Мир глазами химика

Учебное пособие к пропедевтическому курсу химии 7 класса

Оглавление

Предисловие для учителя
Введение
Глава 1. Химия – наука о веществах и их превращениях.

1.1. Видели ли вы вещества и знаете ли, чем они отличаются друг от друга?
1.2. Свойства веществ, которые мы измеряем.
1.3. История о том, как химия помогала человеку изучать окружающую его природу.
1.4. Химическая лаборатория природы.
1.5. Зачем нужно проводить химические опыты и как сделать их безопасными?
1.6. Немного о технике лабораторных работ.

Глава 2. Зачем и как изучают вещества.

2.1. Чистые вещества и смеси.
2.2. Как разделить смесь двух твердых веществ?
2.3. Разделение смеси двух жидкостей.
2.4. Очистка жидкости от растворенных в ней твердых веществ.
2.5. Вещества простые и сложные.
2.6. Что такое «химический элемент», или как химики учились понимать друг друга.
2.7. Как и чем измерить массу атома?
2.8. От химического знака к химической формуле.
2.9. От атомной массы к молекулярной.
2.10. «Есть многое на свете, друг Горацио, Что неизвестно нашим мудрецам» (В.Шекспир. «Гамлет»).

Глава 3. Почему и как протекают химические реакции?

3.1. Изучаем признаки реакций.
3.2. Изменение запаса энергии – не только признак, но и одна из причин протекания реакции.
3.3. Как протекает химическая реакция?
3.4. Учимся составлять химические уравнения.
3.5. Имеет ли реакция скорость и можно ли ее изменить?
3.6. Энергия активации – что это такое?

Глава 4. Химия и планета Земля.

4.1. Что такое кислород?
4.2. Сколько в воздухе кислорода?
4.3. Итак, об окислении.
4.4. Почему количество кислорода на Земле не уменьшается?
4.5. Немного об углекислом газе и «ненужных» газах в воздухе.
4.6. Не губите себя, люди!
4.7. Об озоне – родственнике кислорода – и аллотропии.
4.8. Еще раз о поиске источников энергии.
4.9. Своей красотой Земля обязана воде.
4.10. Вода – вещество удивительное.
4.11. Круговорот воды и использование водных ресурсов.
4.12. Химические свойства воды.
4.13. А теперь о земной коре.
4.14. Кое-что о строении атомов химических элементов.
4.15. Всякие ли ископаемые полезны?
4.16. Как уменьшить вред, наносимый природе, и сэкономить природные ресурсы?
4.17. Биосфера – самая активная сфера Земли.
4.18. «Биогенный» значит «рождающий жизнь».

Глава 5. Химия и наш дом.

5.1. Наша пища.

5.1.1. Сначала о белках.
5.1.2. Без углеводов тоже не обойтись.
5.1.3 Что такое жиры и почему они необходимы организму?
5.1.4. Витамины: мал золотник, да дорог.
5.1.5. Минеральные соли и микроэлементы.

5.2. Химия и лекарства.
5.3. Внимание! Опасность! Наркотики! Алкоголь!
5.4. Будем красивыми!
5.5. Препараты бытовой химии.
5.6. Химия и искусство.

Заключение

Предисловие для учителя

Пропедевтический курс химии, нашедший свое отражение в предлагаемом учебнике, предназначен для подготовки учащихся к изучению основного курса 8–9-го классов. Появление этого учебника вызвано отчасти тем, что, согласно федеральному учебному плану в 8-м классе число часов, отводимых на предмет химия, сокращено до двух недель. Вместе с тем школьникам требуется определенный период времени, чтобы адаптироваться к новому предмету, почувствовать интерес к нему, осознать его значение в современном мире.

Для того чтобы облегчить детям переход к новому кругу понятий, необходим вводный курс.

Непрекращающееся последовательное сокращение времени на изучение химии в школе постепенно привело и к некоторому перекосу в соотношении теорий и фактов в ущерб последним. Между тем только факты, потребность в их объяснении могут убедить учащихся в необходимости изучения теорий. Обогащение знанием фактов, которые впоследствии помогут понять необходимость теорий, – еще одна задача данного курса. Содержание учебника создает условия для поиска и
установления причинно-следственных связей.

Все меньше времени в основной школе удается уделить ученическому химическому эксперименту. Освоение приемов лабораторной техники, навыков использования химической посуды, инструментов, нагревательных приборов в сочетании с соблюдением требований техники безопасности требует особенно много времени. Обучение приемам препаративной химии – еще одна задача пропедевтического курса. В данном курсе эксперименту уделяется особое внимание.

В этом пособии усилены межпредметные связи с дисциплинами не только естественно-научного, но и гуманитарного цикла, что придает содержанию интеграционные свойства. Сделано это с тем, чтобы показать место химии среди других наук, подчеркнуть ее значение как интегрирующей науки и способствовать формированию целостной картины мира.

Нельзя не отметить и еще одну черту данного курса – минимальное использование химических формул, уравнений и расчетов по ним. Экспериментальная проверка разработанных нами разных вариантов пропедевтических курсов показала, что эти важные особенности предмета химии предпочтительнее вводить позже, т. к. на самых ранних этапах изучения они заметно снижают интерес к предмету и желание изучать его более глубоко. Предпочтение отдается формированию представлений и понятий как первооснове. Чрезмерное увлечение формулами даже в основном курсе может привести к формальным знаниям, к отрыву моделей от реальных веществ и процессов. Впрочем, при практической реализации курса учитель может усилить эту сторону. Все определяется психологическими особенностями его учеников.

Содержание учебника предусматривает возможность изъять из него по усмотрению учителя отдельные абзацы и даже целые разделы в зависимости от объема времени, отводимого на учебный курс, или исходя из других соображений. Материал, отмеченный справа вертикальной чертой, интересен, но не обязателен для школьников. В нем приведена научно-популярная и занимательная информация, которая не играет решающей роли в обучении.

В то же время в учебнике в доступной форме отражен энергетический подход к трактовке сущности химических процессов. Мы считаем это принципиально важным.

Учебник написан в форме прямого обращения к ученику. В нем есть абзацы, отмеченные слева чертой и знаком вопроса, представляющие собой задания, введенные для развития у детей фантазии, воображения и одновременно научного мышления с учетом их возрастных особенностей.

В заголовках параграфов авторы также старались отойти от строгой академичности, придав им по возможности проблемное звучание. Реализация содержания учебника скорее всего потребует изменений в традиционной структуре урока и методике его проведения с учетом личности ученика.

Авторы предполагают в дальнейшем ознакомить учителей с методическими идеями организации учебного процесса при использовании этого учебника и будут благодарны за помощь и советы.

Введение

Вы открыли книгу, которая называется «Мир глазами химика». Вам предстоит погрузиться в особый мир. Самые обычные предметы, окружающие вас, вы увидите с совершенно неожиданной стороны. И, вероятно, очень удивитесь, узнав, что многое среди ваших домашних занятий и игр с друзьями было бы невозможно без химии. Для вас станет очевидным, что химия глубоко проникла в нашу жизнь.

Вероятно, вам приходилось слышать, что химия наносит людям вред, что лучше бы ее не было, что наши предки жили без химии, жили долго и не жаловались на здоровье. Нет. Это неправда. Не жили наши предки без химии. В основе почти всех процессов, происходящих в природе, и, в частности, в живых организмах лежат химические превращения. Да и вообще живы-то мы с вами во многом благодаря химии.

И если вы думаете, что химия приносит людям один сплошной вред, то, прочитав эту книгу, поймете, что вред не от химии, а от тех, кто не умеет пользоваться ее достижениями. Нам хочется, чтобы вы, изучив химию, стали современными культурными людьми, понимающими ее значение.

В основе химии лежит эксперимент. Вам предстоит научиться ставить химические опыты. Вы скорее всего этого никогда не делали, но, может быть, видели, как их ставит учитель. Очень важно приучить свои руки к выполнению такой работы. Результаты опыта надо осмыслить, понять причины протекающих процессов. И этому тоже нужно научиться. В книге вы встретите ряд заданий, которые в этом помогут. Их нужно выполнить.

Кроме того, книга предоставит свободу вашей фантазии и воображению. Вы сможете сочинить фантастические рассказы, сказки, пьесы, выполнить рисунки на химические темы, из которых позднее можно будет составить большой и интересный альбом.

В этом учебнике некоторые разделы отмечены чертой справа. Их не надо заучивать и даже запоминать. Их можно даже не читать, но ведь это интересно!

В книге много рисунков, есть кроссворды и занимательные задания. Мы старались облегчить вам путешествие в страну «Химию», сделать его увлекательным.

Вы, конечно, сами понимаете, что одной этой книги мало, чтобы познать всю глубину этого предмета. Вам предстоит изучение основного курса химии, начиная с 8-го класса. Но уже сейчас вы можете подготовиться к пониманию этого интересного и (не скроем) сложного предмета, разобраться, чем занимается химия.

В этом учебнике приведены портреты многих ученых, это сделано для того, чтобы вы не думали, что наука «делается» сама собой. Это их трудами достигнуто то, что мы имеем сегодня.

Да, химия – серьезная и сложная наука. Но не надо бояться. Ведь мы с вами не ищем легких путей. Не зря говорится: «Дорогу осилит идущий».

Поэтому – вперед!

ГЛАВА 1. Химия – наука о веществах и их превращениях

1.1. Видели ли вы вещества и знаете ли, чем они отличаются друг от друга?

Упоминание о веществах мы встречаем повсюду, например в следующих стихах:

Железо, злато, медь, свинцова
                                    крепка сила
И тягость серебра тогда себя
                                        открыла...

М.В.Ломоносов

Не жажду горы серебра,
Не знаю завтра, ни вчера,
Доволен скромною судьбою
И думаю: «К чему певцам
Алмазы, яхонты, топазы,
Порфирные пустые вазы...

Янтарь на трубках Цареграда,
Фарфор и бронза на столе
И чувств изнеженных отрада
Духи в граненом хрустале.

А.С.Пушкин

В синем небе, колокольнями
проколотом, –
Медный колокол, медный
колокол –
То ль возрадовался, то ли
осерчал...
Купола в России кроют
чистым золотом,
Чтобы чаще Господь
замечал...

В.Высоцкий

В этих стихах говорится о железе, золоте, меди, свинце и серебре, об алмазах, яхонтах, топазах и порфире. Все это – вещества. Посмотрите в окно, в нем стекло. Это тоже вещество, а за окном наша земная атмосфера – воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и других веществ. По небу плывут облака – это водяной пар, вода тоже вещество. А если облаков нет, а светит Солнце?

Но и Солнце состоит из веществ, которые так сильно раскалены, что даже на расстоянии в 150 млн километров оно нас согревает. Оно посылает на Землю столько энергии, сколько не вырабатывают все имеющиеся на Земле электростанции. Это именно благодаря ему, Солнцу, могут существовать на Земле животные и растения, но и они состоят из веществ. Вещества же все разные, их очень много, и характеризуются они своими свойствами. Что мы понимаем под свойствами? Это – цвет, запах, вкус, твердость, плотность, прозрачность, способность кипеть и плавиться, а также многое другое.

Не все свойства можно четко описать словами. Например, говорят, что у листьев растений цвет зеленый. Такой цвет объясняется наличием в листьях вещества хлорофилла.

Однако странно, что у всех растений есть хлорофилл, а в лесу и поле мы видим множество оттенков зеленого, не говоря уже о том, сколько их видит глаз художника. Вода, взятая в небольшом количестве, бесцветна и прозрачна. Сахар и поваренная соль – белого цвета. Но все обозначения цвета веществ недостаточно точны. Наш глаз различает множество оттенков, для некоторых из них придуманы слова. Например, в стихотворении М.Ю.Лермонтова упомянуто много оттенков.

Когда волнуется желтеющая нива
И свежий лес шумит при звуке ветерка
И прячется в саду малиновая слива
Под тенью сладостной зеленого листка;

Когда росой обрызганный душистой,
Румяным вечером иль утра в час златой
Из-под куста мне ландыш серебристый
Приветливо кивает головой...

Можно более точно передать цвет сливы как красновато-фиолетовый, а «румяный вечер» назвать красновато-оранжевым закатом, но и в том, и в другом случае мы будем иметь лишь качественное описание цветовой гаммы.

Цвет вещества можно описать и количественно, т. е. каждому оттенку будет соответствовать определенное число, так же как мы определяем расстояние в метрах от заданного предмета, но для этой цели необходимо знать, что цвет вещества зависит от его способности поглощать электромагнитное излучение, и уметь измерять значения характеристик этого излучения. Для этой цели созданы специальные приборы.

Вкус тоже можно описать качественно словами, т. е. недостаточно точно. Четыре основных вкуса – сладкий, кислый, горький, соленый – имеют еще и много промежуточных. Да кроме того, это свойство еще и очень опасно определять. Ведь для того, чтобы установить, какой вкус имеет вещество, его придется взять в рот, а этого делать нельзя, т. к. большинство веществ в химической лаборатории ядовиты.

Известный шведский химик и фармацевт Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) славился своей дурной привычкой пробовать на вкус всякое новое, полученное им вещество. Он открыл много веществ, последним из которых был цианистый калий (одно из известных очень ядовитых веществ). По всей видимости, он его попробовал, отчего и умер в 44 года.

Можно пробовать на вкус только пищевые продукты, о которых заведомо известно, что они не содержат вредных для здоровья веществ.

Находясь же в химической лаборатории, даже пищевые продукты категорически запрещено есть, потому что на них могут случайно попасть ядовитые вещества с лабораторных столов.

Вкус нельзя измерить, хотя в этом направлении и ведутся научные исследования. А пока мы с вами, сидя за столом, определяем вкус еды как кислый или соленый, т. е. очень приближенно.

Каждое вещество определенным образом раздражает рецепторы нашего носа и характеризуется своим запахом. Интенсивность запаха связана с количеством частиц данного вещества, находящихся в воздухе, и может быть измерена с помощью специальных приборов. Почувствовать запах вещества в воздухе наши органы обоняния так же, как и приборы, могут только при его определенном минимальном количестве вещества в единице объема воздуха (концентрация), например в одном кубическом метре. Если концентрация вещества в воздухе меньше минимальной, то определить его наличие невозможно. Уникальными способностями определять запахи обладают собаки. Рецепторы их носа чувствуют в атмосфере присутствие веществ в таких малых количествах, которые не способен определить ни один из современных приборов. Именно по этой причине собак используют при поиске спрятанных террористами взрывчатых веществ (они чувствуют запах динамита), наркотиков или для поиска следов преступника.

Есть вещества, оказывающие на нас даже в очень небольших количествах (когда мы ощущаем только их запах) вредное воздействие. И в этом случае их запах предупреждает нас об опасности.

Например, запах газа* в кухне говорит об его утечке из труб, а значит, может произойти отравление или сильный взрыв. Нужно немедленно проветрить кухню, проверить краны газовой плиты и все стыки труб, чтобы найти и устранить опасность. Запах горящей серы, который ощущается вблизи химических комбинатов, шахт, металлургических заводов, свидетельствует о том, что в воздухе появилось ядовитое вещество, называемое диоксидом серы, или сернистым газом. В этом случае экологи (экология – это наука, изучающая взаимоотношения живых организмов с
окружающей средой) указывают, что завод отравляет окружающую нас природную среду и необходимо изменить технологический процесс или закрыть завод.

Все мы знаем, что человека из обморочного состояния выводят, поднося к его носу вату, смоченную нашатырным спиртом. Нашатырным спиртом в медицине называют раствор в воде газа аммиака. Если раствор содержит много аммиака, то нюхать его долго опасно. Есть множество других веществ, вдыхать которые в больших количествах также вредно. По этой причине, если хотят понюхать неизвестное вещество, то делают это с предосторожностями: откупоренный сосуд с веществом отодвигают от лица на расстояние ~30 см и взмахами ладони направляют к себе его пары (рис. 1.1). В этом случае до носа доходит только небольшая часть паров вещества, и это безопасно.

Все перечисленные свойства вещества – цвет, вкус, запах – мы определяем с помощью наших органов чувств, а это всегда недостаточно точно. Для того чтобы указать, какой запах имеет вещество, его сравнивают с наиболее знакомыми для всех запахами, например с очень приятными нам запахами цветов – розы, фиалки, гвоздики – и неприятными – бензина, черного дыма. Мы узнаем их, но не можем описать словами, какие они.

Часто мы говорим: «Резкий запах», и он почти всегда оказывает на нас вредное воздействие.

Если нужна точность, необходимо использовать специальные приборы. Действие этих приборов обычно связано с определением концентрации веществ, обладающих нужными свойствами.

Рассмотрим такие свойства веществ, как цвет и прозрачность. Это разные свойства. Под прозрачностью понимают свойство вещества свободно пропускать через себя свет. Сравним несколько жидкостей: молоко, воду, раствор сахара и раствор медного купороса. Нальем эти жидкости в отдельные стаканы и потом поступим следующим образом: возьмем ручку или карандаш и поместим его за стакан с каждой жидкостью. Через какие жидкости мы сможем разглядеть карандаш? Через все, кроме молока. Значит, непрозрачно только молоко. Вода и раствор сахара прозрачны и бесцветны, а раствор медного купороса голубой, но прозрачный. Молоко же белого цвета.

Оконное стекло прозрачно и бесцветно, через него видно то, что находится за окном. Мы видим, как плавают рыбы в аквариуме, потому что прозрачны стекло и вода.

Мы видим все, что нас окружает, из-за прозрачности воздуха.

Некоторые свойства веществ можно определить, лишь совершив над ними определенные действия. Например, как можно узнать, что стекло хрупкое. Вероятно, вы роняли предмет, сделанный из стекла, на пол. Стекло разбивается, т. е. со стеклянными изделиями надо обращаться очень осторожно. Ведь не случайно возникла пословица: «Живущему в стеклянном доме не следует бросаться камнями».

Однако химия – точная наука, и поэтому для химика важны свойства, которые можно измерить.

___________________________________

*Строго говоря, природный газ (метан) запаха не имеет. К нему специально добавляют резко пахнущий газ меркаптан, чтобы легче обнаружить утечку газа.

Продолжение следует