько велика, что любое излучение не сможет его покинуть. Такие объекты называют черными дырами.

В недрах звёзд происходит основная эволюция вещества Вселенной. Образование многообразия химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Наличие звёзд подчёркивает необратимость процессов эволюции вещества во Вселенной.

Формирование планетарных систем. Согласно современным представлениям, рождение звёзд и планет представляет собой единый процесс. Так образование Солнечной системы связывают с гравитационной неустойчивостью туманности из газа и пыли, от взрыва сверхновой звезды. Скопление вещества в центре туманности привело к формированию Солнца. На периферии формировались предшественники планет. Они сталкивались, разрушались. Более мелкие обломки притягивались крупными, их размеры увеличивались, что за 100 млн лет в конечном итоге привело к формированию знакомых нам планет, а также малых тел Солнечной системы.

На сегодняшний день обнаружено огромное количество планетарных систем. Место центральной звезды некоторых систем занимают массивные планеты или даже пары звёзд. В некоторых планетарных системах, пока по необъяснимым причинам, большие планеты (сопоставимых с Юпитером) располагаются ближе к центру, а не на периферии, как в Солнечной системе.

Конечно, наши рассуждения всего лишь иллюстрируют модельные представления современной науки. Но однозначно то, что в процессе самоорганизации и эволюции Вселенной – звезды, планетарные системы рождаются, живут и умирают, подчиняясь фундаментальным законам природы. И этот процесс непрерывен и бесконечен.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ.

Реакции синтеза тяжёлых элементов при слиянии лёгких ядер, происходящие в недрах звёзд называются:

  • Ядерными;
  • Термоядерными;
  • Химическими.

Ответ: Термоядерными

Пояснение: поскольку реакции происходят между ядрами при сверхвысоких температурах, такие реакции получили названия термоядерные

Задание 2. Составьте схему из элементов, иллюстрирующую эволюцию звёзд

Маленькая звезда; Планетарная туманность; Нейтронная звезда; Сверхновая звезда; Белый карлик; Красный супергигант; Звёздное облако с протозвёздами; Чёрная дыра; Маленькая звезда; Сверхновая;

Ответ:

Деление клетки.

Митоз. Жизненный цикл клетки




Вспомните!


Как, согласно клеточной теории, происходит увеличение числа клеток?


Новые дочерние клетки образуются путем деления материнской клетки, поэтому процесс размножения организма имеет клеточную природу.


Как вы считаете, одинакова ли продолжительность жизни разных типов клеток в многоклеточном организме? Обоснуйте своё мнение.


Нет, продолжительность зависит от строения и выполняемых функций


Вопросы для повторения и задания


1. Что такое жизненный цикл клетки?


Клеточный или жизненный цикл клетки – это жизнь клетки с момента ее появления до деления или гибели. Клеточный цикл условно делят на два периода: длительный – интерфаза, и сравнительно короткий – само деление.


2. Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? Объясните, в чём заключается биологический смысл этого процесса.


Удвоение ДНК происходит в синтетической фазе интерфазы. Каждая молекула ДНК превращается в две одинаковые дочерние молекулы ДНК. Это нужно для того, чтобы во время деления клетки каждая дочерняя клетка получила свою копию ДНК. Фермент ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, двойная цепочка ДНК расплетается на две одинарных. Затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности. Каждая дочерняя ДНК содержит одну цепочку из материнской ДНК и одну новосинтезированную – это принцип полуконсервативности. Согласно принципу антипараллельности цепочки ДНК лежат друг к другу противоположными концами. ДНК может удлиняться только 3′-концом, поэтому в каждой репликационной вилке только одна из двух цепочек синтезируется непрерывно. Вторая цепочка (отстающая) растет в 5′-направлении с помощью коротких (100-200 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, каждый из которых растет в 3′-направлении, а затем с помощью фермента ДНК-лигазы присоединяется к предыдущей цепочке. Скорость репликации у эукариот – 50-100 нуклеотидов в секунду. В каждой хромосоме имеется множество точек начала репликации, от каждой из которых расходятся 2 репликационные вилки; за счет этого вся репликация занимает около часа. Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК — репликация (редупликация).


3. В чём состоит подготовка клетки к митозу?


Стадия подготовки клетки к делению называется интерфаза. Она подразделяется на несколько периодов. Пресинтетический период (G1) — это наиболее продолжительный период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Число хромосом и


содержание ДНК — 2n2с. У разных видов клеток период G1 может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. В этот период в клетке активно синтезируются белки, нуклеотиды и все виды РНК, делятся митохондрии и пропластиды (у растений), образуются рибосомы и все одномембранные органоиды, увеличивается объём клетки, накапливается энергия, идёт подготовка к редупликации ДНК. Синтетический период (S) — это важнейший период в жизни клетки, во время которого происходит удвоение ДНК (редупликация). Длительность S -периода — от 6 до 10 часов. В это же время идёт активный синтез белков-гистонов, входящих в состав хромосом, и их миграция в ядро. К концу периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых друг с другом в области центромеры. Тем самым число хромосом не меняется (2n), а количество ДНК удваивается (4с). Постсинтетический период (G2) наступает после завершения удвоения хромосом. Это период подготовки клетки к делению. Он длится 2—6 часов. В это время активно накапливается энергия для предстоящего деления, синтезируются белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.


4. Опишите последовательно фазы митоза.


Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно — одна незаметно переходит в другую. В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть — прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным (2n4c). В метафазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно на экваторе клетки, поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется (2n4c). В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на две хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке у каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду (4n4c). В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды (2n2c).


5. Составьте схему, иллюстрирующую биологическое значение митоза.


Оно состоит в том, что митоз обеспечивает наследственную передачу признаков и свойств в ряду поколений клеток при развитии многоклеточного организма. Благодаря точному и равномерному распределению хромосом при митозе все клетки единого организма генетически одинаковы. Митотическое деление клеток лежит в основе всех форм бесполого размножения как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Митоз обусловливает важнейшие явления жизнедеятельности: рост, развитие и восстановление тканей и органов и бесполое размножение организмов.


Подумайте! Вспомните!


1. Объясните, почему завершение митоза — деление цитоплазмы происходит по-разному в животных и растительных клетках.


Так как в растительных и животных организмах разные клетки и ткани. Например, клетки специализированных растительных тканей (покровных, механических, проводящих) не способны к делению. Следовательно, в растении должны быть ткани, единственная функция которых заключается в новообразовании клеток. Только от них зависит возможность роста растения. Это образовательные ткани, или меристемы (от греч. meristos — делимый).


2. Клетки, каких растительных тканей активно делятся и дают начало всем остальным тканям растения?


Образовательные ткани, или меристемы, состоят из мелких тонкостенных крупноядерных клеток, содержащих пропластиды, митохондрии и мелкие, практически неразличимые под световым микроскопом вакуоли. Меристемы обеспечивают рост растения и образование всех остальных типов тканей. Их клетки делятся путём митоза. После каждого деления одна из сестринских клеток сохраняет свойство материнской, а другая вскоре прекращает деление и приступает к начальным этапам дифференциации, в дальнейшем образуя клетки определённой ткани.

Методика изучения основных классов неорганических соединений


МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ


Первое знакомство с металлами начинаем с противопоставления существенных признаков металлов и неметаллов, выявляемых в ходе опытов. Один из вариантов — предложить учащимся исследовать вещества — металлы и неметаллы, сравнить их по определённым признакам и оформить результаты в виде табл.  1.


Выполнение этого экспериментального задания вызывает определённые вопросы у учащихся. Например, как, не имея никаких приборов, измерить теплопроводность, или как проверить электропроводность. Важно не отвечать сразу на возникающие вопросы, а выслушать все суждения, позволить учащимся поспорить и порассуждать, услышать их аргументы — именно это является неким индикатором включённости учащихся в активную познавательную деятельность. Если нужных версий не будет, предложить найти ответы на страницах учебника.


Дальнейшее обсуждение данных таблицы подводит учащихся к выводу, что у металлов имеются общие свойства, а сходство графита и серы трудно выявить. Затем предлагаем следующие вопросы.








Вещество

Агрегатное состояние

Цвет

Блеск

Пластичность (ковкость)

Электропроводность

Теплопроводность

Сера







Графит







Медь







Алюминий







Железо







  • Что такое существенные и несущественные признаки?


  • Какие признаки (свойства) металлов можно отнести к существенным?


Подводим учащихся к классификации простых веществ и химических элементов. В завершение предлагаем задание на выявление существенных признаков вещества и определение его принадлежности к металлам или неметаллам.


Определите, к металлам или неметаллам относится вещество, указав его существенные признаки


1. Данное вещество — самая тяжёлая жидкость на Земле при обычных условиях. Температура плавления —38 °С, температура кипения 356,6 °С. Такая разница температур позволяет применять вещество в термометрах. Движение столбика термометра хорошо заметно, так как вещество обладает серебристо-серым цветом и характерным блеском. Интересно, что даже в жидком состоянии оно обладает хорошей тепло- и электропроводностью. (Ртуть, металл.)


2. Это простое вещество используют в быту в качестве дезинфицирующего средства. В аптеках можно приобрести его 5%-ную спиртовую настойку. Для приготовления настойки тёмно-фиолетовые, слегка блестящие кристаллы растворяют в спирте. Стоит отметить, что кристаллы очень хрупкие. При поднесении к кристаллу электродов лампочка, включённая в цепь, не загорается. (Иод, неметалл.)


3. Это самое твёрдое на Земле вещество природного происхождения. Представляет собой прозрачные кристаллы, которые в результате огранки приобретают красивый блеск и используются в ювелирном деле. Не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. (Алмаз, неметалл.)


4. Своим названием вещество обязано одному из свойств — способности светиться в темноте. Это свойство описал Артур Конан Дойл в произведении «Собака Баскервилей». Однако автор не учёл, что это белое пластичное вещество легко испаряется, чрезвычайно ядовито и легко самовоспламеняется на воздухе, а потому не могло быть использовано описанным способом. Вещество не проводит электричество и плохо проводит тепло. (Фосфор белый, неметалл.)


5. Это вещество имеет жёлтый цвет и красивый блеск. Высокая пластичность позволяет вытягивать очень тонкие нити. Такими нитями расшивали праздничные одежды царских особ и служителей церкви. Вещество обладает высокой электро- и теплопроводностью, однако в электротехнике почти не используется из-за высокой стоимости. (Золото, металл.)


6. Это вещество имеет очень высокую температуру плавления — 3422 °C. Именно это свойство, а также пластичность и электропроводность определяют возможность использования вещества для изготовления нитей в лампах накаливания. Вещество имеет серебристо-серый цвет и характерный блеск. (Вольфрам, металл.)


Химия Вводный курс.7кл.Рабочая тетрадь ФГОС


Рабочая тетрадь содержит задания, которые могут быть использованы для закрепления основных понятий пропедевтического курса химии, а также для отработки умений и навыков. В пособие включены описания всех лабораторных опытов, предусмотренных программой курса. Оно готовит учащихся к восприятию нового предмета, базируется на изучении веществ и химических процессов, знакомых школьникам из повседневной жизни, с минимальным использованием химических формул, уравнений, реакций и расчётных задач. Данное пособие дополняет учебно-методический комплект О.С. Габриеляна.

Купить


ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ


Следующий урок логически продолжает первый — раскрывает общность в химических свойствах металлов.


Одно из важных условий включения учащихся в активную познавательную деятельность — выполнение связанных с их личным опытом заданий, которые выявляют предел имеющихся знаний или вызывают вопросы и потребность в изучении нового. Начинаем с обсуждения этимологии слова «металлы», обратившись к любому источнику: словарю, Интернету и т. п. Выясняем, что такое руды и минералы. Затем предлагаем задание по теме «Металлы в природе».


Согласны или не согласны вы со следующими утверждениями:


1. Золото, серебро, медь, платина, ртуть встречаются в природе в самородном состоянии ввиду химической пассивности.


2. Рудами называют природные смеси, состоящие из металлов и их соединений.


3. Медь входит в состав примерно двухсот минералов.


4. Малахит — это минерал, содержащий железо.


5. Минерал алюминия — корунд (оксид алюминия) — отличается большой прочностью. Из него делают наждачную бумагу и наждачные круги.


6. Глина представляет собой сложное соединение, состав которого можно описать посредством химических формул оксидов алюминия, кремния и воды.


7. Среди металлов самый распространённый в земной коре — железо.


8. В природе встречаются минералы, растворимые в воде.


9. Иногда плёнки из оксида металла, образующиеся на поверхности, например, меди или алюминия, защищают металл от окисления или разрушения.


Как правило, учащиеся высказывают различные точки зрения, и обсуждение результатов выполнения задания даёт возможность сформировать интерес к новому материалу и сформулировать цель урока — выявление общности химических свойств металлов.


Проводим и обсуждаем демонстрационные опыты: «Горение железной проволоки в кислороде», «Окисление меди в кислороде», «Горение магниевой ленты», «Взаимодействие серы с железом», а также демонстрируем и обсуждаем видеофрагмент «Горение медной проволоки в хлоре». Все эти реакции экспериментально подтверждают общность химических свойств металлов — способность реагировать с кислородом, хлором и серой. Учащиеся заполняют табл. 2. Заключительный этап урока — заполнение последней строки табл. 2, а также выполнение заданий из учебника на закрепление знаний и умений.







Описание

Опыт

Взаимодействие с кислородом

Взаимодействие с хлором

Взаимодействие с серой

Схема опыта и наблюдения




Уравнение реакции




Примеры аналогичных реакций натрия, кальция и алюминия




Таким образом, учащиеся выясняют, что у металлов есть общие физические и химические свойства. Наряду с этим они узнают, что все простые вещества подразделяют на металлы и неметаллы. Такое разделение простых веществ на два класса естественным образом вытекает из познавательного опыта учеников.


При изучении состава природных соединений металлов школьники убеждаются, что среди руд встречаются оксиды, гидроксиды, сульфиды и хлориды, т. е. состав руд во многом связан с общими химическими свойствами металлов — способностью реагировать с кислородом, серой, хлором и другими неметаллами.


КИСЛОРОД. ВОДОРОД


При изучении кислорода учащиеся в результате ряда опытов убеждаются, что кислород реагирует с металлами и неметаллами. Это в дальнейшем позволяет изучить свойства оксидов и подразделить их на две группы — кислотные и основные. При рассмотрении способов получения кислорода школьники узнают состав хорошо знакомой им с детства марганцовки и научное название этого вещества.


Изучение методов получения водорода позволяет расширить и углубить представление учащихся о кислотах. В быту они сталкивались с лимонной и уксусной кислотами. Им известно, что эти вещества кислые на вкус. На уроке они узнают, что в состав кислот входит водород, который способен замещаться металлами. Таким образом, на последующих уроках учащиеся могут среди сложных веществ выделить класс кислот.


Химия. 9 класс. Рабочая тетрадь (С тестовыми заданиями ЕГЭ)

Предлагаемая тетрадь — часть учебного комплекса к учебнику О. С. Габриеляна «Химия. 9 класс». Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования. Также тетрадь может использоваться с учебником, соответствующим Федеральному компоненту государственного образовательного стандарта. Помимо тетради в состав УМК входят электронное приложение к учебнику, методическое пособие и рабочая программа. Бесплатный доступ к электронному приложению и рабочей программе можно получить на сайте www.drofa.ru. Специальными знаками отмечены задания, направленные на формирование метапредметных умений (планировать деятельность, выделять различные признаки, сравнивать, классифицировать, устанавливать причинно-следственные связи, преобразовывать информацию и др.) и личностных качеств учеников.
Купить

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ. ОКСИД КАЛЬЦИЯ


Изучение этих веществ имеет большое значение для формирования познавательного опыта, необходимого для построения классификации веществ. Интерес к свойствам оксида кальция у учащихся возникает в связи с историей его использования в строительстве как связующего материала.


В начале урока предлагаем учащимся разобраться в терминах. На доске карточки с названиями: негашёная известь, кипелка, обожжённая известь, гашёная известь, пушонка, известковый раствор, известняк, мел, ракушечник, мрамор, а также карточки с химическими формулами: CaO, CaCO3, Ca(OH)2. Обсуждаем соответствие названий и химических формул. Из предыдущего урока


учащимся знакомы известняк, ракушечник, мрамор. Новые термины — негашёная известь, кипелка, обожжённая известь, гашёная известь, пушонка и известковый раствор. Возможно, жизненный опыт некоторых учащихся позволит идентифицировать и эти понятия.


Организуем дискуссию, которая позволяет определить задачи урока в виде вопросов учащихся, например: почему несколько разных названий соответствуют одной химической формуле? С чем связаны названия этих веществ?


Далее демонстрируем опыты: гашением извести получаем известковый раствор, фильтрованием получаем из него известковую воду и пропускаем через неё углекислый газ. Таким образом учащиеся знакомятся с основными свойствами и существенными признаками оксида и гидрокида кальция. Затем предлагаем задание.


Расшифруйте суть и, составив уравнения реакций, объясните химическую сущность древнего рецепта приготовления известкового теста: «Возьми немного кипелки и добавь к ней воду. Гаси её лучше. Когда она обрастёт пухом, добавь ещё воды так, чтобы тебе подошло для дела. Скрепляй тестом камни».


При изучении химических процессов, протекающих при затвердевании известкового раствора, учащиеся узнают, что в результате реакции оксида кальция с водой получается гидроксид кальция. Гидроксид кальция способен реагировать с углекислым газом с образованием сложного вещества такого же состава, как известняк, из которого получают оксид кальция.


При изучении свойств углекислого газа учащиеся узнают, что хорошо знакомая им газированная вода — это раствор углекислого газа и угольной кислоты — продукта реакции углекислого газа с водой. На последующих уроках они убедятся в том, что с водой реагируют также оксиды фосфора


и серы. Во всех случаях образуются кислоты. Эти знания позволяют среди всех оксидов выделить класс кислотных оксидов, которым соответствуют кислоты. Соответствие кислоте учащиеся определяют экспериментально: кислота получается при растворении оксида в воде или оксид образуется при разложении кислоты.


Химия. 8 класс. Рабочая тетрадь.


Рабочая тетрадь предназначена для учащихся 8 класса общеобразовательных учреждений, изучающих химию по учебнику авторов Н.Е. Кузнецовой, И.М. Титовой, Н.Н. Гары. Она содержит разнообразные по форме и по уровню сложности задания, расположенные в соответствии с темами, отражёнными в учебнике. Соответствует федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования (2010г.).

Купить

ОСНОВНЫЕ ОКСИДЫ


Изучение свойств оксидов металлов с низкой валентностью основано на проведении лабораторных опытов в соответствии со схемой: предположение -> экспериментальное подтверждение -> вывод.


Обсуждаем с учащимися возможный ход урока, ставим его задачи. В ходе обсуждения начинаем заполнение табл. 3.






+ кислота

+ вода

+ кислотный оксид

Оксид металла с низкой валентностью (I, II)

+

?

?

Схема взаимодействия

MeO + HX -> MeX + h3O

?

?


О возможности реакции оксидов металлов с кислотами учащиеся знают с предыдущего урока. Предлагаем им подтвердить это экспериментально, используя инструкцию 1, а затем в ходе самостоятельной деятельности по инструкции 2 изучить способность основных оксидов реагировать с водой.


Инструкция 1


К выданным образцам оксидов добавьте кислоту. Перемешайте. Если в растворе присутствуют частички нерастворённого вещества, осторожно нагрейте. Составьте уравнения реакций, укажите их тип и условия протекания. Сделайте вывод о способности основного оксида взаимодействовать с кислотой.


Инструкция 2


К выданным образцам оксидов добавьте воду. Перемешайте. Если в растворе присутствуют частички нерастворённого вещества, отфильтруйте их. К фильтрату добавьте индикатор фенолфталеин.


Если окраска индикатора изменилась, то оксид с водой взаимодействует, если не изменилась, значит, реакция между оксидом и водой невозможна.


В случае, если реакция возможна. Найдите уравнение происходящей реакции в учебнике


или составьте по аналогии с теми уравнениями, которые там представлены; укажите условия протекания реакции и её тип.


Объясните, почему изменилась окраска индикатора. Какое вещество обусловливает данную окраску? Какова среда полученного раствора? Запишите результат опыта и наблюдения в табл. 4.






Действие

Результаты в пробирке с

оксидом кальция

оксидом меди

Добавление воды



Добавление индикатора



Результаты эксперимента анализируем в ходе фронтального обсуждения или предлагаем учащимся самостоятельно ответить на вопросы.


  • Какой из выданных оксидов вступил в реакцию с водой?


  • Пользуясь таблицей растворимости, определите, является ли полученный гидроксид растворимым веществом.


  • Соответствуют ли результаты эксперимента данным таблицы растворимости?


  • Составьте формулу гидроксида того металла, оксид которого не вступил в реакцию с водой.


  • Растворимо ли это вещество?


  • Сформулируйте вывод: оксид взаимодействует с водой, если в результате получается … гидроксид. Данная реакция относится реакциям … .


Изучение взаимодействия оксидов металлов с кислотными оксидами строим как обсуждение результата опыта. На дно пластиковой бутылки, заполненной углекислым газом, помещаем оксид кальция и плотно закрываем бутылку. Через некоторое время бутылка деформируется.


  • Почему произошло сжатие бутылки?


  • Какие изменения с веществами способствовали сжатию и почему?


Если учащиеся затрудняются ответить на этот вопрос, предлагаем им обратиться к учебнику.


  • Напишите уравнение реакции, укажите её тип.


  • Сформулируйте вывод о взаимодействии кислотного и основного оксидов.


Таким образом, класс основных оксидов изучается на основе опыта познания свойств этих веществ. Создаются объективные условия для объединения веществ в группу (класс).


Аналогичный подход используем при изучении солей. С представителями этого класса учащиеся уже сталкивались ранее (свойства оксидов и гидроксидов). При рассмотрении реакции нейтрализации они узнали, что в результате реакции кислоты с основанием образуются соль и вода. Тем самым созданы условия для подробного анализа состава и свойств солей и объединения этих соединений в класс неорганических веществ.


Химия. Базовый уровень. 11 класс. Рабочая тетрадь


Рабочая тетрадь предназначена для учащихся 11 класса, изучающих общую и неорганическую химию по учебнику 11 класса под ред. Н.Е. Кузнецовой на базовом уровне. Она содержит разнообразные по форме и по уровню сложности задания, расположенными в соответствии с темами, отражёнными в учебнике.

Купить


СОЛИ И ИХ СВОЙСТВА


Свойства солей школьники изучают в ходе выполнения практической работы. Учащиеся выполняют предложенные в дидактической карточке задания, результаты обсуждаем фронтально. Важно не упустить возникающие у них вопросы, предположения, делать акценты на их умозаключениях и фиксировать, например на доске, в виде таблицы или схемы, основные выводы.


Дидактическая карточка


1. Рассмотрите выданные вам растворы солей. Возьмите для исследования соли меди, натрия, железа, кальция, калия. Запишите в тетрадь формулы выбранных солей и дайте им названия, используя табл. 30 или табл. 42.


2. Из чего состоят соли? Запишите в тетрадь определение солей, исходя из их состава. Как можно сформулировать определение понятия «соли», исходя из способа их получения? Продолжите в тетради фразу: соли — это продукт реакции … с … .


Составьте уравнение химической реакции, позволяющей получить любую соль согласно составленному определению.


3. Лабораторный опыт 1. Проведите реакцию нейтрализации, которая приводит к образованию нерастворимой соли. Подберите реагенты из имеющихся реактивов, обсудите с учителем ваш выбор и проверьте его на практике.


4. Лабораторный опыт 2. Соли взаимодействуют с металлами, которые активнее чем металл, который входит в состав соли. Проведите опыты 1 и 2. Зафиксируйте наблюдения и напишите уравнения химических реакций.


5. Лабораторный опыт 3. Проверьте, способны ли соли реагировать друг с другом. Для этого попарно сливайте выбранные вами растворы солей. Составьте уравнения возможных реакций.


6. Лабораторный опыт 4. Проверьте, способны ли соли реагировать с щелочами. Составьте схему эксперимента, позволяющего ответить на поставленный вопрос, используя растворы солей железа, меди, калия и гидроксида натрия. Напишите уравнения возможных реакций.


7. Лабораторный опыт 5. Проверьте, способны ли соли реагировать с кислотами. Составьте схему эксперимента, позволяющего ответить на поставленный вопрос, используя растворы силиката натрия, карбоната натрия, сульфата натрия и соляную кислоту. Напишите уравнения возможных реакций.


8. Сформулируйте вывод о свойствах солей.


Таким образом, изучение классов веществ осуществляется индуктивным путём. Учащиеся с интересом изучают вещества, с которыми они ранее сталкивались на уроках или в повседневной жизни, в результате у них расширяется представление об их составе и свойствах, что служит в дальнейшем основой для обобщения знаний при построении схемы «Классификация неорганических веществ». Обучающиеся узнают о классификации как методе познания и сами выделяют признак, позволяющий классифицировать вещества.


КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ


Начинаем с простой игры, в ходе которой на доске появляется достаточное количество формул веществ, относящихся к различным классам. Приведём примеры заданий.


  • Напишите химическую формулу вещества, состоящего из металла и неметалла.


  • Напишите формулу гашёной извести.


  • Составьте формулу вещества, входящего в состав любой газированной воды, и т. п.


Источник получения информации о веществе может быть любым — карточка, которую вытаскивает выходящий к доске, задание учителя, слайд, составленные самими учащимися загадки о веществах с описанием их состава, способа получения или химического свойства и т. п. Важно подвести обучающихся к представлению о многообразии веществ и вместе с тем обсудить выявленную в ходе предыдущих уроков общность в их свойствах.


Затем предлагаем учащимся самостоятельно разделить записанные на доске формулы веществ на группы с указанием признака формирования групп. Это создаст почву для организации обсуждения различных подходов к классификации и выявлению признаков, которые могут служить основанием для классификации. Подобное задание удобно выполнять на интерактивной доске.


Результат обсуждения — обобщённая схема «Классификация неорганических веществ» (рис. 1). В данной схеме состав веществ выступает как основной признак построения классификации.


Дополнение данной схемы примерами формул веществ, имеющих практическую значимость, даёт возможность показать несовершенство данной классификации. Например, угарный газ не может быть отнесён ни к одному из указанных классов. В результате учащиеся приходят к пониманию того, что природа намного многообразнее любой схемы.


Химия. Базовый уровень. 10 класс. Рабочая тетрадь

Пособие является частью учебного комплекса по химии, основа которого учебник В. В. Еремина, Н. Е. Кузьменко, В. И. Теренина, А. А. Дроздова, В. В. Лунина «Химия. Базовый уровень. 10 класс». Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) образования. Помимо тетради, в состав УМК входят электронное приложение к учебнику, методическое пособие (www.drofa.ru). Специальными знаками отмечены задания, направленные на формирование метапредметных умений (планировать деятельность, выделять различные признаки, сравнивать, классифицировать, устанавливать причинно-следственные связи, преобразовывать информацию и др.) и личностных качеств учеников.
Купить


ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ


На этом уроке завершаем изучение классификации веществ. По своей сути это урок обобщения сведений о свойствах и превращениях веществ.


Вначале предлагаем учащимся, опираясь на схему классификации веществ, привести примеры различных соединений, имеющих в своём составе, например, натрий, серу, фосфор и т. п. Затем на основе изученных свойств веществ устанавливаем связь между предложенными соединениями. Подводим к определению генетической взаимосвязи веществ как взаимозависимости веществ различных классов: из веществ одного класса можно получить вещества, относящиеся к другим классам. Учащиеся приводят примеры уравнений химических реакций, доказывающих наличие генетической связи между классами.


Включение в систему генетических связей простого вещества позволяет ввести понятие генетического ряда. Рассмотрение этого вопроса сопровождаем демонстрационными опытами, иллюстрирующими генетические ряды фосфора и кальция. Составляем схемы генетических рядов кальция и фосфора, а как итог — обобщающие схемы генетических рядов металлов и неметаллов. Подчёркиваем местоположение соли как связующей двух генетических рядов (рис. 2).


Учащиеся проявляют большой интерес к изучению классов веществ. Этот интерес позволяет им преодолевать познавательные трудности, что является необходимым условием развивающего обучения.

Е. Ю. Васюкова, кандидат педагогических наук.


Читать «Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10 класс» — Сивоглазов Владислав Иванович, Агафонова Инна Борисовна, Захарова Екатерина Тимофеевна — Страница 9

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая часть всех известных на сегодняшний день. Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33 %, а в наземных растениях лишь 0,15 %. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности (рис. 8).

В зависимости от содержания все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на несколько групп.

Макроэлементы. I группа. Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции, являются кислород, углерод, водород и азот. Все углеводы и липиды содержат водород, углерод и кислород, а в состав белков и нуклеиновых кислот, кроме этих компонентов, входит азот. На долю этих четырёх элементов приходится 98 % от массы живых клеток.

II группа. К группе макроэлементов относятся также фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Эти химические элементы являются обязательными компонентами всех живых организмов. Содержание каждого из них в клетке составляет от десятых до сотых долей процента от общей массы.

Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в организме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур.

Среди обеих групп макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов, или органогенов, на основании того, что они составляют основу большинства органических молекул (табл. 1).

Микроэлементы. Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и многие другие. На долю каждого из них приходится не более тысячных долей процента, а общий вклад этих элементов в массу клетки – около 0,02 %. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных – с пищей, водой и воздухом. Роль и функции элементов этой группы в различных организмах весьма разнообразны. Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, витаминов и гормонов), и их действие проявляется главным образом в том, как они влияют на обмен веществ.

Таблица 1. Содержание биоэлементов в клетке

Кобальт входит в состав витамина В12 и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии. Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений. Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов. Иод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей. Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы – инсулина. Нехватка селена приводит к возникновению у человека и животных раковых заболеваний. Каждый элемент играет свою определённую, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Как правило, биологический эффект того или иного микроэлемента зависит от присутствия в организме других элементов, т. е. каждый живой организм – это уникальная сбалансированная система, нормальная работа которой зависит, в том числе, и от правильного соотношения её компонентов на любом уровне организации. Так, например, марганец улучшает усвоение организмом меди, а фтор влияет на метаболизм стронция.

Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определённые элементы. Например, многие морские водоросли накапливают иод, хвощи – кремний, лютики – литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используют в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяют микроэлементы и в медицине.

Ультрамикроэлементы. Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т. е. ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и другие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы. Содержание тех или иных элементов в организме определяется не только особенностями данного организма, но также составом среды, в которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий – заболеваний растений, животных и человека.

Во многих районах нашей страны – на Урале и Алтае, в Приморье и в Ростовской области количество иода в почве и в воде значительно снижено.

Если человек не получает с пищей нужного количества иода, у него снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так называемого эндемического зоба. Особенно тяжёлые последствия от недостатка иода возникают у детей. Сниженное количество тироксина приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии.

Чтобы предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют подсаливать пищу специальной солью, обогащённой иодидом калия, употреблять рыбные блюда и морскую капусту.

Почти 2 тыс. лет назад правитель одной из северо-восточных провинций Китая издал указ, в котором обязал всех своих подданных съедать по 2 кг морской капусты в год. С тех пор жители послушно соблюдают древний указ, и, несмотря на то, что в этом районе существует явный недостаток иода, население не страдает заболеваниями щитовидной железы.

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключается сходство биологических систем и объектов неживой природы?

2. Перечислите биоэлементы и объясните, каково их значение в образовании живой материи.

3. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте биологическое значение этих элементов.

4. Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо микроэлемента? Приведите примеры таких явлений.

5. Расскажите об ультрамикроэлементах. Каково их содержание в организме? Что известно об их роли в живых организмах?

6. Приведите примеры известных вам биохимических эндемий. Объясните причины их происхождения.

7. Составьте схему, иллюстрирующую элементный химический состав живых организмов.

Составьте схему иллюстрирующую значение химии

Составьте схему иллюстрирующую значение химии
Составьте схему иллюстрирующую значение химии

Стандартные условия, термохимические законы, закон гесса.


Коллоидная химия: вопросы, ответы и упражнения.

App store: химия.

Мейоз, его фазы, биологическое значение.6. 4. Синтез белка. Транскрипция и трансляция. Схема процесса.Вопрос № 1 что изучает химия? Каковы ее важнейшие задачи и.

Биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора — урок.Химическая промышленность — википедия.

Составьте примеры. Химия, 8 класс, параграф 47, 8 вопрос.


Биосфера земли значение, состав и фунции, схема | влияние.

Учебно – методический комплекс по органической химии. Часть 1.

Физиология растений.

Министерство науки и высшего образования российской.

5. Химический состав клетки. Биология. Общая биология. 10.

Домашняя работа по химии за 8 класс к учебнику «химия. 8.

С. Т. Жуков химия 8-9 класс глава 11. Взаимодействие веществ.


Экология дома и квартиры. Рекомендации по созданию.

Практическая работа №2. Составление алгоритмов. Видеоурок.

Круговорот фосфора.

Решебник по русскому языку 2 класс канакина в.п

Контурные карты. география. 5 класс. фгос скачать

Скачать учебник русского языка 6 класс скачать

Скачать договора найма жилого помещения образец

Супермодель по українськи 3 сезон 4 серия скачать

Обращение к пользователям

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 7А

        • Марка 7Б

        • Класс 7 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Граад 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 8A

        • марка 8Б

        • Оценка 8 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Граад 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 9А

        • Марка 9Б

        • Оценка 9 (комбинированные A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Граад 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 4A

        • класс 4Б

        • Класс 4 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Граад 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 5А

        • Марка 5Б

        • Оценка 5 (комбинированные A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Граад 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 6А

        • класс 6Б

        • Класс 6 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Граад 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколько угодно раз. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без марочного знака)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Естественные науки 8 класс

Есть только два класса чистых веществ, а именно элементов и соединений .Чтобы понять разницу между ними, взгляните на две диаграммы ниже.

На диаграмме слева представлен элемент. Вы видите, что все атомы одного вида? Элемент — это материал, состоящий из атомов только одного вида.

Теперь посмотрите на диаграмму справа, представляющую комплекс. Эта диаграмма показывает две важные вещи о соединениях:

Соединение — это материал, состоящий из двух или более атомов, которые химически связаны друг с другом.

Теперь мы рассмотрим каждый из этих классов отдельно и обсудим несколько примеров каждого из них.

Элементы

Мы только что узнали, что элемент состоит из атомов одного вида. Это означает, что если бы у нас был кусок металлической меди, он бы полностью состоял из атомов меди. Точно так же кусок серебра будет полностью состоять из атомов серебра. Медь и серебро выглядят по-разному и имеют разные свойства, потому что состоят из разных атомов.Взгляните на следующую таблицу, которая иллюстрирует субмикроскопическое изображение атомов, а также ювелирное изделие, сделанное из каждого из различных металлов.

ВОПРОСЫ:

Почему атомы серебра больше, чем атомы меди на предыдущих диаграммах? Подсказка: найдите два элемента в Периодической таблице и сравните их положение.



Серебро находится ниже меди в Периодической таблице, что означает, что атомы серебра больше, чем атомы меди.

  1. Считаете ли вы, что вещество, представленное на следующей диаграмме, является элементом? Чтобы помочь вам ответить на вопрос, просмотрите вопросы под диаграммой.

    Сначала запишите то, что вы видите на картинке.


    Учащиеся могут сказать, что видят пары атомов, слипшихся вместе.

    Грозди плотно упакованы или далеко друг от друга?


    Они относительно далеко друг от друга.

    Что это обозначает? Как вы думаете, вещество — твердое, жидкое или газообразное?


    Как вы думаете, это смесь веществ или чистое вещество? Почему ты так думаешь?



    Это чистое вещество, потому что все молекулы выглядят одинаково.

    Все ли атомы одного вида?


    Какой класс веществ состоит только из одного вида атомов?


    Является ли вещество элементом? Почему?


    Вещество является элементом, потому что оно состоит только из одного вида атома.

    Примечание: На самом деле это двухатомные элементы, такие как кислород (O 2 ), азот (N 2 ), водород (H 2 ), которые существуют в виде двухатомных (двухатомных) молекул при комнатной температуре. .

    Могут ли элементы состоять из молекул?


Не важно, чтобы учащиеся ответили на этот вопрос; он предназначен для введения понятия, что оба элемента и соединения могут существовать как молекулы, но что молекулы элементов фундаментально отличаются от молекул соединений.

Кластеры атомов в предыдущем примере называются молекулами. Молекула — очень важное слово в химии. Молекула — это два или более атома, которые химически связаны друг с другом.

Атомы в молекуле могут быть одного типа (в этом случае это может быть молекула элемента) или они могут быть разных типов (в этом случае это может быть молекула соединения).

Не все элементы имеют молекулы. Металлы в левой и средней части Периодической таблицы представляют собой твердые тела при комнатной температуре, поэтому они существуют в виде плотно упакованных массивов атомов, как в предыдущих примерах серебра и меди.

Многие неметаллы в правой части Периодической таблицы представляют собой газы при комнатной температуре, которые существуют в виде молекул, состоящих из двух атомов каждая.Их называют двухатомных молекул . Изображение элемента, которое мы обсуждали ранее, показывает, как выглядят двухатомные молекулы. Кислород (O 2 ), азот (N 2 ), водород (H 2 ), хлор (Cl 2 ) и некоторые другие элементы из неметаллов образуют двухатомные молекулы.

Нарисуйте изображение одной из этих двухатомных молекул в пространстве ниже.

Учащиеся должны нарисовать два соединенных друг с другом круга одинакового размера и цвета.Предлагается научить учащихся создавать некоторые из двухатомных молекул с помощью бусинок, шариков из пластилина и т. Д. Убедитесь, что они знают, что бусинки теперь представляют собой целые атомы, а не субатомные частицы.

Двухатомный относится к молекуле, состоящей из двух одинаковых атомов, связанных вместе, как в кислороде (O 2 ). «Ди» означает два. Трехатомный относится к молекуле, состоящей из трех одинаковых атомов, связанных вместе, как озон (O 3 ).

Это краткий обзор того, что учащиеся только что узнали об атомах и молекулах, и возможность их различать.

Давайте удостоверимся, что мы понимаем разницу между атомами и молекулами.

ВОПРОСЫ:

Посмотрите на следующие схемы. Решите, представляет ли каждый из них атом или молекулу. Если это молекула, укажите, сколько атомов составляет молекула.

9045

9045

Схема

Атом или молекула?

Атом

Молекула из 2 атомов

Молекула из 4 атомов

атом

Молекула из 9 атомов

  1. Посмотрите на следующую сложную молекулу.

    Сколько атомов состоит в этой молекуле?


    Сколько различных типов атомов состоит в этой молекуле?


    Эта молекула состоит из 3 атомов разных типов.

    Что удерживает атомы вместе в этой молекуле?


    Между атомами существуют химические связи.

Теперь давайте подумаем об этом: если соединения состоят из двух или более видов атомов, это будет означать, что соединения состоят из двух или более различных элементов, которые объединились.

Соединения

По мере того, как вы читаете это содержание, предложите учащимся создавать свои собственные молекулы, используя бусинки или пластилин на столе перед ними.

В известной нам Вселенной как минимум 118 элементов. Они могут образовывать соединения, связываясь в миллионы различных комбинаций — их слишком много, чтобы здесь обсуждать! Мы рассмотрим несколько простых комбинаций элементов, чтобы проиллюстрировать идею.

Поскольку вода является таким важным соединением для организмов, живущих на Земле, мы будем использовать это в качестве нашего первого примера.Ученые знают, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Если бы мы могли их видеть, все молекулы воды были бы немного похожи на эту диаграмму молекулы воды.

Представление молекулы воды.

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) называет воду монооксидом дигидрогена.

Все молекулы воды абсолютно одинаковы. Мы говорим, что атомы связаны в фиксированном соотношении : : два атома водорода на каждый атом кислорода.Атомы в молекуле удерживаются вместе особой силой, которую мы называем «химической связью , ».

Эти связи известны как ковалентные связи, но учащиеся пока не обязаны это знать. На этом этапе вы также можете напомнить учащимся, что диаграммы молекул — это просто представления, и мы используем разные цвета, чтобы различать атомы разных элементов. Атомы кислорода на самом деле не красные.

Химические формулы

Можете ли вы вспомнить, что у каждого элемента есть свой уникальный химический символ? Мы можем объединить эти символы в химическую формулу воды.Химическая формула — еще одно очень важное понятие в химии.

Химическая формула воды: H 2 O. Она показывает отношение атомов водорода (два) к атомам кислорода (один) в одной молекуле воды. Как вы думаете, о чем нам говорит химическая формула CO 2 ?

Это говорит нам, что один атом углерода (C) связан с двумя атомами кислорода (O) в CO 2 . На этом этапе предлагается написать несколько химических формул на доске и попросить учащихся объяснить вам, что каждый из них говорит вам.Попросите учащихся делать заметки на боковых полях своих рабочих тетрадей, пока вы обсуждаете это в классе. Это послужит введением к следующему занятию. Например, вы также можете написать:

  • H 2 для газообразного водорода, что означает, что два атома водорода связаны вместе. Это двухатомная молекула.

  • NaCl для хлорида натрия (поваренная соль), что означает, что один атом натрия связан с одним атомом хлора.
  • KMnO4 — перманганат калия.Это может быть немного сложнее, но подчеркивает, что молекула может состоять более чем из двух разных элементов. Здесь один калий, один марганец, один атом азота и четыре атома кислорода связаны вместе, образуя одну молекулу.

В следующем упражнении мы попрактикуемся в написании и понимании химических формул. Всегда полезно думать о новой концепции разными способами. По этой причине мы также собираемся построить модели молекул, для которых пишем формулы.

МАТЕРИАЛЫ:

  • пластилин или пластилин разных цветов

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. В следующей таблице названия некоторых чистых веществ приведены в левом столбце. Заполните все пустые блоки в таблице.
  2. Постройте модель одной молекулы каждого соединения на столе. Ваши атомы должны быть размером с горошину. Это может помочь вам построить модель до того, как нарисовать молекулу в правом столбце.Когда вы закончите, покажите своему учителю.

Чтобы помочь вам в этом, вот несколько рекомендаций:

  • Каждая строка в таблице содержит достаточно информации, чтобы вы могли заполнить все пустые блоки.
  • Первая строка заполнена за вас, так что у вас есть пример:
    • В графе 1 указано название: вода
    • Колонка 2 содержит формулу: H 2 O

    • Колонка 3: Формула воды (в колонке 2) содержит всю информацию, которая нам нужна для заполнения блока в «Из чего она сделана?» столбец.Когда мы читаем формулу H 2 O, нижний индекс «2» говорит нам, что существует два атома H. Поскольку у O нет нижнего индекса, это означает, что существует только один атом O.

    • Колонка 4: Модель молекулы воды должна отражать наличие одного атома О и двух атомов Н. Откуда мы знаем, что О должен быть посередине? На данный момент достаточно знать, что атом, которого у нас меньше всего, обычно находится посередине.

На этом этапе не важно, чтобы учащиеся правильно понимали точные углы между атомами, например, угол между атомами водорода в молекуле воды, поскольку они узнают только о том, что влияет на это позже, в Gr.10-12.

Название вещества

Химическая формула

Из чего он сделан?

Как бы выглядела молекула этого соединения (если бы мы могли ее увидеть)?

Вода

H 2 O

Два атома H и один атом O

Углекислый газ

CO 2

Диоксид серы

Сероводород

H 2 S

Аммиак

Один атом N и три атома H

Газообразный кислород

Два атома O

Азот газ

N 2

Хлор газ

Водородный газ

Два атома H

Заполненная таблица должна выглядеть следующим образом.

Название вещества

Химическая формула

Из чего он сделан?

Как бы выглядела молекула этого соединения (если бы мы могли ее увидеть)?

Вода

H 2 O

Два атома H и один атом O

Углекислый газ

CO

Два атома O и один атом C

Диоксид серы

SO 2

Два атома O и один атом S

дигидроген сероводород H 2 S

Два атома H и один атом S

Аммиак

NH 3

Один атом N и три атома H

9045

Газообразный кислород

O 2

Два атома O

90 456

Газообразный азот

N 2

Два атома азота

Газообразный хлор

Два атома Cl 2

9045

Водородный газ

H 2

Два атома H

ВОПРОСЫ:

Перечислите все вещества из таблицы, которые являются элементами.Напишите их имена и формулы.





Водород, H 2

Кислород, O 2

Хлор, Cl 2

Азот, N 2

Перечислите все вещества из таблицы, которые являются соединениями. Напишите их имена и формулы.







Вода, H 2 O

Двуокись углерода, CO 2

Диоксид серы, SO 2

Натрия хлорид, NaCl

Сероводород, H 2 S

Аммиак, NH 3

Как вы узнали, какие вещества в таблице являются соединениями, а не элементами?

Вы, наверное, искали, чтобы увидеть, какие из них состоят из более чем одного вида атомов.Соединение — это материал, состоящий из атомов двух или более различных элементов. Элементы не просто физически смешаны, но химически связаны друг с другом на атомном уровне.

Вода (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ) и соль или хлорид натрия (NaCl) являются примерами соединений, в то время как газообразный кислород (O 2 ), газообразный водород (H 2 ) и газообразный азот (N 2 ) являются примерами элементов.

Соединение формулы H 2 O 2 также состоит из атомов водорода и кислорода.Формула говорит нам, что одна молекула этого вещества состоит из двух атомов водорода и двух атомов кислорода. H 2 O 2 то же самое, что вода? Как вы думаете?

Не путайте H 2 O 2 с H 2 O! H 2 O 2 представляет собой соединение, называемое пероксидом водорода. Перекись водорода похожа на воду в том, что при комнатной температуре (25 ° C) это прозрачная бесцветная жидкость, хотя и не такая жидкая, но во многом отличается.Следующие свойства перекиси водорода могут убедить вас в том, что это не то же самое, что вода:

  • Пероксид водорода имеет температуру кипения 150 ° C и является очень эффективным отбеливателем для одежды и волос.
  • Концентрированная перекись водорода настолько реактивна, что используется в качестве компонента ракетного топлива!
  • Перекись водорода чрезвычайно агрессивна.
  • Мы можем пить воду, но перекись водорода очень опасна и вредна.

Коррозионные вещества — это вещества, которые вызывают повреждение металла или других материалов в результате химического процесса.Представьте, что дождевая вода вызывает ржавчину, разъедающую металл.

Если это вас не убеждает, давайте сравним, как выглядит молекула перекиси водорода рядом с водой:

Перекись водорода. Вода.

Несмотря на то, что они состоят из одних и тех же элементов, эти два соединения очень разные, и их никогда не следует путать друг с другом.

Целью приведенного выше сравнения перекиси водорода и воды было показать вам, что атомы в данном соединении всегда объединяются в фиксированном соотношении.Во всех молекулах воды во Вселенной всегда будет один атом O и два атома H, связанные вместе.

Это был пятый постулат Дальтона:

5. Атомы химически соединяются в фиксированных соотношениях с образованием соединений.

Как атомы «сочетаются»? Что заставляет их слипаться и образовывать молекулы?

Химические связи

Посмотрите на фото с различным расположением металлических шариков. Эти шарики магнитные, что позволяет создавать различные узоры, склеивая их вместе.Что заставляет магниты склеиваться?

Учащиеся могут сказать, что магниты слипаются, потому что они притягивают друг друга. Укажите им, что магниты действительно будут притягиваться друг к другу, если они выстроены правильно. Магниты также могут отталкивать друг друга, если они расположены по-другому. Учащиеся будут больше изучать магнитные силы в Gr. 9 Энергия и перемены.

Эти шары магнитные. http://www.flickr.com/photos/uscpsc/6331652875/

Магниты притягивают (или отталкивают) друг друга из-за магнитной силы между ними (вы узнаете больше о магнитах в Gr.9). Когда атомы объединяются, они делают это, потому что они также испытывают силу притяжения. Сила немного сложнее, чем сила между магнитами, но работает она так же: сила удерживает атомы вместе, как будто они склеены клеем. Силы, удерживающие атомы вместе, называются химическими связями .

В молекуле воды химические связи между О и двумя атомами Н удерживают всю молекулу вместе. Сколько химических связей в каждой молекуле воды? Если вы не уверены, посмотрите на схему ниже:

Две облигации.Если вы хотите вывести учащихся за рамки требований учебной программы на данном этапе, вы могли бы дать краткое объяснение электронного обмена. Детали этого будут изучены только в Gr. 10. Эти прочные химические связи, называемые ковалентными связями, образуются, когда атомы делятся своими электронами. Это объясняет, почему после реакции разложения атомы немедленно преобразуются во что-то еще: требование совместного использования электронов, которое привело к исходной связи, все еще существует, они просто разделяют электроны с другим атомом.

Молекула воды имеет две идентичные связи O-H. Что бы произошло, если бы у нас было достаточно энергии, чтобы разорвать эти узы?

Если бы у нас было достаточно энергии, чтобы разорвать связи O-H, мы смогли бы отделить атомы друг от друга.

Что было бы, если бы мы разделили молекулы воды на их атомы? Теоретически у нас были бы атомы водорода и кислорода. На самом деле происходит то, что атомы водорода немедленно объединяются с образованием H 2 , а атомы кислорода немедленно объединяются с образованием O 2 .

Когда атомы отделяются друг от друга и рекомбинируют в различные комбинации атомов, мы говорим, что произошла химическая реакция .

В ходе указанной выше химической реакции вода разложилась (распалась) и рекомбинировала на более мелкие молекулы. Мы говорим, что вода подверглась реакции разложения в приведенном выше примере. Конечно, не все химические реакции являются реакциями разложения. Существует много различных видов химических реакций, и мы собираемся исследовать некоторые примеры в следующем разделе.

Химические реакции

Во всех химических реакциях происходят два важных события:

  • разрыв химических связей
  • новых химических связей образуют

Это означает, что в всех химических реакциях атомы в молекулах перестраиваются, образуя новые молекулы.

В следующем упражнении мы собираемся смоделировать реакцию разложения воды, используя глину или шарики из пластилина для представления различных атомов.

Это дополнительное расширение.Позднее в семестре учащиеся будут больше изучать химические реакции.

МАТЕРИАЛЫ:

  • пластилин или пластилин двух разных цветов

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Постройте две молекулы воды из глины или пластилина. Посмотрите на предыдущие изображения, чтобы напомнить вам, как выглядит молекула воды. Вы можете использовать глину любого цвета для создания своей.
  2. Теперь разорвите все связи, удерживающие молекулы вместе, разделив их на отдельные атомы.
  3. Ответьте на следующие вопросы:

    Сколько у вас атомов водорода (H)?


    Сколько у вас атомов кислорода (O)?


  1. Объедините атомы водорода и кислорода в молекулы водорода (H 2 ) и молекулы кислорода (O 2 ).

  2. Ответьте на следующие вопросы:

    Сколько молекул водорода можно построить из атомов H?


    Две молекулы водорода (H 2 ) могут состоять из четырех атомов водорода.

    Сколько молекул кислорода можно построить из атомов кислорода?


    Одна молекула кислорода (O 2 ) может состоять из двух атомов O.

Можете ли вы написать химическое уравнение реакции, которую вы только что построили, с помощью глиняных моделей? Для вдохновения посмотрите на схему:


2 H 2 O \ (\ rightarrow \) 2 H 2 + O 2

Химические уравнения будут правильно представлены в последней главе Gr.8 Материя и материалы, но это может быть хорошим местом, чтобы начать привлекать к этому внимание учащихся. Вы могли бы объяснить, что когда есть только одна молекула определенного типа (O 2 в приведенном выше примере), мы не пишем число перед ней в химической реакции. На данном этапе балансировка уравнений не требуется.

Давайте посмотрим на другой пример химической реакции: реакцию, когда углерод (в угле) реагирует с кислородом (в воздухе) с образованием диоксида углерода:

Вы можете использовать шарики из пластилина, чтобы имитировать эту реакцию.

Попытайтесь написать химическое уравнение реакции, когда углерод и кислород соединяются с образованием диоксида углерода. (Подсказка: используйте схему, чтобы направлять вас.)

C + O 2 \ (\ rightarrow \) CO 2

Как атомы угля и кислорода перегруппировываются с образованием диоксида углерода? Какая связь рвется?

Связь между двумя атомами кислорода разрывается.

Какие новые облигации образуют?

При образовании диоксида углерода образуются две новые углеродно-кислородные связи.

Затем ваш учитель продемонстрирует классу две химические реакции. Ваша задача — внимательно наблюдать и записывать свои наблюдения, которые вы можете видеть в происходящем.

Мы предлагаем сделать это в качестве демонстрации или провести несколько экспериментов в классе, за которыми могут наблюдать разные группы учащихся. Видео в окне для посещения содержит простую демонстрацию электролиза с использованием сульфата меди вместо хлорида меди. Но наблюдения будут такими же, а именно, что металлическая медь покрывает катод, и вы можете наблюдать пузырьки газа на аноде (на видео это газообразный кислород, а не газообразный хлор, как в исследовании здесь, в рабочей тетради.

Видео, демонстрирующее аналогичную реакцию с использованием сульфата меди.

ЦЕЛЬ: Определить, можно ли разложить хлорид меди с помощью электроэнергии.

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • стакан
  • картонный диск, достаточно большой, чтобы закрыть верхнюю часть стакана
  • два графитовых электрода
  • 2 бита провода
  • растворов хлорида меди
  • Аккумулятор 9 В

Вместо графитовых электродов вы также можете получить угольные электроды из использованных ячеек горелки.

Длина провода с зажимами типа «крокодил» на обоих концах является идеальной. Они понадобятся вам для построения электрической цепи. Включение переключателя в схему не является обязательным.

Раствор хлорида меди можно приготовить, растворив две чайные ложки хлорида меди (II) в стакане водопроводной воды.

Перед запуском сделайте следующие наблюдения:

Какого цвета раствор хлорида меди?


Какого цвета графитовые электроды?


МЕТОД:

  1. Налейте раствор хлорида меди в стакан.
  2. Сделайте два небольших отверстия в картонном диске и протолкните электроды через отверстия, как показано на следующей схеме.
  3. Поместите диск над стаканом так, чтобы большая часть каждого электрода находилась под поверхностью раствора.
  4. Подключите верхние части электродов к концам батареи с помощью длин проводов. Взгляните на схему экспериментальной установки.
  5. Дайте реакции развиться в течение нескольких минут и понаблюдайте за тем, что происходит.
  6. Когда реакция продолжается примерно 10 минут, можно отсоединить провода и разобрать установку.

Демонстрация, которую устраивает ваш учитель, может выглядеть примерно так.

НАБЛЮДЕНИЯ:

Что вы наблюдаете на поверхности двух электродов после того, как реакция продолжалась в течение нескольких минут?



Один электрод покрывается маленькими пузырьками, а другой становится коричневым.

Какого цвета в конце эксперимента был хлорид меди?


Решение по-прежнему синее.

Если вы сохранили часть исходного решения, учащиеся могут сравнить решение до и после эксперимента. Они могут заметить, что решение «после» не такое синее, как решение «до». Попросите учащихся задуматься, почему это могло быть. Это связано с двумя причинами:

  • ионы меди выходят из раствора, поскольку они принимают электроны и превращаются в твердую медь, которая выделяет красновато-коричневый цвет на катоде. (Учащиеся еще не знают об обмене ионами или электронами, поэтому они могут предположить, что атомы / частицы меди выходят из раствора и накапливаются на электроде.)
  • Ионы хлора

    образуют на аноде газообразный хлор Cl 2 . (Учащиеся могут наблюдать образование пузырьков газа на другом электроде и, возможно, сделать вывод, что это хлорид, выходящий из раствора в виде газообразного хлора.)

Следовательно, , концентрация раствора хлорида меди становится слабее, в результате чего он становится немного менее синим.

Как изменился внешний вид графитовых электродов?



Один электрод остается темно-серым или черным.Другой электрод покрыт красновато-коричневым слоем.

Можно отметить, что электрод, который остался серо-черным, был тем же электродом, на котором раньше были пузырьки. Попросите учащихся почувствовать запах этого электрода. Они могут чувствовать запах отбеливателя, который представляет собой запах образующегося газообразного хлора Cl 2 . Попросите учащихся сравнить цвет слоя с цветом медной монеты. Может ли налет на втором электроде быть медью? Да, это.

Учащимся не нужно понимать, что происходит в растворе на ионном уровне.Акцент здесь делается на демонстрации того, что соединение можно разбить на элементы. Тем не менее, объяснение электролиза раствора хлорида меди (II) приводится здесь для справки, и если вы хотите расширить свои знания учащихся:

  • Когда электроды подключены к источнику питания, электроны перемещаются, заставляя электрод, прикрепленный к положительному концу батареи, становиться положительным. Он называется анодом . Затем отрицательно заряженные ионы хлорида в растворе притягиваются к положительному аноду.Ионы хлора отдают свои электроны и образуют газообразный хлор, который наблюдается в виде пузырьков.

  • Электрод, прикрепленный к отрицательному полюсу батареи, становится отрицательным. Он называется катодом . На катоде положительно заряженные ионы меди в растворе притягиваются к отрицательному электроду. На катоде ионы меди приобретают электроны, образуя металлическую медь, которая осаждается на катоде. Наблюдается коричневый налет.

(Вы можете попросить учащихся нарисовать положительные и отрицательные знаки и пометить электроды на схемах в своих рабочих тетрадях в качестве дополнения.)

Электрод, прикрепленный к положительной стороне батареи, является положительным электродом и называется анодом . Электрод, прикрепленный к отрицательной стороне батареи, является отрицательным электродом и называется катодом .

Обобщите ваши экспериментальные наблюдения в следующей таблице.

9020 эксперимент

Раствор хлорида меди

Электрод 1 (называемый анодом)

Электрод 2 (называемый катодом)

Перед экспериментом

Раствор хлорида меди

Электрод 1 (называемый анодом)

Электрод 2 (называемый катодом)

Перед экспериментом

Раствор имел ярко-синий цвет цвет.

Темно-серая поверхность.

Темно-серая поверхность.

После эксперимента

Раствор все еще был синим, но цвет был менее интенсивным.

Темно-серая поверхность, но со слабым запахом отбеливателя. Во время реакции пузырьков не наблюдалось.

Красновато-коричневый налет на поверхности.

АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ:

Что придало раствору хлорида меди насыщенный синий цвет?


Хлорид меди, растворенный в нем.

Как вы думаете, часть хлорида меди могла измениться во время реакции во что-то другое? Объясните, почему вы так думаете.



Раствор хлорида меди стал менее голубым. Это говорит нам о том, что часть хлорида меди превратилась во что-то другое.

Как бы вы объяснили появление пузырьков на поверхности первого электрода? Вы хоть представляете, какими они могли быть? Подсказка: чем пахнет электрод потом?




Пузырьки означают, что на поверхности электрода образовался газ.Пахло отбеливателем. Газообразный хлор также пахнет отбеливателем, поэтому возможно, что газ, который мы видели, образовавшийся на электроде, мог быть газообразным хлором.

Примечание: Хлор фактически является активным ингредиентом отбеливателя.

Вы знаете, что такое красновато-коричневый налет на втором электроде? Подсказка: какой металл имеет такой же характерный красновато-коричневый цвет?


Возможно, красновато-коричневый налет — это медь.

Как мы узнаем, что произошла химическая реакция?



Атомы в хлориде меди были перегруппированы, чтобы образовать различные материалы: медь (Cu) и хлор (Cl 2 ).

ВЫВОД:

Напишите заключение для расследования. В своем заключении вам следует переписать цель расследования в изложение результатов вашего расследования.




Заключение учащегося должно содержать как минимум два из следующего:

Как вы думаете, можно было бы разделить хлорид меди на медь и хлор с помощью любого из методов физического разделения, о которых мы узнали в Gr.7 Материя и материалы, такие как просеивание, фильтрация, выпаривание, дистилляция или хроматография? Вот подсказка: ни один из этих методов не может разорвать связи между атомами в веществе.

Ответ — нет. Медь и хлор химически связаны в хлориде меди. Мы знаем это по его химической формуле: CuCl 2 . Методы физического разделения могут использоваться только для разделения смесей на вещества, из которых они состоят.

На данный момент мы узнали об атомах, молекулах, элементах и ​​соединениях.Иногда эти концепции сбивают с толку, потому что они описывают вещи, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть, а иногда и трудно вообразить. В следующем разделе мы вернемся к идее смесей и посмотрим, как все, что мы узнали до сих пор, можно поместить в схему классификации материи и материалов.

Рисование научных визуальных представлений

Ученые используют не только слова, но и диаграммы, графики и изображения для передачи своих знаний. Другими словами, они общаются через сложную комбинацию семиотических (смыслообразующих) систем для создания мультимодальных текстов (Polias, 2016).

На этой странице

Студенты должны уметь понимать эти визуальные представления и создавать свои собственные. Создание этих представлений дает учащимся возможность поиграть со своими возникающими идеями, построить и расширить существующие знания, а также изучить соответствующие визуальные условности (Ainsworth, Prain & Tytler, 2011).

Процесс рисования диаграмм, а также их объяснение и обоснование помогает учащимся развить научные знания (Waldrip, Prain & Carolan, 2010).Таким образом, создание визуальных представлений следует рассматривать как инструмент мышления, который одновременно развивает и демонстрирует понимание учащимися. Исследования показали, что использование рабочих тетрадей, выровненных с одной стороны и пустых с другой, не только побуждает учащихся использовать рисование для изучения и представления идей, но и повышает вовлеченность учащихся в процесс обучения (Tytler, Prain & Hubber, 2018).

Четыре стратегии, помогающие учащимся рисовать визуальные представления своих научных знаний:

  • критика и создание диаграмм
  • совместное построение диаграмм
  • написание и рисование химических реакций
  • преобразование данных

Также есть примечание об использовании концептуальных карт.

Критика и создание диаграмм

В области естественных наук учащимся предоставляется ряд диаграмм и моделей, которые представляют абстрактные и сложные процессы. Обучение студентов навыкам критики визуальных и физических представлений в науке дает им возможность определять положительные и продуктивные аспекты, которые они затем могут включить в свои собственные схематические представления.

Следующее упражнение было адаптировано из Tytler, Prain and Hubber (2018) и фокусируется на рок-цикле, который преподается в 7 или 8 классе (VCSSU102).Одно визуальное представление рок-цикла, которое можно использовать, также представлено ниже.

Эту стратегию можно адаптировать для поддержки обучения, связанного с любым описанием содержания Science Understanding.

  1. Подарите учащимся 5–7 наглядных изображений рок-цикла.
  2. В группах по три или четыре учащиеся критикуют различные формы диаграмм. Например, они могут:
  • отметить особенности, которые они считают полезными или сбивающими с толку;
  • записать, что показано хорошо, а что нет.
  • Учитель поддерживает критику учеников, задавая вопросы, чтобы вызвать более конкретные ответы (например, «Что вы имеете в виду под« всем »?»; «Что вам нравится в том, как нарисован процесс осаждения?»)
  • Студенты конструируют собственное представление рок-цикла.
  • Источник:
    Наша изменяющаяся земля: цикл горных пород, Австралийское содружество (Geoscience Australia), 2014.

    Совместное построение диаграмм

    Совместное строительство — это совместная учебная деятельность, которая дает возможность учителю и ученикам делиться своими знаниями и учиться друг у друга (Стратегия ХИТОВ 5).Совместное построение может использоваться для поддержки учащихся в развитии их грамотных навыков рисования визуальных представлений знаний.

    1. Дайте учащимся письменное определение процесса.
    2. Попросите учащихся обсудить определение в парах.
    3. Попросите учащихся нарисовать схему, чтобы представить процесс.
    4. Учащиеся объясняют классу свои диаграммы.
    5. Учащиеся получают отзывы о своей диаграмме от своих сверстников и учителя.
    6. Учащимся предоставляется возможность реагировать на отзывы для уточнения своих диаграмм.

    Изображения ниже — это рисунки, сделанные учениками 7 класса, чтобы показать взаимосвязь между броуновским движением и изменениями состояния (VCSSU096,
    VCSIS110).

    Изображение ниже представляет собой рисунок, сделанный учеником 10 класса, чтобы показать взаимосвязь между хромосомами, ДНК и генами (VCSSU119,
    VCSIS137).

    Написание и рисование химических реакций

    Химическая формула — это очень короткий и сокращенный способ представления (Taasoobshirazi & Glynn, 2009).Хотя химические формулы обеспечивают эффективное общение между учеными, они создают препятствия для понимания учащимися (Taasoobshirazi & Glynn, 2009).

    Помощь студентам в переходе между способами представления химических формул должна помочь им развить как понимание смысловой системы химии, так и химии, участвующей в представленных химических реакциях.

    Пример ниже можно использовать в классе 9 или 10 (VCSSU124,
    VCSIS137).Следующий образец ученика 9 класса.

    1. Учитель или ученик записывает химическую реакцию словами.
    2. С помощью ученики записывают химическую формулу реагентов и продуктов.
    3. Учащиеся рисуют молекулярные диаграммы реагентов и продуктов.
    4. Учащиеся уравновешивают химическое уравнение, рисуя дополнительные молекулярные диаграммы для реагентов и продуктов.
    5. Когда рисунки уравновешены, ученики подсчитывают молекулы на каждой стороне реакции и уравновешивают химическую реакцию.
    6. Студенты могут переписать химическую реакцию словами, добавив количество молекул каждого реагента и продукта.


    В первой части этого видео Эмили Рошетт демонстрирует, как учителя могут помочь ученикам перемещаться между различными представлениями химических реакций. После наблюдения за несколькими химическими реакциями учащимся предлагается преобразовать письменные химические реакции в химические уравнения и молекулярные диаграммы.

    Видео в классе

    Во второй части видео Эмили обсуждает важность рисования диаграмм в науке.Она подчеркивает особенности научных рисунков (в отличие от повседневных рисунков), чтобы лучше развивать у учащихся навыки рисования.

    Подсказки учащихся

    • Что ваши учителя сделали для поддержки ваших навыков рисования в естественных науках?
    • В чем разница между повседневными рисунками и научными рисунками?
    • Как рисование химических реакций может помочь вам понять, как реагируют химические вещества?

    Прочитать
    подробные примечания к этому видео.

    Преобразование данных

    В науке данные и концепции представлены в нескольких режимах (формах коммуникации). Помимо письменной речи, ученые используют изображения, графики, диаграммы и модели, и это лишь некоторые из них.

    Различные способы связи представляют информацию по-разному, и ни один из режимов не может дать вам полное значение. Другими словами, каждый способ общения имеет свои преимущества и недостатки.

    Преобразование или преобразование контента в различные формы может быть сложной задачей для учащихся, потому что при переходе между режимами можно получить или потерять какой-то смысл (Jakobson et al., 2018). Студентам требуется поддержка для преобразования данных, поскольку изменение режима представления информации требует изменения как формы (структуры), так и содержания (Jakobson et al., 2018).

    Помощь студентам в преобразовании данных из одной формы в другую:

    • улучшает их навыки грамотности в области естественных наук
    • помогает им понять преимущества и ограничения различных форм представления (или модальной доступности)
    • помогает им развиваться и писать объяснения своих наблюдений.
    Видео для экспертов

    В этом видео доктор Эмили Рошетт обсуждает некоторые проблемы грамотности, связанные с обучением естественным наукам. Сюда входит представление научных концепций или явлений в устной, письменной форме или в виде диаграмм, а также написание различных типов текста, особенно в связи с практической деятельностью. Доктор Рошетт считает, что учителям важно моделировать, как включать научные представления в письменные ответы.

    Подсказки учителя

    • Как вы помогаете своим ученикам устанавливать значимые связи между микроскопическим, макроскопическим и символическим уровнями репрезентации в химии?
    • Как вы моделируете написание каждого раздела практического отчета по химии?



    Расшифровка аудиозаписи

    [нежная музыка]

    [Доктор Эмили Рошетт] Итак, одна из задач химии — помочь студентам установить связи между макроскопическим, микроскопическим и символическим уровнями репрезентаций.

    Например, когда мы учим уравновешивать химические реакции в младших классах химии, студентам сразу же предоставляется символическое представление этих веществ, и они должны уметь объяснять, как эти вещества меняются в химических реакциях.

    Итак, мы пытаемся представить эти химические формулы в терминах моделей частиц атома.

    Мы используем таблицы, чтобы объяснить, что происходит с отдельными атомами и как они перестраиваются, чтобы помочь учащимся сформулировать, что происходит на микроскопическом уровне.

    И это становится довольно сложной задачей, потому что студенты должны делать это не только устно, они также должны делать это в письменной форме, и означает ли это представление различных веществ с помощью изображений, но также и с использованием научной терминологии в более длинных письменных ответах.

    Подобные вещи становятся довольно сложными, когда они включаются в практическую работу, например, потому что существует много разных типов текста, которые используются в практической работе.

    Например, создание процедуры или метода с пошаговым выполнением действий и интерпретацией научных данных, и тому подобное.

    Но также одна конкретная область, которая является довольно сложной для студентов в практической работе, — это обсуждение, в котором им необходимо продемонстрировать свое понимание этих трех различных представлений.

    Так что практиковать это много во время урока посредством обсуждения, письменных ответов и, в частности, использования ответов студентов, которые могут быть несложными с научного уровня, демонстрация их в классе и моделирование правильного использования этой терминологии становится очень и очень важным. .

    [нежная музыка]

    Следующее задание и образец ученика взяты из класса 10 (VCSSU133,
    VCSIS137,
    VCSIS138), адаптированный из Jacobson et al. (2018). В то время как конечным продуктом этой стратегии является написание студентами объяснения своих наблюдений, стратегию можно адаптировать так, чтобы сосредоточить внимание на развитии у студентов способности представлять научные данные в любом режиме.

    1. Студенты проводят эксперимент (например, измеряют время периода качания маятника).
    2. Учащиеся рисуют диаграмму для представления своих наблюдений (например, двухмерная диаграмма качания маятника, включая длину маятника, вес и измеренное время).
    3. Учащиеся преобразуют диаграмму в формат таблицы (например, таблица с 3 столбцами, в которой записываются «длина», «вес» и «время за 10 периодов»).
    4. Учащиеся анализируют свою таблицу, чтобы написать список обобщений своих наблюдений.
    5. Учащиеся просматривают свой маркированный список и переписывают свои обобщения в бегущей текстовой форме.Убедитесь, что учащиеся используют связующие и причинно-следственные связи (см. Выражение причины и следствия).

    Посмотреть полноразмерное изображение объяснения маятника учащегося — jpg 768kb

    Примечание о концептуальных картах

    Концептуальная карта — это визуальное представление, которое показывает отношения между объектами, словами или идеями. Использование концептуальных карт — это метакогнитивная стратегия (HITS-стратегия 9).

    Фишер, Фрей и Хэтти (2016) предполагают, что использование концептуального картирования наиболее эффективно, когда оно используется в качестве инструмента для студентов, чтобы показать свое мышление и систематизировать то, что они знают.Другими словами, концептуальную карту нельзя рассматривать как конечный продукт; скорее, это промежуточный шаг, который студенты могут использовать для выполнения другого задания (Fisher, Frey & Hattie 2016, p. 80).

    Концептуальные карты могли быть использованы для поддержки мышления учащихся в любой из стратегий, описанных в других разделах. Например, для критики и построения диаграмм студенты могли использовать концептуальную карту, чтобы делать заметки о различных плакатах, которые они наблюдали. Затем они могли использовать свою концептуальную карту, чтобы построить свою индивидуальную диаграмму.

    Ссылки

    Эйнсворт, С., Прейн, В., & Титлер, Р. (2011). Рисование, чтобы учиться в науке. Наука, 333 (6046), 1096–1097.

    Фишер Д., Фрей Н. и Хэтти Дж. (2016). Наглядное обучение грамоте, классы K-12: внедрение методов, которые лучше всего работают для ускорения обучения учащихся. Корвин Пресс.

    Якобсон, Б., Даниэльссон, К., Аксельссон, М., и Уддлинг, Дж. (2018). Время измерения. Осмысление смыслов физики у многоязычных учеников начальной школы.В К.-С. Тан и К. Даниэльссон (ред.) Глобальные тенденции в исследованиях грамотности для естественнонаучного образования (стр. 167–181). Лондон: Рутледж.

    Полиас, Дж. (2016). Обучение студентов естествознанию: научные действия, разговоры и письма. Мельбурн: Lexis Education.

    Таасообщирази Г. и Глинн С. М. (2009). Студенты колледжа, решающие проблемы химии: теоретическая модель опыта. Журнал исследований в области преподавания естественных наук: Официальный журнал Национальной ассоциации исследований в области преподавания естественных наук, 46 (10), 1070-1089.

    Тайлер Р., Прейн В. и Хабберм П. (2018). Построение репрезентации как основа дисциплинарной грамотности науки. В К.-С. Тан и К. Даниэльссон (ред.) Глобальные тенденции в исследованиях грамотности для естественнонаучного образования (стр. 301–317). Лондон: Рутледж.

    Уолдрип Б., Прейн В. и Кэролан Дж. (2010). Использование мультимодальных представлений для улучшения обучения в младших классах средней школы. Исследования в области естественно-научного образования, 40 (1), 65–80.

    12.7 Катализ — химия

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните функцию катализатора с точки зрения механизмов реакции и диаграмм потенциальной энергии
    • Перечислить примеры катализа в природных и промышленных процессах

    Мы видели, что скорость многих реакций может быть увеличена с помощью катализаторов.Катализатор ускоряет скорость реакции за счет снижения энергии активации; кроме того, катализатор регенерируется в процессе. Несколько реакций, которые являются термодинамически благоприятными в отсутствие катализатора, протекают с разумной скоростью только при наличии катализатора. Одной из таких реакций является каталитическое гидрирование, процесс, при котором водород добавляют через связь C = C алкена с получением насыщенного алканового продукта. Сравнение диаграмм координат реакции (также известных как энергетические диаграммы) для каталитического и некаталитического гидрирования алкена показано на рисунке 1.

    Рис. 1. На этом графике сравниваются координаты реакции каталитического и некаталитического гидрирования алкена.

    Катализаторы функционируют, обеспечивая альтернативный механизм реакции, который имеет более низкую энергию активации, чем было бы обнаружено в отсутствие катализатора. В некоторых случаях каталитический механизм может включать дополнительные этапы, как показано на диаграммах реакций, показанных на рисунке 2. Эта более низкая энергия активации приводит к увеличению скорости, как описано уравнением Аррениуса.Обратите внимание, что катализатор снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции и, следовательно, ускоряет как прямую, так и обратную реакции . Следовательно, присутствие катализатора позволит системе быстрее достичь равновесия, но не влияет на положение равновесия, что отражается в значении его константы равновесия (см. Следующую главу о химическом равновесии).

    Рис. 2. Эта диаграмма потенциальной энергии показывает влияние катализатора на энергию активации.Катализатор обеспечивает другой путь реакции с более низкой энергией активации. Как показано, каталитический путь включает двухступенчатый механизм (обратите внимание на наличие двух переходных состояний) и промежуточный вид (представленный долиной между двумя переходными состояниями).

    Пример 1

    Использование диаграмм реакций для сравнения каталитических реакций
    Две диаграммы здесь представляют одну и ту же реакцию: одна без катализатора, а другая с катализатором. Определите, какая диаграмма предполагает присутствие катализатора, и определите энергию активации катализированной реакции:

    Раствор
    Катализатор не влияет на энергию реагента или продукта, поэтому этими аспектами диаграмм можно пренебречь; они, как и следовало ожидать, идентичны в этом отношении.Однако есть заметная разница в переходном состоянии, которое на диаграмме (b) заметно ниже, чем на (а). Это указывает на использование катализатора на диаграмме (b). Энергия активации — это разница между энергией исходных реагентов и переходного состояния — максимум на координатной диаграмме реакции. Реагенты имеют концентрацию 6 кДж, а переходное состояние — 20 кДж, поэтому энергию активации можно рассчитать следующим образом:

    [латекс] E _ {\ text {a}} = 20 \; \ text {kJ} \; — \; 6 \; \ text {kJ} = 14 \; \ text {kJ} [/ latex]

    Проверьте свои знания
    Определите, какая из двух диаграмм (обе для одной и той же реакции) включает катализатор, и определите энергию активации катализированной реакции:

    Ответ:

    Диаграмма (b) представляет собой катализируемую реакцию с энергией активации около 70 кДж.

    Гомогенный катализатор присутствует в той же фазе, что и реагенты. Он взаимодействует с реагентом с образованием промежуточного вещества, которое затем разлагается или вступает в реакцию с другим реагентом на одной или нескольких стадиях для регенерации исходного катализатора и образования продукта.

    В качестве важной иллюстрации гомогенного катализа рассмотрим озоновый слой Земли. Озон в верхних слоях атмосферы, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения, образуется, когда молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и вступают в реакцию:

    [латекс] 3 \ text {O} _2 (g) \; {\ xrightarrow {hv}} \; 2 \ text {O} _3 (g) [/ latex]

    Озон — относительно нестабильная молекула, которая разлагается с образованием двухатомного кислорода по обратному этому уравнению.Эта реакция разложения соответствует следующему механизму:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {O} _3 & \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em ] \ text {O} \; + \; \ text {O} _3 & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

    Присутствие оксида азота NO влияет на скорость разложения озона. Оксид азота действует как катализатор по следующему механизму:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _3 (g) & \ text {NO} _2 (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] \ text {O} _3 (g) & \ text {O} _2 (g) \; + \; \ text {O} (g) \\ [0.5em] \ text {NO} _2 (g) \ ; + \; \ text {O} (g) & \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \ end {array} [/ latex]

    Общее химическое изменение для каталитического механизма такое же, как:

    [латекс] 2 \ text {O} _3 (g) \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 (g) [/ latex]

    Оксид азота реагирует и регенерируется в этих реакциях. Он не расходуется постоянно; таким образом, он действует как катализатор. Скорость разложения озона выше в присутствии оксида азота из-за каталитической активности NO.Некоторые соединения, содержащие хлор, также катализируют разложение озона.

    Марио Х. Молина

    Нобелевская премия по химии 1995 г. была разделена между Полом Дж. Крутценом, Марио Дж. , Молиной (рис. 3) и Ф. Шервудом Роулендом «за их работы в области химии атмосферы, особенно в отношении образования и разложения озона». Молина, гражданин Мексики, выполнял большую часть своей работы в Массачусетском технологическом институте (MIT).

    Рисунок 3. (a) Мексиканский химик Марио Молина (1943 -) разделил Нобелевскую премию по химии в 1995 году за исследование (b) озоновой дыры в Антарктике. (Фото а: любезно предоставлено Марио Молиной; кредит б: модификация работы НАСА)

    В 1974 году Молина и Роуленд опубликовали статью в журнале Nature (одна из основных рецензируемых публикаций в области науки) с подробным описанием угроза хлорфторуглеродных газов стабильности озонового слоя в верхних слоях атмосферы Земли. Озоновый слой защищает Землю от солнечного излучения, поглощая ультрафиолетовый свет.По мере того как химические реакции истощают количество озона в верхних слоях атмосферы, над Антарктидой образуется измеримая «дыра», и увеличение количества солнечного ультрафиолетового излучения, тесно связанное с распространением рака кожи, достигает поверхности Земли. Работа Молины и Роуленда сыграла важную роль в принятии Монреальского протокола, международного договора, подписанного в 1987 году, который успешно начал поэтапное прекращение производства химикатов, связанных с разрушением озона.

    Молина и Роуленд продемонстрировали, что атомы хлора из химических веществ, созданных человеком, могут катализировать разрушение озона в процессе, аналогичном тому, с помощью которого NO ускоряет разрушение озона.Атомы хлора образуются, когда хлороуглероды или хлорфторуглероды, которые когда-то широко использовались в качестве хладагентов и пропеллентов, фотохимически разлагаются ультрафиолетом или реагируют с гидроксильными радикалами. Здесь показан пример механизма с использованием хлористого метила:

    [латекс] \ text {CH} _3 \ text {Cl} \; + \; \ text {OH} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {other \; продукты } [/ латекс]

    Хлорные радикалы разрушают озон и регенерируются в следующем каталитическом цикле:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _3 & \ text {ClO} \; + \; \ текст {O} _2 \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} & \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ text {total \; Реакция: \; O} _3 \; + \; \ text {O} & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

    Один одноатомный хлор может расщепить тысячи молекул озона. К счастью, большая часть атмосферного хлора существует в виде каталитически неактивных форм Cl 2 и ClONO 2 .

    После получения своей части Нобелевской премии Молина продолжил свою работу в области химии атмосферы в Массачусетском технологическом институте.

    Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

    Ферменты в организме человека действуют как катализаторы важных химических реакций клеточного метаболизма.Таким образом, дефицит определенного фермента может привести к опасному для жизни заболеванию. Дефицит G6PD (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), генетическое заболевание, которое приводит к нехватке фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, является наиболее распространенной недостаточностью ферментов у людей. Этот фермент, показанный на рисунке 4, является ферментом, ограничивающим скорость метаболического пути, который доставляет НАДФН в клетки (рисунок 5).

    Рисунок 4. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — это фермент, ограничивающий скорость метаболического пути, который поставляет НАДФН в клетки.

    Нарушение этого пути может привести к снижению содержания глутатиона в эритроцитах; как только весь глутатион израсходован, ферменты и другие белки, такие как гемоглобин, становятся уязвимыми. Например, гемоглобин может метаболизироваться до билирубина, что приводит к желтухе — состоянию, которое может стать серьезным. Люди, страдающие дефицитом G6PD, должны избегать определенных продуктов и лекарств, содержащих химические вещества, которые могут вызвать повреждение их эритроцитов с дефицитом глутатиона.

    Рисунок 5. В механизме пентозофосфатного пути G6PD катализирует реакцию, регулирующую NAPDH, кофермент, регулирующий глутатион, антиоксидант, защищающий эритроциты и другие клетки от окислительного повреждения.

    Гетерогенный катализатор представляет собой катализатор, который находится в другой фазе (обычно твердой), чем реагенты. Такие катализаторы обычно функционируют, создавая активную поверхность, на которой может происходить реакция. Газовые и жидкофазные реакции, катализируемые гетерогенными катализаторами, происходят на поверхности катализатора, а не внутри газовой или жидкой фазы.

    Гетерогенный катализ имеет не менее четырех этапов:

    1. Адсорбция реагента на поверхности катализатора
    2. Активация адсорбированного реагента
    3. Реакция адсорбированного реагента
    4. Диффузия продукта с поверхности в газовую или жидкую фазу (десорбция).

    Любой из этих этапов может быть медленным и, таким образом, может служить этапом определения скорости. В целом, однако, в присутствии катализатора общая скорость реакции выше, чем если бы реагенты находились в газовой или жидкой фазе.

    На рис. 6 показаны этапы, которые, по мнению химиков, происходят в реакции соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь, с водородом на никелевом катализаторе. Никель — это катализатор, используемый при гидрировании полиненасыщенных жиров и масел (которые содержат несколько двойных углерод-углеродных связей) для получения насыщенных жиров и масел (которые содержат только одинарные углерод-углеродные связи).

    Рис. 6. Есть четыре стадии катализа реакции C 2 H 4 + H 2 ⟶C 2 H 6 никелем.(а) Водород адсорбируется на поверхности, разрывая связи H – H и образуя связи Ni – H. (б) Этилен адсорбируется на поверхности, разрывая π-связь и образуя связи Ni – C. (c) Атомы диффундируют по поверхности и при столкновении образуют новые связи C – H. (d) C 2 H 6 молекул ускользают с поверхности никеля, так как они не сильно притягиваются к никелю.

    Другие важные промышленные процессы, которые включают использование гетерогенных катализаторов, включают получение серной кислоты, получение аммиака, окисление аммиака до азотной кислоты и синтез метанола, CH 3 OH.Гетерогенные катализаторы также используются в каталитических нейтрализаторах большинства автомобилей с бензиновым двигателем (рис. 7).

    Автомобильные каталитические преобразователи

    Ученые разработали каталитические нейтрализаторы для уменьшения количества токсичных выбросов, производимых при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания. Каталитические нейтрализаторы используют все пять факторов, влияющих на скорость химических реакций, чтобы обеспечить максимальную безопасность выхлопных газов.

    Используя тщательно подобранную смесь каталитически активных металлов, можно добиться полного сгорания всех углеродсодержащих соединений до диоксида углерода, а также снизить выход оксидов азота.Это особенно впечатляет, если учесть, что один этап включает добавление кислорода к молекуле, а другой — удаление кислорода (рис. 7).

    Рис. 7. Каталитический нейтрализатор позволяет сжигать все углеродсодержащие соединения до диоксида углерода, одновременно снижая выход оксида азота и других загрязняющих веществ в выбросы от двигателей, работающих на бензине.

    Большинство современных трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов имеют поверхность, пропитанную платино-родиевым катализатором, который катализирует превращение оксида азота в диазот и кислород, а также превращение оксида углерода и углеводородов, таких как октан, в диоксид углерода и водяной пар:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} 2 \ text {NO} _2 (g) & \ text {N} _2 (g) \; + \; 2 \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {CO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) & 2 \ text {CO} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {C} _8 \ текст {H} _ {18} (g) \; + \; 25 \ text {O} _2 (g) & 16 \ text {CO} _2 (g) \; + \; 18 \ text {H} _2 \ текст {O} (g) \ end {array} [/ latex]

    Для обеспечения максимальной эффективности большинство каталитических нейтрализаторов предварительно нагревается электронагревателем. Это гарантирует, что металлы в катализаторе будут полностью активными даже до того, как выхлопные газы автомобиля станут достаточно горячими для поддержания соответствующих температур реакции.

    «ChemWiki» Калифорнийского университета в Дэвисе дает подробное объяснение того, как работают каталитические нейтрализаторы.

    Структура и функции фермента

    Изучение ферментов — важная взаимосвязь между биологией и химией. Ферменты обычно представляют собой белки (полипептиды), которые помогают контролировать скорость химических реакций между биологически важными соединениями, особенно теми, которые участвуют в клеточном метаболизме. Различные классы ферментов выполняют множество функций, как показано в Таблице 36.

    Класс Функция
    оксидоредуктазы окислительно-восстановительные реакции
    трансферазы перенос функциональных групп
    гидролазы реакция гидролиза
    лиаз отщепление группы с образованием двойных связей
    изомеразы изомеризация
    лигаз образование связи при гидролизе АТФ
    Таблица 36. Классы ферментов и их функции

    Молекулы фермента обладают активным центром, частью молекулы, форма которой позволяет ей связываться с определенным субстратом (молекулой реагента), образуя комплекс фермент-субстрат в качестве промежуточного продукта реакции. Есть две модели, которые пытаются объяснить, как работает этот активный сайт. Самая упрощенная модель называется гипотезой замка и ключа, которая предполагает, что молекулярные формы активного центра и субстрата дополняют друг друга и подходят друг к другу, как ключ в замке.Гипотеза индуцированной подгонки, с другой стороны, предполагает, что молекула фермента является гибкой и меняет форму, чтобы приспособиться к связи с субстратом. Однако это не означает, что активный центр фермента полностью податлив. И модель «замок-и-ключ», и модель индуцированного соответствия учитывают тот факт, что ферменты могут связываться только с определенными субстратами, поскольку в целом конкретный фермент катализирует только конкретную реакцию (рис. 8).

    Рис. 8. (a) Согласно модели с замком и ключом, форма активного центра фермента идеально подходит для субстрата.(b) Согласно модели индуцированной подгонки, активный центр в некоторой степени гибок и может изменять форму, чтобы соединиться с подложкой.

    Королевское химическое общество представляет собой прекрасное введение в ферменты для студентов и преподавателей.

    Катализаторы влияют на скорость химической реакции, изменяя ее механизм, чтобы обеспечить более низкую энергию активации. Катализаторы могут быть гомогенными (в той же фазе, что и реагенты) или гетерогенными (отличная от реагентов фаза).

    Химия: упражнения в конце главы

    1. Учитывать увеличение скорости реакции, вызванное катализатором.
    2. Сравните функции гомогенных и гетерогенных катализаторов.
    3. Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: Атомы хлора, образующиеся в результате разложения хлорфторметанов, например CCl 2 F 2 , катализируют разложение озона в атмосфере. Один из упрощенных механизмов разложения:
      [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \ \ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {Cl} \; {\ longrightarrow} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {ClO} \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

      (а) Объясните, почему атомы хлора являются катализаторами газофазного превращения:

      [латекс] 2 \ text {O} _3 \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 [/ latex]

      (b) Оксид азота также участвует в разложении озона по механизму:

      [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {NO} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} _2 \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ текст {NO} _2 \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

      Нет катализатора разложения? Поясните свой ответ.

    4. Для каждой из следующих пар диаграмм реакций укажите, какая из пары катализируется:

      (а)

      (б)

    5. Для каждой из следующих пар диаграмм реакций укажите, какая из пар катализируется:

      (а)

      (б)

    6. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E a ) реакции:

      (а)

      (б)

    7. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E a ) реакции:

      (а)

      (б)

    8. На основании диаграмм в упражнении 6 «Химия» в конце главы, какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?
    9. На основании диаграмм в упражнении 7 в конце главы «Химия», какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?

    Глоссарий

    гетерогенный катализатор
    катализатор присутствует в фазе, отличной от фазы реагентов, обеспечивая поверхность, на которой может происходить реакция
    гомогенный катализатор
    катализатор присутствует в той же фазе, что и реагенты

    Решения

    Ответы на упражнения в конце главы по химии

    1.Общий способ действия катализатора заключается в обеспечении механизма, с помощью которого реагенты могут легче объединяться, выбирая путь с более низкой энергией реакции. Скорость как прямой, так и обратной реакции увеличивается, что приводит к более быстрому достижению равновесия.

    3. (a) Атомы хлора являются катализатором, потому что они реагируют на второй стадии, но регенерируются на третьей стадии. Таким образом, они не расходуются, что характерно для катализаторов. (б) NO является катализатором по той же причине, что и в части (а).

    5. Понижение энергии переходного состояния указывает на действие катализатора. а) А; (б) B

    7. Энергия, необходимая для перехода из начального состояния в переходное, составляет: а) 10 кДж; (б) 10 кДж

    9. Оба имеют одинаковую энергию активации, поэтому у них одинаковая скорость.

    Полимеры

    Полимеры

    1. Введение

    До начала 1920-х годов химики сомневались в существовании молекул с молекулярной массой больше нескольких тысяч.Это ограничивающее мнение было оспорено Германом Штаудингером, немецким химиком, имеющим опыт изучения природных соединений, таких как каучук и целлюлоза. В отличие от преобладающего рационализации этих веществ как агрегатов небольших молекул, Штаудингер предположил, что они состоят из макромолекул , состоящих из 10 000 или более атомов. Он сформулировал полимерную структуру для каучука на основе повторяющегося изопренового звена (называемого мономером). За свой вклад в химию Штаудингер получил Нобелевскую премию 1953 года.Термины полимер и мономер произошли от греческих корней poly (многие), mono (один) и meros (часть).

    За признанием того, что полимерные макромолекулы составляют многие важные природные материалы, последовало создание синтетических аналогов, обладающих множеством свойств. Действительно, применение этих материалов в качестве волокон, гибких пленок, клеев, стойких красок и твердых, но легких твердых тел изменило современное общество.Некоторые важные примеры этих веществ обсуждаются в следующих разделах.

    2. Написание формул для полимерных макромолекул

    Повторяющаяся структурная единица большинства простых полимеров не только отражает мономер (ы), из которых состоят полимеры, но также предоставляет краткие средства для рисования структур, представляющих эти макромолекулы. Для полиэтилена, возможно, самого простого полимера, это демонстрируется следующим уравнением. Здесь этилен (этен) является мономером, а соответствующий линейный полимер называется полиэтиленом высокой плотности (HDPE).ПЭВП состоит из макромолекул, в которых n находится в диапазоне от 10 000 до 100 000 (молекулярная масса от 2 * 10 5 до 3 * 10 6 ).

    Если Y и Z представляют собой моль мономера и полимера соответственно, Z составляет приблизительно 10 -5 Y. Этот полимер называется полиэтиленом, а не полиметиленом, (-CH 2 -) n , потому что этилен является стабильным соединением. (метилен не является), и он также служит синтетическим предшественником полимера. Две открытые связи, оставшиеся на концах длинной цепи атомов углерода (окрашенные в пурпурный цвет), обычно не указываются, потому что атомы или группы, обнаруженные там, зависят от химического процесса, используемого для полимеризации.Синтетические методы, используемые для получения этого и других полимеров, будут описаны позже в этой главе.
    В отличие от более простых чистых соединений, большинство полимеров не состоят из идентичных молекул. Например, все молекулы HDPE представляют собой длинные углеродные цепи, но длина может варьироваться на тысячи мономерных единиц. По этой причине молекулярные массы полимеров обычно являются средними. Обычно используются два экспериментально определенных значения: M n , среднечисленная молекулярная масса, рассчитывается из распределения мольных долей молекул разного размера в образце, и M w , средневесовая молекулярная масса, равна рассчитывается из распределения массовых долей молекул разного размера.Они определены ниже. Поскольку более крупные молекулы в образце весят больше, чем молекулы меньшего размера, среднее значение M w обязательно смещено в сторону более высоких значений и всегда больше, чем M n . Когда весовая дисперсия молекул в образце сужается, M w приближается к M n , и в маловероятном случае, когда все молекулы полимера имеют одинаковый вес (чистый монодисперсный образец), отношение M w / M n становится единицей.

    Влияние различных распределений масс на M n и M w может быть исследовано с помощью простого калькулятора массы.
    Чтобы использовать это устройство, щелкните здесь.

    Известно много полимерных материалов, имеющих цепочечную структуру, аналогичную полиэтилену. Полимеры, образованные прямым соединением вместе мономерных звеньев без потери или увеличения количества материала, называются аддитивными полимерами или полимерами роста цепи . Список некоторых важных аддитивных полимеров и их предшественников мономеров представлен в следующей таблице.

    CH 2 ) n

    — (CH 2 -CH 2 ) n

    1

    25 Полистирол PS)

    Некоторые обычные аддитивные полимеры

    Имя (я)

    Формула

    Мономер

    Свойства

    Использует

    Полиэтилен
    низкой плотности (LDPE) (LDPE)
    этилен
    CH 2 = CH 2
    мягкая, воскообразная твердая пленка, полиэтиленовые пакеты
    Полиэтилен
    высокой плотности (HDPE)
    этилен
    CH 2 = CH 2
    жесткий, полупрозрачный сплошной электрическая изоляция
    бутылки, игрушки
    920 Полипропилен 920
    (PP) разные марки
    — [CH 2 -CH (CH 3 )] n пропилен
    CH 2 = CHCH 3
    9203 3 атактический : мягкий, эластичный твердый
    изотактический : твердый, прочный твердый
    похож на LDPE
    ковер, обивка
    Поли (винилхлорид)
    (ПВХ)
    — (CH 2 — CHCl) n винилхлорид
    CH 2 = CHCl
    прочный твердый массив трубы, сайдинг, пол
    Поли (винилиденхлорид)
    (Saran A)
    — (CHCl) 2 -CCl 2 ) n винилиденхлорид
    CH 2 = CCl 2
    плотный, тугоплавкий чехлы на сиденья, пленки
    — [CH 2 -CH (C 6 H 5 )] n стирол
    CH 2 = CHC 6 H 5
    жесткий, жесткий, прозрачное твердое вещество
    растворим в органических растворителях 9 0456

    игрушки, шкафы
    упаковка (вспененная)
    Полиакрилонитрил
    (PAN, Orlon, Acrilan)
    — (CH 2 -CHCN) n acrylo тугоплавкое твердое вещество
    , растворимое в органических растворителях
    коврики, одеяла
    одежда
    Политетрафторэтилен
    (PTFE, тефлон)
    — (CF 2 -CF

    тетрафторэтилен
    CF 2 = CF 2
    устойчивые, гладкие твердые антипригарные поверхности
    электроизоляция
    Поли (метилметакрилат)
    (PMMA, Lucite) — 9045 CH 2 -C (CH 3 ) CO 2 CH 3 ] n
    метилметакрилат
    CH 2 = C (CH 3 ) CO 2 CH 3
    твердый, прозрачный сплошной кожухи для освещения, вывески
    световые люки
    Поли (винилацетат)
    (PVAc)
    — (CH 2 -CHOCOCH 3 ) n

    ацетат
    CH 2 = CHOCOCH 3
    мягкое, липкое твердое вещество латексные краски, клеи
    цис-полиизопрен
    натуральный каучук
    — [CH 2 -C ( 3 ) -CH 2 ] n изопрен
    CH 2 = CH-C (CH 3 ) = CH 2
    мягкий, липкий твердый требует вулканизации
    для практического использования
    Полихлоропрен (цис + транс)
    (неопрен)
    — [CH 2 -CH = CCl-CH 2 ] n хлоропрен
    CH 2 = = CH 2
    жесткий, эластичный слой d синтетический каучук
    маслостойкий

    3.Свойства макромолекул

    Поучительно сравнение свойств полиэтилена (как LDPE, так и HDPE) с натуральными полимерами, каучуком и целлюлозой. Как отмечалось выше, синтетические макромолекулы HDPE имеют массы в диапазоне от 10 5 до 10 6 а.е.м. (молекулы LDPE более чем в сто раз меньше). Молекулы каучука и целлюлозы имеют одинаковые диапазоны масс, но меньше мономерных звеньев из-за большего размера мономера. Физические свойства этих трех полимерных веществ отличаются друг от друга и, конечно, от их мономеров.

    HDPE представляет собой твердое полупрозрачное твердое вещество, которое размягчается при нагревании выше 100 ° C и может принимать различные формы, включая пленки. Он не так легко растягивается и деформируется, как ПВД. HDPE нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, хотя при погружении в последний может наблюдаться некоторое набухание. HDPE — отличный электроизолятор.
    LDPE — это мягкое полупрозрачное твердое тело, которое плохо деформируется при температуре выше 75 ° C. Пленки из LDPE легко растягиваются и обычно используются для упаковки.LDPE нерастворим в воде, но размягчается и набухает под воздействием углеводородных растворителей. И LDPE, и HDPE становятся хрупкими при очень низких температурах (ниже -80 ° C). Этилен, обычный мономер для этих полимеров, представляет собой газ с низкой температурой кипения (-104 ° C).
    Натуральный (латексный) каучук представляет собой непрозрачное, мягкое, легко деформируемое твердое вещество, которое становится липким при нагревании (выше 60 ° C) и хрупким при охлаждении ниже -50 ° C. В неполярных органических веществах он набухает более чем в два раза. растворители, такие как толуол, со временем растворяются, но непроницаемы для воды.Изопрен C 5 H 8 является летучей жидкостью (точка кипения 34 ° C).
    Чистая целлюлоза в виде хлопка представляет собой мягкое гибкое волокно, практически не изменяющееся при колебаниях температуры в диапазоне от -70 до 80 ° C. Хлопок легко впитывает воду, но на него не влияет погружение в толуол или большинство других органических растворителей. . Волокна целлюлозы могут изгибаться и скручиваться, но перед разрывом они не сильно растягиваются. Мономером целлюлозы является C 6 H 12 O 6 альдогексоза D-глюкоза.Глюкоза представляет собой водорастворимое твердое вещество с температурой плавления ниже 150 ° C.

    Чтобы учесть отмеченные здесь различия, нам необходимо рассмотреть природу агрегированной макромолекулярной структуры или морфологии каждого вещества. Поскольку полимерные молекулы настолько велики, они обычно упаковываются вместе неоднородным образом, с упорядоченными или кристаллическими областями, смешанными вместе с неупорядоченными или аморфными доменами. В некоторых случаях все твердое тело может быть аморфным, полностью состоящим из свернутых и запутанных макромолекулярных цепей.Кристалличность возникает, когда линейные полимерные цепи структурно ориентированы в однородной трехмерной матрице. На диаграмме справа кристаллические домены окрашены в синий цвет.
    Повышенная кристалличность связана с увеличением жесткости, прочности на разрыв и непрозрачности (из-за светорассеяния). Аморфные полимеры обычно менее жесткие, более слабые и легче деформируются. Часто они прозрачные.

    Три фактора, которые влияют на степень кристалличности:
    i) Длина цепи
    ii) Разветвление цепи
    iii) Межцепочечное связывание

    Важность первых двух факторов хорошо иллюстрируется различиями между LDPE и HDPE.Как отмечалось ранее, HDPE состоит из очень длинных неразветвленных углеводородных цепей. Они легко упаковываются вместе в кристаллические домены, которые чередуются с аморфными сегментами, и полученный материал, хотя и относительно прочный и жесткий, сохраняет определенную гибкость. Напротив, ПЭНП состоит из более мелких и более разветвленных цепей, которые не легко принимают кристаллическую структуру. Таким образом, этот материал более мягкий, слабый, менее плотный и более легко деформируется, чем HDPE. Как правило, механические свойства, такие как пластичность, прочность на разрыв и твердость, повышаются и в конечном итоге выравниваются с увеличением длины цепи.

    Природа целлюлозы подтверждает вышеприведенный анализ и демонстрирует важность третьего фактора (iii). Во-первых, цепочки целлюлозы легко принимают стабильную стержнеобразную конформацию. Эти молекулы выстраиваются бок о бок в волокна, которые стабилизируются за счет межцепочечных водородных связей между тремя гидроксильными группами на каждом мономерном звене. Следовательно, кристалличность высока, и молекулы целлюлозы не перемещаются и не скользят друг относительно друга. Высокая концентрация гидроксильных групп также объясняет легкое водопоглощение, характерное для хлопка.

    Натуральный каучук — полностью аморфный полимер. К сожалению, потенциально полезные свойства сырого латексного каучука ограничены температурной зависимостью; однако эти свойства могут быть изменены путем химического изменения. Цис-двойные связи в углеводородной цепи образуют плоские сегменты, которые делают цепь более жесткой, но не выпрямляют ее. Если эти жесткие сегменты полностью удалить путем гидрирования (катализатор H 2 & Pt), цепи теряют всякую ограниченность, и продукт представляет собой низкоплавкое парафиноподобное полутвердое вещество с низкой температурой плавления.Если вместо этого цепи молекул каучука будут слегка сшиты атомами серы, процесс, названный вулканизацией , который был открыт Чарльзом Гудиером в 1839 году, желаемые эластомерные свойства каучука существенно улучшатся. При сшивании от 2 до 3% получается полезный мягкий каучук, который больше не страдает проблемами липкости и хрупкости при нагревании и охлаждении. При сшивании от 25 до 35% образуется продукт из твердой твердой резины. На следующем рисунке показан поперечно сшитый разрез аморфного каучука.При нажатии на диаграмму она изменится на отображение соответствующего растянутого участка. Более высокоупорядоченные цепи в растянутой конформации энтропийно нестабильны и возвращаются в свое первоначальное свернутое состояние, когда им позволяют расслабиться (щелкните второй раз).

    При нагревании или охлаждении большинство полимеров претерпевают тепловые превращения, которые позволяют понять их морфологию. Они определяются как переход плавления , T m , и переход стеклования , T g .

    T m — температура, при которой кристаллические домены теряют свою структуру или плавятся. По мере увеличения кристалличности увеличивается и T m .
    T г — температура, ниже которой аморфные домены теряют структурную подвижность полимерных цепей и становятся жесткими стеклами.

    T г часто зависит от истории образца, особенно от предыдущей термообработки, механических манипуляций и отжига.Иногда ее интерпретируют как температуру, при превышении которой значительные части полимерных цепей могут скользить мимо друг друга в ответ на приложенную силу. Введение относительно больших и жестких заместителей (таких как бензольные кольца) будет мешать этому движению цепи, таким образом увеличивая T g (обратите внимание на полистирол ниже). Введение в полимерную матрицу низкомолекулярных соединений, называемых пластификаторами, увеличивает расстояние между цепями, позволяя цепям двигаться при более низких температурах.что привело к снижению Т г . Выделение газов из пластификаторов, используемых для модификации пластиковых деталей салона автомобилей, производит «запах нового автомобиля», к которому мы привыкли.

    Значения T м и T г для некоторых распространенных аддитивных полимеров приведены ниже. Обратите внимание, что целлюлоза не имеет ни T m , ни T g .

    Полимер

    LDPE

    HDPE

    PP

    PVC

    PS

    PAN

    PAN

    PAN

    Резина

    T м (ºC)

    110 130 175 180 175 > 200 330 180 30

    T г (ºC)

    _ 110 _ 100 _

    9045

    9045 90

    95 _ 110 105 _ 70

    Каучук входит в важную группу полимеров, называемых эластомерами , .Эластомеры — это аморфные полимеры, которые обладают способностью растягиваться, а затем возвращаться к своей исходной форме при температурах выше T g . Это свойство важно для таких применений, как прокладки и уплотнительные кольца, поэтому разработка синтетических эластомеров, которые могут работать в суровых или сложных условиях, остается практической целью. При температурах ниже T г эластомеры становятся твердыми стекловидными телами и теряют всю эластичность. Трагическим примером этого стала катастрофа космического корабля «Челленджер».Термостойкие и химически стойкие уплотнительные кольца, используемые для герметизации секций твердотопливных ракет, имели, к сожалению, высокий T g , близкий к 0 ºC. Неожиданно низкие температуры утром перед запуском были ниже T g , что позволяло горячим ракетным газам выходить через уплотнения.

    4. Регио и стереоизомеризация в макромолекулах

    Симметричные мономеры, такие как этилен и тетрафторэтилен, могут соединяться вместе только одним способом. С другой стороны, монозамещенные мономеры могут соединяться вместе двумя организованными способами, описанными на следующей диаграмме, или третьим случайным образом.Большинство мономеров этого типа, включая пропилен, винилхлорид, стирол, акрилонитрил и сложные эфиры акриловой кислоты, предпочитают соединяться «голова к хвосту» с некоторой случайностью, возникающей время от времени. Причины такой региоселективности будут обсуждены в разделе синтетических методов.

    Если полимерная цепь нарисована зигзагообразно, как показано выше, каждая из групп заместителей (Z) обязательно будет расположена выше или ниже плоскости, определяемой углеродной цепью.Следовательно, мы можем выделить три конфигурационных изомера таких полимеров. Если все заместители находятся на одной стороне цепи, конфигурация называется изотактической . Если заместители чередуются с одной стороны на другую регулярным образом, конфигурация называется синдиотактической . Наконец, случайное расположение групп заместителей обозначается как атактическое . Здесь показаны примеры этих конфигураций.

    Многие обычные и полезные полимеры, такие как полистирол, полиакрилонитрил и поливинилхлорид, являются атактическими, как и обычно.Были разработаны индивидуальные катализаторы, которые влияют на стереорегулярную полимеризацию полипропилена и некоторых других мономеров, и улучшенные свойства, связанные с повышенной кристалличностью этих продуктов, сделали эту важную область исследований. Сообщалось о следующих значениях T г .

    Полимер

    T г атактический

    T г изотактический

    T г 9203 синдиотактический 6

    ºC

    0 ºC –8 ºC

    PMMA

    100 ºC 130 ºC 120 ºC

    Свойства данного полимера будут значительно различаться.Таким образом, атактический полипропилен бесполезен в качестве твердого строительного материала и используется в основном как компонент клея или как мягкая матрица для композитных материалов. Напротив, изотактический полипропилен представляет собой тугоплавкое твердое вещество (около 170 ºC), из которого можно формовать или обрабатывать конструкционные компоненты.

    Синтез дополнительных полимеров

    Все мономеры, из которых получают аддитивные полимеры, представляют собой алкены или функционально замещенные алкены. Наиболее распространенными и термодинамически предпочтительными химическими превращениями алкенов являются реакции присоединения.Известно, что многие из этих реакций присоединения протекают поэтапно с участием реакционноспособных промежуточных продуктов, и это механизм, которому следует большинство полимеризаций. Здесь представлена ​​общая диаграмма, иллюстрирующая эту сборку линейных макромолекул, которая поддерживает название полимеры роста цепи . Поскольку пи-связь в мономере превращается в сигма-связь в полимере, реакция полимеризации обычно экзотермична на 8-20 ккал / моль. Действительно, сообщалось о случаях взрыво-неконтролируемой полимеризации.

    Полезно выделить четыре процедуры полимеризации, соответствующие этому общему описанию.

    • Радикальная полимеризация Инициатор представляет собой радикал, а место распространения реакционной способности (*) представляет собой углеродный радикал.
    • Катионная полимеризация Инициатор представляет собой кислоту, а место распространения реакционной способности (*) представляет собой карбокатион.
    • Анионная полимеризация Инициатор представляет собой нуклеофил, а сайт размножения реактивности (*) представляет собой карбанион.
    • Координационная каталитическая полимеризация Инициатор представляет собой комплекс переходного металла, а центр роста реакционной способности (*) представляет собой терминальный каталитический комплекс.

    1. Радикальная полимеризация с ростом цепи

    Практически все описанные выше мономеры подвержены радикальной полимеризации. Поскольку это может быть вызвано следами кислорода или других незначительных примесей, чистые образцы этих соединений часто «стабилизируются» небольшими количествами ингибиторов радикалов, чтобы избежать нежелательной реакции.Когда желательна радикальная полимеризация, она должна быть начата с использованием радикального инициатора , такого как пероксид или некоторые азосоединения. Формулы некоторых распространенных инициаторов и уравнения, показывающие образование радикальных частиц из этих инициаторов, представлены ниже.

    Используя небольшие количества инициаторов, можно полимеризовать самые разные мономеры. Одним из примеров такой радикальной полимеризации является превращение стирола в полистирол, показанное на следующей диаграмме.Первые два уравнения иллюстрируют процесс инициирования , а последние два уравнения являются примерами распространения цепи . Каждое мономерное звено присоединяется к растущей цепи таким образом, чтобы генерировать наиболее стабильный радикал. Поскольку углеродные радикалы стабилизируются заместителями многих видов, предпочтение региоселективности «голова-к-хвосту» в большинстве аддитивных полимеризаций понятно. Поскольку радикалы толерантны ко многим функциональным группам и растворителям (включая воду), радикальная полимеризация широко используется в химической промышленности.

    Посмотреть анимированную модель радикальной полимеризации с ростом цепи винилхлорида

    В принципе, после начала радикальной полимеризации можно ожидать продолжения бесконтрольной полимеризации с образованием нескольких полимеров с чрезвычайно длинной цепью. На практике образуется большее количество цепей среднего размера, что указывает на то, что должны иметь место реакции обрыва цепи. Наиболее распространенные процессы прерывания — это Радикальная комбинация и Диспропорционирование .Эти реакции иллюстрируются следующими уравнениями. Растущие полимерные цепи окрашены в синий и красный цвет, а атом водорода, переносимый при диспропорционировании, окрашен в зеленый цвет. Обратите внимание, что в обоих типах терминации два реактивных радикальных центра удаляются одновременным превращением в стабильный продукт (продукты). Поскольку концентрация радикальных частиц в реакции полимеризации мала по сравнению с другими реагентами (например, мономерами, растворителями и терминированными цепями), скорость, с которой происходят эти радикально-радикальные реакции обрыва, очень мала, и большинство растущих цепей достигают умеренной длины до обрыва. .

    Относительная важность этих окончаний зависит от природы мономера, подвергаемого полимеризации. Для акрилонитрила и стирола основным процессом является комбинация. Однако образование метилметакрилата и винилацетата прекращается главным образом за счет диспропорционирования.

    Другая реакция, которая отвлекает радикальную полимеризацию с ростом цепи от производства линейных макромолекул, называется передачей цепи . Как следует из названия, эта реакция перемещает углеродный радикал из одного места в другое посредством межмолекулярного или внутримолекулярного переноса атома водорода (окрашено в зеленый цвет).Эти возможности демонстрируются следующими уравнениями

    Реакции передачи цепи особенно распространены при радикальной полимеризации этилена под высоким давлением, которая является методом, используемым для производства LDPE (полиэтилена низкой плотности). 1º-радикал на конце растущей цепи превращается в более стабильный 2º-радикал путем переноса атома водорода. Дальнейшая полимеризация в новом радикальном сайте генерирует радикал боковой цепи, что, в свою очередь, может привести к образованию других боковых цепей в результате реакций передачи цепи.В результате морфология LDPE представляет собой аморфную сеть сильно разветвленных макромолекул.

    2. Катионная полимеризация с ростом цепи

    Полимеризация изобутилена (2-метилпропена) следами сильных кислот является примером катионной полимеризации. Полиизобутилен представляет собой мягкое каучуковое твердое вещество, T г = _ 70º C, которое используется для внутренних труб. Этот процесс аналогичен радикальной полимеризации, что демонстрируется следующими уравнениями.Рост цепи прекращается, когда концевой карбокатион соединяется с нуклеофилом или теряет протон, давая концевой алкен (как показано здесь).

    Мономеры, содержащие стабилизирующие катион группы, такие как алкил, фенил или винил, могут быть полимеризованы катионными процессами. Обычно они инициируются при низкой температуре в растворе хлористого метилена. Сильные кислоты, такие как HClO 4 , или кислоты Льюиса, содержащие следы воды (как показано выше), служат в качестве инициирующих реагентов. При низких температурах реакции передачи цепи при такой полимеризации редки, поэтому получаемые полимеры являются чисто линейными (неразветвленными).

    3. Анионная полимеризация с ростом цепи

    Обработка холодного раствора стирола в ТГФ 0,001 эквивалентом н-бутиллития вызывает немедленную полимеризацию. Это пример анионной полимеризации, протекание которой описывается следующими уравнениями. Рост цепи может быть остановлен водой или углекислым газом, и передача цепи происходит редко. Только мономеры, имеющие заместители, стабилизирующие анион, такие как фенил, циано или карбонил, являются хорошими субстратами для этого метода полимеризации.Многие из полученных полимеров в значительной степени изотактичны по конфигурации и имеют высокую степень кристалличности.

    Разновидности, которые использовались для инициирования анионной полимеризации, включают щелочные металлы, амиды щелочных металлов, алкиллитий и различные источники электронов. Практическое применение анионной полимеризации происходит при использовании суперклея. Этот материал представляет собой метил-2-цианоакрилат, CH 2 = C (CN) CO 2 CH 3 . Под воздействием воды, аминов или других нуклеофилов происходит быстрая полимеризация этого мономера.

    4. Каталитическая полимеризация Циглера-Натта

    Эффективная и стереоспецифическая процедура каталитической полимеризации была разработана Карлом Циглером (Германия) и Джулио Натта (Италия) в 1950-х годах. Их открытия впервые позволили синтез неразветвленного высокомолекулярного полиэтилена (HDPE), лабораторный синтез натурального каучука из изопрена и контроль конфигурации полимеров из концевых алкенов, таких как пропен (например, чистые изотактические и синдиотактические полимеры).В случае этилена быстрая полимеризация происходила при атмосферном давлении и температуре от умеренной до низкой, давая более прочный (более кристаллический) продукт (HDPE), чем продукт радикальной полимеризации (LDPE). За это важное открытие эти химики получили Нобелевскую премию по химии 1963 года.

    Катализаторы Циглера-Натта

    получают реакцией определенных галогенидов переходных металлов с металлоорганическими реагентами, такими как реагенты алкилалюминий, литий и цинк. Катализатор, образованный реакцией триэтилалюминия с тетрахлоридом титана, широко изучался, но другие металлы (например.грамм. V & Zr) также оказались эффективными. На следующей диаграмме представлен один из механизмов этой полезной реакции. Были предложены и другие варианты с изменениями для учета неоднородности или однородности катализатора. Полимеризация пропилена под действием титанового катализатора дает изотактический продукт; тогда как катализатор на основе ванадия дает синдиотактический продукт.

    Сополимеры

    Синтез макромолекул, состоящих из более чем одного мономерного повторяющегося звена, был исследован как средство управления свойствами получаемого материала.В этом отношении полезно различать несколько способов, которыми различные мономерные звенья могут быть включены в полимерную молекулу. Следующие ниже примеры относятся к двухкомпонентной системе, в которой один мономер обозначен A , а другой B .

    Статистические сополимеры

    Также называемые статистическими сополимерами. Здесь мономерные звенья распределены в полимерной цепи случайным образом, а иногда и неравномерно: ~ ABBAAABAABBBABAABA ~.

    Чередующиеся сополимеры

    Здесь мономерные звенья распределены регулярным чередованием, с почти эквимолярным количеством каждого в цепи: ~ ABABABABABABABAB ~.

    Блок-сополимеры

    Вместо смешанного распределения мономерных единиц длинная последовательность или блок одного мономера присоединяется к блоку второго мономера: ~ AAAAA-BBBBBBB ~ AAAAAAA ~ BBB ~ .

    Привитые сополимеры

    Как следует из названия, боковые цепи данного мономера присоединены к основной цепи второго мономера: ~ AAAAAAA (BBBBBBB ~) AAAAAAA (BBBB ~) AAA ~.

    1. Аддитивная сополимеризация

    Большинство прямых сополимеризаций эквимолярных смесей различных мономеров дают статистические сополимеры, или, если один мономер намного более реакционноспособен, почти гомополимер этого мономера.Сополимеризация стирола, например, с метилметакрилатом, например, протекает по-разному в зависимости от механизма. Радикальная полимеризация дает статистический сополимер. Однако продуктом катионной полимеризации в основном является полистирол, а анионная полимеризация способствует образованию полиметилметакрилата. В случаях, когда относительная реакционная способность различна, состав сополимера иногда можно контролировать путем непрерывного введения в реакцию смещенной смеси мономеров.
    Образование чередующихся сополимеров благоприятно, когда мономеры имеют разные полярные заместители (например, один электроноакцепторный, а другой электронодонорный), и оба имеют одинаковую реакционную способность по отношению к радикалам. Например, сополимеризация стирола и акрилонитрила в значительной степени чередуется.

    Некоторые полезные сополимеры

    Мономер A

    Мономер B

    Сополимер

    Использует

    H 2 C = CHCl H 2 9045 S = CCl 9045 пленки и волокна
    H 2 C = CHC 6 H 5 H 2 C = C-CH = CH 2 SBR
    стирол-бутадиеновый каучук
    шины

    H 2 C = CHCN H 2 C = C-CH = CH 2 Нитрилкаучук клеи
    шланги
    H 2 C = C = C (CH4 9039) 2 H 2 C = C-CH = CH 2 Бутилкаучук внутренние трубы
    F 2 C = CF (CF 3 ) H 2 C = CHF Витон Прокладки

    Тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, называемый АБС-каучуком, используется для изготовления ударопрочных емкостей, труб и прокладок.

    2. Блок-сополимеризация

    Было разработано несколько различных методов получения блок-сополимеров, многие из которых используют реакции конденсации (следующий раздел). На этом этапе наше обсуждение будет ограничено применением анионной полимеризации. При анионной полимеризации стирола, описанной выше, реактивный центр остается на конце цепи до тех пор, пока она не будет погашена. Непогашенный полимер был назван живым полимером , и если добавляется дополнительный стирол или другой подходящий мономер, образуется блок-полимер.Это проиллюстрировано для метилметакрилата на следующей диаграмме.

    Конденсационные полимеры

    Большое количество важных и полезных полимерных материалов не образуется в результате процессов роста цепей с участием реакционноспособных частиц, таких как радикалы, а происходит вместо этого путем обычных преобразований функциональных групп полифункциональных реагентов. Эти полимеризации часто (но не всегда) происходят с потерей небольшого побочного продукта, такого как вода, и обычно (но не всегда) объединяют два разных компонента в чередующейся структуре.Полиэфир дакрон и полиамид нейлон 66, показанные здесь, являются двумя примерами синтетических полимеров конденсации, также известных как полимеры ступенчатого роста . В отличие от полимеров с цепочкой, большая часть которых растет за счет образования углерод-углеродных связей, ступенчатые полимеры обычно растут за счет образования углерод-гетероатомных связей (C-O и C-N в дакроне и нейлоне соответственно). Хотя полимеры такого типа можно рассматривать как чередующиеся сополимеры, повторяющееся мономерное звено обычно определяется как комбинированный фрагмент.
    Примерами встречающихся в природе конденсационных полимеров являются целлюлоза, полипептидные цепи белков и поли (β-гидроксимасляная кислота), полиэфир, синтезируемый в большом количестве некоторыми почвенными и водными бактериями. Формулы для них будут отображены ниже при нажатии на диаграмму.

    1. Характеристики конденсационных полимеров

    Конденсационные полимеры образуются медленнее, чем аддитивные полимеры, часто требуют тепла, и их молекулярная масса обычно ниже.Концевые функциональные группы в цепи остаются активными, так что группы более коротких цепей объединяются в более длинные цепи на поздних стадиях полимеризации. Присутствие полярных функциональных групп в цепях часто усиливает притяжение цепей к цепям, особенно если они связаны с водородными связями и, следовательно, кристалличностью и прочностью на разрыв. Следующие ниже примеры конденсационных полимеров являются иллюстративными.
    Следует отметить, что для промышленного синтеза компоненты карбоновой кислоты могут фактически использоваться в форме производных, таких как простые эфиры.Кроме того, реакции полимеризации нейлона 6 и спандекса не протекают путем удаления воды или других небольших молекул. Тем не менее, очевидно, что полимер образуется в процессе ступенчатого роста.

    Разница в T g и T m между первым полиэфиром (полностью алифатическим) и двумя нейлоновыми полиамидами (5-я и 6-я позиции) показывает влияние внутрицепочечных водородных связей на кристалличность. Замена гибких алкилиденовых звеньев жесткими бензольными кольцами также делает полимерную цепь более жесткой, что приводит к усилению кристаллического характера, как показано для полиэфиров (позиции 1, 2 и 3) и полиамидов (позиции 5, 6, 7 и 8).Высокие значения T g и T m для аморфного полимера Lexan соответствуют его блестящей прозрачности и жесткости, подобной стеклу. Кевлар и номекс — чрезвычайно прочные и стойкие материалы, которые находят применение в пуленепробиваемых жилетах и ​​огнестойкой одежде.

    Многие полимеры, как аддитивные, так и конденсационные, используются в качестве волокон. Основные методы формования синтетических полимеров в волокна — из расплавов или вязких растворов. Полиэфиры, полиамиды и полиолефины обычно получают из расплава при условии, что T m не слишком высок.Полиакрилаты подвергаются термическому разложению и поэтому их получают из раствора в летучем растворителе. Холодная вытяжка — это важная физическая обработка, улучшающая прочность и внешний вид этих полимерных волокон. При температурах выше T g волокно толще, чем требуется, может быть принудительно растянуто во много раз своей длины; и при этом полимерные цепи распутываются и имеют тенденцию выстраиваться параллельно. Эта процедура холодной вытяжки организует произвольно ориентированные кристаллические домены, а также выравнивает аморфные домены, чтобы они стали более кристаллическими.В этих случаях физически ориентированная морфология стабилизируется и сохраняется в конечном продукте. Это контрастирует с эластомерными полимерами, для которых растянутая или выровненная морфология нестабильна по сравнению с морфологией аморфной случайной спирали.
    При нажатии на следующую диаграмму изображение этих изменений будет переключаться из одной крайности в другую. Эту обработку холодным волочением также можно использовать для обработки полимерных пленок (например, майлара и сарана), а также волокон.

    Поступенчатая полимеризация также используется для получения класса адгезивов и аморфных твердых веществ, называемых эпоксидными смолами.Здесь ковалентное связывание происходит в результате реакции S N 2 между нуклеофилом, обычно амином, и концевым эпоксидом. В следующем примере тот же промежуточный бисфенол A, который используется в качестве мономера для Lexan, служит бифункциональным каркасом, к которому присоединены эпоксидные кольца. Бисфенол А получают путем катализируемой кислотой конденсации ацетона с фенолом.

    2.Термореактивные и термопластичные полимеры

    Большинство описанных выше полимеров относятся к термопластам .Это отражает тот факт, что выше T g им можно придавать форму или прессовать в формы, формовать или отливать из расплавов или растворять в подходящих растворителях для последующего формования. Кевлар и Номекс из-за их высокой температуры плавления и плохой растворимости в большинстве растворителей оказались проблемой, но в конечном итоге она была решена.
    Другая группа полимеров, характеризующихся высокой степенью сшивки, сопротивляется деформации и растворению после достижения их окончательной морфологии. Такие полимеры обычно получают в формах, которые позволяют получить желаемый объект.Поскольку эти полимеры, однажды сформированные, не могут быть изменены нагреванием, они называются термореактивными пластинами . Частичные формулы для четырех из них будут показаны ниже при нажатии соответствующей кнопки. Первым экспонатом является бакелит, один из первых полностью синтетических пластиков, получивших коммерческое использование (около 1910 г.).

    Природный смолистый полимер, называемый лигнином, имеет сшитую структуру, аналогичную бакелиту. Лигнин — это аморфная матрица, в которой ориентированы целлюлозные волокна древесины.Дерево — это натуральный композитный материал, природный эквивалент композитов из стекловолокна и углеродного волокна. Частичная структура лигнина показана здесь


    Эпоха пластмасс

    Исторически многие эпохи характеризовались материалами, которые тогда были важны для человеческого общества (например, каменный век, бронзовый век и железный век). ХХ век приобрел несколько таких ярлыков, в том числе ядерный век и нефтяной век ; тем не менее, лучшее название, вероятно, пластиковый век .В течение этого периода никакие технологические достижения, кроме доставки электроэнергии в каждый дом, не повлияли на нашу жизнь больше, чем широкое использование синтетических пластиков в нашей одежде, посуде, строительных материалах, автомобилях, упаковке и игрушках, и это лишь некоторые из них. . Разработка материалов, которые мы сейчас называем пластмассами, началась с вискозы в 1891 году, продолжилась бакелитом в 1907 году, полиэтиленом в 1933 году, нейлоном и тефлоном в 1938 году, полипропиленом в 1954 году, кевларом в 1965 году и продолжается.

    Многие типы полимеров, которые мы объединяем в пластики, обычно недорогие, легкие, прочные, долговечные и, при желании, гибкие. Пластмассы могут обрабатываться экструзией, литьем под давлением, вакуумным формованием и сжатием, превращаясь в волокна, тонкие листы или предметы определенной формы. Они могут быть окрашены по желанию и усилены стеклянными или углеродными волокнами, а некоторые могут быть расширены в пенопласт с низкой плотностью. Многие современные клеи предполагают образование пластичного связующего вещества.Пластмассы заменяют все большее количество натуральных веществ. В производстве клавиш пианино и бильярдных шаров пластмассы заменили слоновую кость, что помогло выжить слону. Примечательно, что предприятие по производству синтетического волокна занимает гораздо меньшую площадь земли, чем было бы необходимо для производства такого же количества натуральных волокон, как хлопок, шерсть или шелк. При всех этих преимуществах неудивительно, что многое из того, что вы видите вокруг, сделано из пластика. Действительно, низкая стоимость, легкий вес, прочность и адаптируемость конструкции пластмасс к различным областям применения привели к значительному из года в год росту их производства и использования, который, вероятно, будет продолжаться.Действительно, многие пластмассы используются в одноразовых изделиях, предназначенных только для одноразового использования.

    Закон непредвиденных последствий

    Успешные решения технологических проектов часто достигаются путем сосредоточения внимания на ограниченном наборе переменных, которые напрямую связаны с желаемым результатом. Однако у природы часто есть способ вознаградить такой успех, выявив неожиданные проблемы, возникшие «вне рамок» определенного проекта. В случае пластмасс их выгодная долговечность и относительно низкая стоимость привели к серьезному загрязнению окружающей среды, поскольку использованные предметы и упаковки случайно выбрасываются и заменяются в бесконечном цикле.Мы видим это каждый день на улицах и полях в наших кварталах, но проблема гораздо серьезнее. Чарльз Мур, американский океанограф, в 1997 году обнаружил огромное количество мусора, оцениваемое почти в 100 миллионов тонн, плавающее в Тихом океане между Сан-Франциско и Гавайями. Названный «Большой тихоокеанский мусорный полигон», этот тушеный мусор состоит в основном (80%) из кусочков пластика, которые весят 6: 1 планктона, в регионе, который в два раза больше Техаса. Хотя часть обломков происходит с кораблей в море, по крайней мере 80% приходится на мусор, образующийся на суше.Информация, представленная здесь, и иллюстрация слева взяты из статьи Сьюзан Кейси в
    BestLife
    Циркуляция течений по часовой стрелке, создаваемая глобальной ветровой системой и ограниченная окружающими континентами, образует вихрь или круговорот, сравнимый с большим водоворотом. Каждый крупный океанский бассейн имеет большой круговорот в субтропическом регионе с центром около 30º северной и южной широты. Североатлантический субтропический круговорот известен как Саргассово море. Более крупный субтропический круговорот в северной части Тихого океана, называемый депрессией, представляет собой зону конвергенции, в которой пластик и другие отходы смешиваются вместе.Подобные области есть в южной части Тихого океана, Северной и Южной Атлантике и Индийском океане.

    Помимо отвратительного внешнего вида, мусорное пятно представляет собой серьезную проблему для окружающей среды и здоровья. Никто не знает, сколько времени потребуется, чтобы некоторые из этих пластиков разложились или вернулись в составные молекулы. Устойчивые объекты, такие как кольца из шести упаковок и выброшенные сети, служат ловушкой для морских животных. Меньшие пластиковые отходы принимают за пищу морские птицы; и часто обнаруживаются непереваренными в кишечнике мертвых птиц.Нурдлы, гранулы пластика размером с чечевицу, в изобилии встречающиеся там, где производятся и распространяются пластмассы, разносятся ветром по биосфере. Они достаточно легкие, чтобы развевать их, как пыль, и смывать в гавани, ливневые стоки и ручьи. Сбежавшие гранулы и другой пластиковый мусор мигрируют в океанический круговорот в основном с суши. В таких отдаленных местах, как Раротонга, на островах Кука, они обычно смешаны с пляжным песком. Попав в океан, гранулы могут поглощать в миллион раз больше любых органических загрязнителей, обнаруженных в окружающих водах.Морские нянечки легко принимают за икру рыбы существа, которым очень хочется перекусить. Попав внутрь тела большеглазого тунца или королевского лосося, они становятся частью нашей пищевой цепи.

    Переработка и утилизация

    Большинство пластмасс распадаются на все более мелкие фрагменты, когда они подвергаются воздействию солнечного света и элементов. За исключением небольшого количества, которое было сожжено — а это очень небольшое количество — каждый кусок пластика, когда-либо сделанный, все еще существует, если только молекулярная структура материала не предназначена для содействия биоразложению.К сожалению, очистка участка от мусора — нереальный вариант, и, если мы не изменим наши привычки по утилизации и переработке мусора, он, несомненно, станет больше. Одно из разумных решений потребует от производителей по возможности использовать натуральные биоразлагаемые упаковочные материалы, а от потребителей — добросовестно утилизировать свои пластиковые отходы. Таким образом, вместо того, чтобы отправлять весь пластиковый мусор на свалку, часть его может давать энергию путем прямого сгорания, а часть преобразовываться для повторного использования в качестве заменителя первичного пластика.Последний особенно привлекателен, поскольку большинство пластмасс производится из нефти — ресурса, который сокращается, а цена постоянно колеблется.
    Энергетический потенциал пластиковых отходов относительно значителен и колеблется от 10,2 до 30,7 МДж / кг, что предполагает их применение в качестве источника энергии и стабилизатора температуры в муниципальных мусоросжигательных заводах, тепловых электростанциях и цементных печах. Использование пластиковых отходов в качестве источника топлива могло бы стать эффективным средством сокращения требований к захоронению отходов при рекуперации энергии.Однако это зависит от использования соответствующих материалов. Неадекватный контроль горения, особенно для пластмасс, содержащих хлор, фтор и бром, представляет собой риск выделения токсичных загрязнителей.

    Пластиковые отходы, используемые в качестве топлива или в качестве источника вторичного пластика, необходимо разделять на разные категории. С этой целью в 1988 году Общество производителей пластмасс (SPI) разработало систему идентификационного кодирования, которая используется во всем мире. Этот код, показанный справа, представляет собой набор символов, размещенных на пластике для определения типа полимера с целью обеспечения эффективного разделения различных типов полимеров для вторичной переработки.Сокращения кода поясняются в следующей таблице.

    полиэтилен

    PETE HDPE V LDPE
    полиэтилен
    терефталат
    высокоплотный
    полиэтилен
  • поливинилхлорид

    9456 PS

  • ДРУГОЕ
    полипропилен полистирол полиэфиры, акрил
    полиамиды, тефлон и т. Д.

    Несмотря на использование символа рециркуляции при кодировании пластмасс, потребители не понимают, какие пластики можно легко перерабатывать. В большинстве сообществ по всей территории Соединенных Штатов ПЭТЭ и ПЭВП — единственные пластмассы, собираемые в рамках муниципальных программ утилизации. Однако в некоторых регионах ассортимент собираемых пластмасс расширяется по мере появления рынков. (Лос-Анджелес, например, перерабатывает весь чистый пластик, пронумерованный от 1 до 7). Теоретически большинство пластмасс подлежат переработке, и некоторые типы могут использоваться в сочетании с другими.Однако во многих случаях существует несовместимость между разными типами, что требует их эффективного разделения. Поскольку пластмассы, используемые в данном секторе производства (например, электроника, автомобилестроение и т. Д.), Обычно ограничиваются несколькими типами, эффективная переработка часто лучше всего достигается с помощью целевых потоков отходов.

    Пластиковый мусор из большинства домашних хозяйств, даже с некоторым разделением пользователей, представляет собой смесь неопознанных частей. Переработка таких смесей — сложная проблема.Процесс плавания / погружения оказался полезным в качестве первого шага. При помещении в среду промежуточной плотности частицы разной плотности разделяются — частицы с более низкой плотностью плавают, а частицы с более высокой плотностью опускаются. Были использованы различные разделительные среды, включая воду или водные растворы известной плотности (спирт, NaCl, CaCl 2 или ZnCl 2 ).
    Как показано в следующей таблице, плотности обычных пластиков различаются в достаточной степени, чтобы их можно было различать таким образом.Цилиндроконический циклон, показанный справа, обеспечивает непрерывную процедуру подачи, при которой разделяемый материал закачивается в емкость одновременно с разделяющей средой. Некоторые полимеры, такие как полистирол и полиуретан, обычно превращаются в вспененные твердые вещества, которые имеют гораздо более низкую плотность, чем твердый материал.

    3.90-0,99

    Плотность типичных пластмасс
    PE и PP ABS и SAN
    и нейлон
    PMM и акрил
    1 и поликарбонаты
    1,05-1,09 1,10-1,25 1,3-1,6
    PE = полиэтилен и PP = полипропилен
    ABS = сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол
    SriAN =
    SriAN = PMM = полиметилметакрилат
    PETE = полиэтилентерефталат
    PVC = поливинилхлорид (жесткий)

    Одна серьезная проблема при переработке возникает из-за множества добавок, содержащихся в пластиковых отходах.К ним относятся пигменты для окрашивания, твердые волокна в композитах, стабилизаторы и пластификаторы. В случае ПЭТЭ (или ПЭТ), который обычно используется для изготовления бутылок, некоторые отходы могут подвергаться механической и термической обработке для производства низкосортных упаковочных материалов и волокон. Чтобы повысить ценность регенерированного ПЭТФ, его можно деполимеризовать перегретым метанолом в диметилтерефталат и этиленгликоль. Затем эти химические вещества очищаются и используются для производства чистого ПЭТФ. Углеводородные полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен, могут быть расплавлены и экструдированы в гранулы для повторного использования.Однако наличие красителей или пигментов ограничивает ценность этого продукта.

    Биоразлагаемые полимеры

    Пластмассы, полученные из природных материалов, таких как целлюлоза, крахмал и гидроксикарбоновые кислоты, легче разлагаются под воздействием кислорода, воды, почвенных организмов и солнечного света, чем большинство полимеров на нефтяной основе. Гликозидные связи в полисахаридах и сложноэфирные группы в сложных полиэфирах представляют собой точки атаки ферментов микроорганизмов, которые способствуют их разложению.Такие биоразлагаемые материалы можно компостировать, расщеплять и возвращать земле в качестве полезных питательных веществ. Однако важно понимать, что правильное компостирование необходимо. Размещение таких материалов на свалке приводит к более медленному анаэробному разложению, в результате которого образуется метан, парниковый газ.

    Производные целлюлозы, такие как ацетат целлюлозы, издавна служат для изготовления пленок и волокон. Наиболее полезным ацетатным материалом является диацетат, в котором две трети гидроксильных групп целлюлозы этерифицированы.Волокна ацетата теряют прочность при намокании, поэтому одежду из ацетата необходимо подвергать химической чистке. Другой основной полисахарид, крахмал, менее устойчив, чем целлюлоза, но в гранулированной форме он теперь заменяет полистирол в качестве упаковочного материала.
    Два природных полиэфира, которые находят все более широкое применение в качестве замены пластмасс на нефтяной основе, — это полилактид (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), последние чаще всего в виде сополимеров с полигидроксибутиратом (PHB). Структуры этих полимеров и их предшественников мономеров показаны ниже.

    PLA ​​на самом деле является полимером молочной кислоты, но димерный лактид используется в качестве предшественника, чтобы избежать образования воды, которая могла бы образоваться при прямой полиэтерификации. Бактериальная ферментация используется для производства молочной кислоты из кукурузного крахмала или тростникового сахара. После димеризации до лактида осуществляется полимеризация с раскрытием цикла очищенного лактида с использованием соединений двухвалентного олова в качестве катализаторов. PLA, как и большинство термопластов, можно перерабатывать в волокна и пленки.В ситуациях, когда требуется высокий уровень ударной вязкости, вязкость PLA в его первоначальном состоянии часто бывает недостаточной. Смеси PLA с полимерами, такими как ABS, обладают хорошей стабильностью формы и визуальной прозрачностью, что делает их полезными для упаковочных приложений низкого уровня. Материалы PLA в настоящее время используются в ряде биомедицинских приложений, таких как швы, стенты, диализные среды и устройства для доставки лекарств. Однако одним из недостатков полилактидов для биомедицинского применения является их хрупкость.
    Молочная кислота имеет хиральный центр, причем (S) (+) — энантиомер является распространенной природной формой (L-молочная кислота). Из-за хиральной природы молочной кислоты существует несколько различных форм полилактида. Поли-L-лактид (PLLA) является продуктом полимеризации (S, S) -лактида. PLLA имеет кристалличность около 37%, температуру стеклования от 50 до 80 ºC и температуру плавления от 173 до 178 ºC. Температура плавления PLLA может быть увеличена на 40-50 ºC, а температура тепловой деформации может быть увеличена примерно с 60 ºC до 190 ºC путем физического смешивания полимера с PDLA (поли-D-лактидом).PDLA и PLLA образуют очень регулярный стереокомплекс с повышенной кристалличностью.

    PHA (полигидроксиалканоаты) синтезируются такими микроорганизмами, как Alcaligenes eutrophus , которые выращиваются в подходящей среде и питаются соответствующими питательными веществами, чтобы быстро размножаться. Как только популяция увеличивается, изменяется состав питательных веществ, заставляя микроорганизм синтезировать PHA. Собранные количества PHA из организма могут достигать 80% от сухого веса организма.Самая простая и наиболее часто встречающаяся форма PHA — это поли (R-3-гидроксибутират), PHB или P (3HB)). Чистый ПОБ, состоящий из от 1000 до 30000 единиц гидроксикислоты, относительно хрупкий и жесткий. В зависимости от микроорганизма, многие из которых созданы для этой цели с помощью генной инженерии, и условий культивирования могут быть получены гомо- или сополиэфиры с различными гидроксиалкановыми кислотами. Такие сополимеры могут иметь улучшенные физические свойства по сравнению с гомо Р (3НВ). В настоящее время эти PHA стоят примерно в два раза дороже пластмасс на нефтяной основе.Также была создана искусственная трава, которая выращивает PHA внутри своих листьев и стеблей, что дает возможность избежать некоторых затрат, связанных с крупномасштабной бактериальной ферментацией.
    В отличие от P (3HB), полимер 4-гидроксибутирата, P (4HB), является эластичным и гибким с более высокой прочностью на разрыв. Сополимеры P (3HB) и P (4HB) синтезируются Comamonas acidovarans . Молекулярный вес остается примерно таким же (400 000-700 000 Да), но термические свойства коррелируют с соотношением этих мономерных звеньев.MP уменьшается с 179 до 130 (или ниже) с увеличением 4HB, а при увеличении 4HB от 0% до 100% Tg уменьшается с 4 до -46. 4-гидроксибутират (4HB) производится из 1,4-бутандиола такими микроорганизмами, как Aeromonas hydrophila , Escherichia coli или Pseudomonas putida . Затем ферментационный бульон, содержащий 4HB, был использован для производства гомополимера P (4HB), а также сополимеров с P (3HB), [P (3HB-4HB)]. В следующей таблице перечислены некоторые свойства этих гомополимеров и сополимеров.

    9045 9045

    9045

    Свойства некоторых полимеров
    Полимер T м ºC T г ºC % Кристалличность Предел прочности
    Прочность на растяжение
    P (3HB) 179 179 P (4HB) 53 -47 53 100
    сополимер
    3HB-20% 3HV
    145 -1 50 32 94560

    32 945 Полимер
    3HB-7% 3HD
    133 -8 > 50 17
    изотактический ПП 176 0 > 50 40

    56

    -100 10
    3HV = 3-гидроксивалерат, 3HD = 3-гидроксидеканоат

    Остается открытым вопрос, более энергоэффективно и экономически выгодно использовать биоразлагаемый пластик или переработку пластика на нефтяной основе.Однако нет никаких сомнений в том, что биоразлагаемые материалы приводят к меньшему загрязнению окружающей среды, если их выбрасывают в случайном порядке после использования, как это часто бывает.

    Определение осадка и пример в химии

    В химии осаждение означает образование нерастворимого соединения либо путем реакции двух солей, либо путем изменения температуры, чтобы повлиять на растворимость соединения. Кроме того, «осадок» — это название твердого вещества, которое образуется в результате реакции осаждения.

    Осаждение может указывать на то, что произошла химическая реакция, но также может произойти, если концентрация растворенного вещества превышает его растворимость. Осаждению предшествует событие, называемое зародышеобразованием, когда небольшие нерастворимые частицы объединяются друг с другом или образуют границу раздела с поверхностью, такой как стенка контейнера или затравочный кристалл.

    Ключевые выводы: определение преципитата в химии

    • В химии осадок — это одновременно глагол и существительное.
    • Осаждение означает образование нерастворимого соединения либо за счет уменьшения растворимости соединения, либо за счет реакции двух солевых растворов.
    • Твердое вещество, которое образуется в результате реакции осаждения, называется осадком.
    • Реакции осаждения выполняют важные функции. Они используются для очистки, удаления или восстановления солей, для изготовления пигментов и для определения веществ при качественном анализе.

    Осадок против Осадки

    Терминология может показаться немного запутанной.Вот как это работает: образование твердого вещества из раствора называется осаждением . Химическое вещество, которое вызывает образование твердого вещества в жидком растворе, называется осадителем . Образовавшееся твердое вещество называется осадком . Если размер частиц нерастворимого соединения очень мал или отсутствует сила тяжести для притягивания твердого вещества ко дну контейнера, осадок может быть равномерно распределен по жидкости, образуя суспензию . Осаждение относится к любой процедуре, которая отделяет осадок от жидкой части раствора, которая называется супернатант . Распространенным методом осаждения является центрифугирование. После извлечения осадка полученный порошок можно назвать «цветком».

    Пример осаждения

    При смешивании нитрата серебра и хлорида натрия в воде хлорид серебра выпадет в осадок из раствора в виде твердого вещества. В этом примере осадок — хлорид серебра.

    При написании химической реакции присутствие осадка может быть обозначено следующей химической формулой со стрелкой, направленной вниз:

    Ag + + Cl → AgCl ↓

    Использование осадков

    Осадки могут использоваться для идентификации катиона или аниона в соли в рамках качественного анализа. В частности, известно, что переходные металлы образуют осадки разного цвета в зависимости от их элементной идентичности и степени окисления.Реакции осаждения используются для удаления солей из воды, выделения продуктов и приготовления пигментов. В контролируемых условиях реакция осаждения дает чистые кристаллы осадка. В металлургии осадки используются для упрочнения сплавов.

    Как вернуть осадок

    Для извлечения осадка используют несколько методов:

    Фильтрация : При фильтрации раствор, содержащий осадок, выливают через фильтр.В идеале осадок остается на фильтре, а жидкость проходит через него. Контейнер можно промыть и вылить на фильтр для облегчения восстановления. Всегда есть некоторая потеря осадка, которая может быть вызвана растворением в жидкости, прохождением через фильтр или прилипанием к фильтрующей среде.

    Центрифугирование : При центрифугировании раствор быстро вращается. Чтобы техника работала, твердый осадок должен быть плотнее жидкости. Уплотненный осадок, называемый гранулой, может быть получен путем слива жидкости.Обычно при центригации потери меньше, чем при фильтрации. Центрифугирование хорошо работает с небольшими объемами образцов.

    Декантация : При декантации жидкий слой выливается или отсасывается от осадка. В некоторых случаях для отделения раствора от осадка добавляют дополнительный растворитель. Декантацию можно использовать для всего раствора или после центрифугирования.

    Преципитат старения или пищеварения

    Процесс, называемый старением или перевариванием осадка, происходит, когда свежий осадок остается в растворе.Обычно температура раствора повышается. В результате пищеварения могут образовываться более крупные частицы с более высокой чистотой. Процесс, который приводит к такому результату, известен как созревание Оствальда.

    Источники

    • Adler, Alan D .; Лонго, Фредерик Р .; Кампас, Франк; Ким, Жан (1970). «О препарате металлопорфиринов». Журнал неорганической и ядерной химии . 32 (7): 2443. DOI: 10.1016 / 0022-1902 (70) 80535-8
    • Дхара, С. (2007).«Формирование, динамика и характеристика наноструктур с помощью ионно-лучевого облучения». Критические обзоры в области твердого тела и материаловедения . 32 (1): 1-50. DOI: 10.1080 / 10408430601187624
    • Зумдал, Стивен С. (2005). Химические принципы (5-е изд.). Нью-Йорк: Хоутон Миффлин. ISBN 0-618-37206-7.

    Фазовые диаграммы — Химия LibreTexts

    Фазовая диаграмма — это графическое представление физических состояний вещества при различных условиях температуры и давления.Типичная фазовая диаграмма показывает давление по оси y и температуру по оси x. Когда мы пересекаем линии или кривые на фазовой диаграмме, происходит фазовый переход. Кроме того, два состояния вещества сосуществуют в равновесии на линиях или кривых.

    Введение

    Фазовый переход — это переход вещества из одного состояния в другое. Существует три состояния вещества: l жидкое, твердое и газ .

    • Жидкость: Состояние вещества, состоящее из рыхлых, свободно движущихся частиц, которые образуют форму, заданную границами емкости, в которой находится жидкость.Это происходит потому, что движение отдельных частиц в жидкости гораздо менее ограничено, чем в твердом теле. Можно заметить, что некоторые жидкости текут легко, тогда как некоторые жидкости текут медленно. Относительное сопротивление жидкости течению составляет , вязкость .
    • Твердое тело: Состояние вещества с плотно упакованными частицами, которые не изменяют форму или объем контейнера, в котором оно находится. Однако это не означает, что объем твердого вещества является постоянным. При изменении температуры твердые тела могут расширяться и сжиматься.Вот почему, когда вы посмотрите плотность твердого тела, она укажет температуру, при которой указано значение плотности. Твердые тела обладают сильными межмолекулярными силами, которые удерживают частицы в непосредственной близости друг от друга. Еще одна интересная вещь, о которой стоит подумать, — это то, что все истинные твердые тела имеют кристаллическую структуру. Это означает, что их частицы расположены в трехмерной упорядоченной структуре. Твердые тела претерпевают фазовые изменения, когда сталкиваются с изменениями энергии.
    • Газ: Состояние вещества, при котором частицы распределяются без определенной формы или объема.Частицы газа будут принимать форму и заполнять объем контейнера, в который он помещен. В газе нет межмолекулярных сил, удерживающих частицы газа вместе, поскольку каждая частица движется со своей скоростью в своем собственном направлении. . Частицы газа часто разделены большими расстояниями.

    Фазовые диаграммы иллюстрируют различия между состояниями материи элементов или соединений, поскольку они связаны с давлением и температурой. Ниже приведен пример фазовой диаграммы для типовой однокомпонентной системы:

    Фигура 1.Общая фазовая диаграмма

    • Тройная точка — точка на фазовой диаграмме, в которой сосуществуют три состояния вещества: газ, жидкость и твердое тело
    • Критическая точка — точка на фазовой диаграмме, в которой вещество неразличимо между жидким и газообразным состояниями
    • Кривая плавления (плавления) (или замерзания) — кривая на фазовой диаграмме, которая представляет переход между жидким и твердым состояниями
    • Кривая испарения (или конденсации) — кривая на фазовой диаграмме, которая представляет переход между газообразным и жидким состояниями
    • Кривая сублимации (или осаждения) — кривая на фазовой диаграмме, которая представляет переход между газообразным и твердым состояниями

    Фазовые диаграммы показывают зависимость давления (обычно в атмосферах) от температуры (обычно в градусах Цельсия или Кельвина).Метки на графике представляют устойчивые состояния системы в равновесии. Линии представляют собой комбинации давлений и температур, при которых две фазы могут существовать в равновесии. Другими словами, эти линии определяют точки изменения фазы. Красная линия разделяет твердую и газовую фазы, представляет сублимацию (твердое тело в газ) и осаждение (газ в твердое тело). Зеленая линия разделяет твердую и жидкую фазы и представляет плавление (твердое тело в жидкость) и замерзание (жидкость в твердое тело). Синий цвет разделяет жидкую и газовую фазы, представляет испарение (жидкость в газ) и конденсацию (газ в жидкость).На диаграмме также есть две важные точки: тройная точка и критическая точка. Тройная точка представляет собой комбинацию давления и температуры, которая способствует достижению равновесия всех фаз вещества. Критическая точка заканчивается фазой жидкость / газ и относится к критическому давлению, давлению, выше которого образуется сверхкритическая жидкость.

    Для большинства веществ температура и давление, относящиеся к тройной точке, ниже стандартной температуры и давления, а давление для критической точки выше стандартного давления.Поэтому при стандартном давлении с повышением температуры большинство веществ превращаются из твердого в жидкое и в газообразное, а при стандартной температуре с повышением давления большинство веществ из газа в жидкость превращается в твердое.

    Исключение: вода

    Обычно линия твердой / жидкой фазы имеет положительный наклон вправо (как на диаграмме для диоксида углерода ниже). Однако для других веществ, особенно для воды, линия имеет наклон влево, как показывает диаграмма для воды. Это указывает на то, что жидкая фаза более плотная, чем твердая фаза.Это явление вызвано кристаллической структурой твердой фазы. В твердых формах воды и некоторых других веществ молекулы кристаллизуются в решетке с большим средним пространством между молекулами, в результате чего получается твердое тело с более низкой плотностью, чем жидкость. Из-за этого явления можно растопить лед, просто приложив давление, а не добавив тепла.

    Рисунок \ (\ PageIndex {2a} \): Фазовые диаграммы для CO 2

    Рисунок \ (\ PageIndex {2b} \): Фазовые диаграммы для H 2 O

    Перемещение по диаграмме

    Перемещение по фазовой диаграмме показывает информацию о фазах материи.Двигаясь по линии постоянной температуры, выявляются относительные плотности фаз. При движении снизу диаграммы вверх относительная плотность увеличивается. При движении по линии постоянного давления обнаруживаются относительные энергии фаз. При переходе от левого края диаграммы к правому относительные энергии возрастают.

    Важные определения

    • Сублимация — это когда вещество переходит непосредственно из твердого состояния в газообразное.
    • Осаждение происходит, когда вещество переходит из газового состояния в твердое; это обратный процесс сублимации.
    • Плавление происходит, когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое.
    • Fusion — это когда вещество переходит из жидкого в твердое состояние, в противоположность плавлению.
    • Испарение (или испарение ) — это когда вещество переходит из жидкого в газообразное состояние.
    • Конденсация происходит, когда вещество переходит из газообразного в жидкое состояние, в обратном направлении испарения.
    • Критическая точка — точка температуры и давления на фазовой диаграмме, где жидкая и газовая фазы вещества сливаются в одну фазу.За пределами температуры критической точки объединенная однофазная фаза известна как сверхкритическая жидкость .
    • Тройная точка возникает, когда температура и давление трех фаз вещества сосуществуют в равновесии.

    Список литературы

    1. Коц, Джон К. и Пол-младший Трейхель. Химия и химическая реакционная способность . N.p .: Saunders College Publishing, 1999.
    2. .

    3. Окстоби, Дэвид У., Х. П. Гиллис и Алан Кэмпион. Основы современной химии . Бельмонт, Калифорния: Томсон Брукс /? Коул, 2008.
    4. Петруччи, Ральф и Уильям Харвуд. Ф. Джеффри Херринг. Джеффри Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения. 9 изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Пирсон, 2007.
    5. Фоллмер, Джон Дж. «Из« воздуха »: изучение фазовых изменений». J. Chem. Educ. 2000 : 77, 488A.

    Проблемы

    Представьте себе вещество со следующими точками на фазовой диаграмме: тройная точка в.5 атм и -5 ° С; нормальная температура плавления при 20 ° C; нормальная температура кипения 150 ° C; и критическая точка при 5 атм и 1000 ° C. Линия сплошной жидкости является «нормальной» (что означает положительный наклон). Для этого заполните следующее:

    1. Нарисуйте в общих чертах фазовую диаграмму, используя единицы атмосферы и Кельвин.

    Ответ

    1-твердое тело, 2-жидкость, 3-газ, 4-сверхкритическая жидкость, точка O-тройная точка, C-критическая точка -78,5 ° C (Фаза сухого льда изменяется с твердого на газ при -78.5 ° С)

    2. Расположите состояния по возрастанию плотности и энергии.

    3. Опишите, что можно было бы увидеть при давлении и температуре выше 5 атм и 1000 ° C.

    Ответ

    Можно было бы увидеть сверхкритическую жидкость, приближаясь к точке, можно было бы увидеть, как исчезает мениск между жидкостью и газом.

    4. Опишите, что произойдет с веществом, когда оно появится в вакууме при -15 ° C и будет медленно повышаться под давлением.

    Ответ

    Вещество начнется как газ, и по мере увеличения давления оно сжимается и в конечном итоге затвердевает без сжижения, поскольку температура ниже температуры тройной точки.

    5. Опишите фазовые переходы от -80 ° C до 500 ° C при 2 атм.

    Ответ

    Вещество плавилось бы где-то около, но выше 20 ° C, а затем закипало бы где-то около, но выше 150 ° C.Он не будет образовывать сверхкритическую жидкость, поскольку ни давление, ни температура не достигают критического давления или температуры.

    6. Что существует в системе с давлением 1 атм и 150 °?

    Ответ

    В зависимости от того, сколько энергии находится в системе, в равновесии будут разные количества жидкости и газа. Если добавить достаточно энергии, чтобы поднять температуру жидкости до 150 ° C, жидкость просто останется.Если было добавлено больше, будет немного жидкости и немного газа. Если добавить достаточно энергии, чтобы изменить состояние всей жидкости без повышения температуры газа, останется только газ.

    7. Обозначьте области 1, 2, 3 и 4 и точки O и C на диаграмме.

    8. Образец сухого льда (твердый CO 2 ) охлаждают до -100 ° C и помещают на стол при комнатной температуре (25 ° C). При какой температуре скорость сублимации и осаждения одинакова? (Предположим, что давление поддерживается постоянным на уровне 1 атм).

    Авторы и авторство

    • Мэтью Маккиннелл (UCD), Джесси Верхейн (UCD), Пей Ю (UCD), Лок Ка Чан (UCD), Джессика Даливал (UCD), Шялл Бхела (UCD), Кэндис Вонг-Синг (UCD)

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.