Химия. Ноябрь-Декабрь 2017

Занятие 1. Кислоты и щелочи.

Переход от ботаники к химии. Объяснение связи наук и важности химии для понимания жизненных процессов.

Вспоминаем одно из последних занятий по ботанике — выделение цветных пигментов из осенних листьев. Зеленый — хлорофилл, красный — антоциан, желтый — ксантофил. Рассматриваем пленку высохших пигментов на поверхности пластиковых банок, в которых их выделяли.

Демонстрация. Экстракт вареной красной капусты — универсальный индикатор кислотности — антоциан. Антоцианы — группа пигментов, обладающих спектром окраски от красного до синего. В нейтральной среде он сине-фиолетовый, при добавлении кислоты (из лимона или уксус) индикатор становится розовым. При добавлении слабой щелочи (сода) индикатор становится сине-зеленым, при добавлении сильной щелочи (КОН = гидроксид калия) раствор становится зеленым.

Все делают свои эксперименты в стаканах и сравнивают, у кого получился какой цвет.

Второй эксперимент — с индикатором фенолфталеином. Бесцветный прозрачный индикатор, изменяющий цвет только в щелочной среде — становится ярко-малиновым.

Добавляем несколько капель к щелочному раствору — появляется малиновый цвет. Потом постепенно добавляем кислоту в раствор, и как только рН становится нейтральным, раствор снова становится прозрачным. Если снова добавить щелочь, снова появится малиновый цвет. И так можно сделать несколько раз. «Побеждают» по очереди то кислота, то щелочь, в зависимости от того, каких ионов больше — водорода (Н) или гидроксила (ОН).

Теория. Объяснение строения молекулы воды (повторение) — Н2О. Говорим про строение атома водорода — ядро, протон, электрон. Используем химический конструктор из шариков-атомов разного цвета. Твердое-жидкое-газообразное состояние вещества. Способность молекулы воды «рваться» в химической реакции. Образование свободного атома водорода (иона Н) и гидроксила ОН. При химической реакции другие вещества могут ускорять процесс разрыва молекул воды (диссоциации) и смещать равновесие в количестве Н и ОН. В случае увеличенного количества Н в растворе получается кислота, в случае увеличенного количества ОН получается щелочь.

В присутствии кислоты индикатор (антоциан) испытывает химическое превращение и изменяет окраску на розовую, в присутствии щелочи — на зеленую.

Кислотность. Чем больше ионов водорода в растворе, тем более кислая получается среда. Чем больше гидроксилов, тем более щелочная. Если ионов Н и гидроксилов в растворе поровну, среда получается нейтральная.

Линейка рН. Ученые придумали специальную линейку для обозначения кислотности среды — от 1 до 14. рН1 — самая сильная кислота, рН14 — самая сильная щелочь. Посередине — 7 — нейтральная среда. Большинство биологических процессов происходят при рН6.5-7.5, то есть в нейтральной среде. Самое понятное и известное исключение — желудочный сок, где рН1.5-2.

Занятие 2. Газы

Продолжение предыдущей темы. Повторяем про воду, кислоту и щелочь.

Переходим к газам. Атом водорода, атом кислорода. Разница между атомом и молекулой газа Углекислый газ (СО2), строение молекулы. Сходство с молекулой воды, но разные атомы. Выделение СО2 при дыхании и горении. Поглощение СО2 растениями для создания глюкозы и выделения другого газа — кислорода (О2). Необходимость кислорода для всех (почти) живых организмов. Упоминание бактерий, живущих в бескислородной среде. Необходимость кислорода для горения. Невозможность костра на Луне.

Демонстрация. Выделение углекислого газа и кислорода.

1. СО2. Для выделения СО2 мы использовали соду и кислоту. Всем розданы стаканы, добавлена ложка соды и вода, растворение соды. После этого к раствору соды добавлена уксусная кислота (уксус) и мы наблюдаем химическую реакцию с выделением СО2. Чтобы убедиться в свойствах этого газа, мы опускаем в полупустой стакан с реакцией (в газ) горящую спичку — она тухнет. После этого каждый аккуратно переливает газ (не жидкость) из своего стакана в другой стакан с горящей «чайной» свечкой (tea candle) – свеча тоже тухнет. СО2 тяжелее воздуха, поэтому он остается в стакане, а не улетучивается (если стакан не трясти) и его можно перелить из одной емкости в другую. Но через некоторое время он все равно смешивается с воздухом и «перестает работать» как тушитель огня. Говорим об использовании сжатого СО2 в огнетушителях. Также о необходимости проветривания помещений, где находится много людей — для доступа свежего воздуха, обогащенного кислородом.

2. О2. Для выделения кислорода мы использовали перекись водорода (Н2О2) и марганцовку (перманганат калия). При добавлении раствора марганцовки к перекиси проходит бурная реакция с выделением газа — кислорода, и выделением тепла (стакан нагревается). Проверяем свойства газа — опускаем горящую спичку в стакан — она разгорается намного ярче. Опускаем тлеющую лучинку — она вспыхивает ярким пламенем. Это происходит 2-3 раза, но потом кислород заканчивается — он превращается в СО2. Для возобновления эффекта необходимо добавить новых реагентов — перекиси водорода и марганцовки. Аналогичная реакция возникает при добавлении кристаллов марганцовки к раствору перекиси водорода, но с большим выделением тепла и паров воды. Смысл реакции в том, что марганцовка разлагает перекись водорода — «отрывает» от нее кислород, а сама превращается в другое соединение. Но мы в дальнейшие тонкости не вдавались. Если кому-то интересно, то формула реакции — KMnO4 + H2O2 + H2O = O2 + MnO2 + KOH

Обсуждение экспериментов. Взрывоопасность чистого кислорода. Опасность СО2.

Обсуждаем и записываем 3 основных признака химической реакции

1. Изменение цвета реакции

2. Изменение температуры реакции

3. Выделение газа

Занятие 3. Продолжение темы Газы.

Повторение прошлого занятия. Строение атома и молекулы кислорода. СО2.

Обсуждение строения атома в целом. Атом водорода. Молекула. Самый легкий газ.

Демонстрация. Выделение водорода.

Используем алюминиевую фольгу. Каждый скатывает небольшие шарики из фольги и складываем их в бутылку. Заливаем шарики жидкостью для прочистки канализационных труб, которая содержит высокую концентрацию щелочи (NaOH) или чистую щелочь. Натягиваем на горлышко бутылки воздушный шарик и оставляем на некоторое время. Начинается реакция (выделяются пузырьки газа), которая занимает некоторое время — чтобы шарик надулся до размера 20-25см.

После того, как шарик достаточно надут, завязываем его — он наполнен водородом. Надуваем ртом еще один шарик похожего размера и тоже завязываем — он надут воздухом с повышенным содержанием СО2 (параллельно говорим о составе воздуха).

В темноте поджигаем шарик с воздухом — он лопается с тихим хлопком и ничего не видно. Потом поджигаем шарик с водородом — он лопается с громким хлопком и ярким коротким пламенем — маленький взрыв! Обсуждаем опасность эксперимента, говорим о дирижаблях, взрывах и воздушных шарах.

Для «закрепленя материала» о газах проводим традиционный эксперимент с elephant’s toothpaste. Используем перекись водорода, дрожжи, жидкое мыло (Fairy)/ Смешиваем дрожжи с водой, растворяем. В другой емкости смешиваем перекись водорода с жидким мылом. Каждый получает по 2 маленьких стакана и 1 большой. Наливаем в один маленький стакан раствор дрожжей, в другой — перекись с мылом. После этого аккуратно сливаем содержимое маленьких стаканов в большой и наблюдаем за реакцией. Появляется быстро растущая пена, заполняющая весь большой стакан и даже переливающаяся через край. Объем увеличивается в 10+ раз.

Обсуждаем эксперимент. В дрожжах содержится белок (вещество), так же разлагающее перекись водорода, как и марганцовка. При этом выделяется кислород. Когда он пытается улететь из реакции, он встречается с раствором мыла и создает огромное количество (миллионы!) микроскопических мыльных пузырей, которые растут и создают пену. И мы это видим как продукт реакции.

Занятия 4 и 5. Кристаллы.

Благодаря прошлогоднему успеху с выращиванием кристаллов медного купороса (синего цвета), в этом году мы попробуем вырастить кристаллы обычной соли. Совсем безвредно и легко повторяемо. Вместе с кристаллами соли попробуем вырастить «magic tree”, похожее на те, что продаются заготовками в коммерческих наборах.

Теория. Кристаллы в жизни. Кварц, песок, алмазы, соль. Съедобность и прочность. Источники соли — морская соль и камення соль. Натрий и хлор как компоненты кристалла.

Кристаллическая решетка поваренной соли:

При растворении соли молекулы воды «отрывают ионы Na и Cl от кристалла и ионы умещаются «между молекулами» воды. Соль можно растворять до определенного предела — концентрации, после чего она больше не растворяется, а остается в виде осадка. Такой раствор называется насыщенным. В нем больше нет места для новых ионов между молекулами воды. Если такой раствор нагреть, то места становится больше и можно растворить больше соли, сделав его перенасыщенным. При остывании раствора излишки соли выпадают в виде микроскопических кристаллов, которые растут по мере продолжения остывания и затем испарения воды. Мы воспользовались этим свойством, чтобы начать растить кристаллы — затравки.

Демонстрация. Кристаллы крупной каменной соли. Растворение нескольких ложек соли в холодной и горячей воде. Растворение такого же количества соды — разная растворимость солей. Растворимость сахара.

Подготовка к домашней работе.

1. Дети получили пластиковый контейнер (или блюдце) для высушивания кристаллов. Нужно растворить 3 полные столовые ложки соли в половине стакана/чашки горячей воды. Если делают вместе с родителями, то можно налить кипятка. Если сами — то горячей из крана, чтобы не обжечься. После этого перелить насыщеный раствор в контейнер/блюдце и оставить остывать. Можно прикрыть листом бумаги (неплотно), чтобы уменьшить количество попадающей из воздуха пыли. Крышка не должна быть плотной, чтобы вода свободно могла испаряться. За неделю-две вода должна испариться, оставив на дне слой кристалликов. Если повезет, мы используем их для роста более крупных кристаллов, если «повезет меньше», используем крупные кристаллы соли из магазина.

2. Выращивание кристаллов на картонном макете «дерева» = magic tree. Все получили набор из самостоятельно (или с моей помощью) вырезанного картонного дерева-елки, большого стакана/контейнера и пластиковой банки с синим раствором. Раствор состоит из поваренной соли, отбеливателя Mrs Stewart’s Bluing (привезенного из Америки!), и аммиачного раствора — ускорителя реакции. Жидкость нужно перелить из банки в большой пластиковый стакан/контейнер и поставить в жидкость расправленное дерево. Жидкость начнет подниматься вверх, благодаря силе поверхностного натяжения воды. Она теоретически должна достигнуть верха дерева. По мере достижения краев картона, вода начнет испаряться и по краям начнут расти тонкие кристаллы. Если жидкость будет испаряться слишком быстро из контейнера, можно добавить в него немного горячей воды (не кипятка!) и продолжать наблюдения.