УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28/2003

§ 5.5. Вода и диаграмма состояния воды

(окончание)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Почему на вершине горы для приготовления супа его приходится варить значительно дольше, чем у подножия горы?

2. Почему температура плавления льда (0 °С) не равна температуре тройной точки воды (0,0076 °С)?

3. Плотность жидкой воды равна 0,9998 г/см³, плотность льда – 0,9168 г/см³. Какая часть айсберга возвышается над поверхностью воды? Плотности приведены при 0 °С. Отличие плотности океанской воды от обычной не принимайте во внимание.

4. Подсчитайте число степеней свободы на каждом поле, на кривой и в тройной точке диаграммы состояния воды.

5. Нарисуйте кривую, описывающую нагревание воды (начиная ото льда) при давлении ниже давления в тройной точки.

6. Рассчитайте изменения энтальпии при испарении воды и ее конденсации, а также других фазовых переходах воды (каких?). Не пугайтесь этой задачи. Она очень простая. Ниже приведены энтальпии образования воды:

7. Температура кипения воды постоянна и не зависит от интенсивности кипения. Почему при сильном кипении, например, макароны, картофель можно сварить быстрее, чем при слабом? Перечислите возможные причины.

8. Диктор в прогнозе о погоде сказал: «Завтра осадки будут в трех фазах: снега, мокрого снега и дождя». Исправьте это сообщение, сделав его научно и литературно грамотным, и составьте соответствующий текст для сообщения телезрителям.

Ниже даны задачи не по диаграмме состояния воды, а по фазовым равновесиям других веществ. Пусть вас это не удивляет, т. к. диаграммы состояния однокомпонентных систем похожи.

9. Тройная точка йода соответствует температуре +116 °С и давлению 11 970 Па. Как получить жидкий йод?

10. Стандартные энтальпии и энтропии (298 К) алмаза и графита приведены ниже:

	обр,   кДж/моль	S, Дж/(К•моль)
С (графит)	0	5,7
С (алмаз)	1,8	2,4

Рассчитайте изменения энтальпии, энтропии и изобарного потенциала при переходе графита в алмаз:

С (графит) = С (алмаз).

Как влияет с точки зрения принципа Ле Шателье, а также вычисленного значения энтальпии перехода изменение температуры на равновесие этого перехода? Посмотрите на диаграмму состояния углерода (рис. 5.13). Какая фаза – графит или алмаз – более вероятна при высоких температурах? Проследите, что происходит с углеродом при повышении температуры от 0 до 5000 К вдоль прямой абв. Нет ли в ваших выводах каких-либо противоречий с этой диаграммой?

Рис. 5.13. Диаграмма состояния графит–алмаз

Выведите зависимость изменения изобарного потенциала от температуры. Рассчитайте при температуре 298 К. Возможен ли переход графита в алмаз при стандартной и высоких температурах (давление стандартное)?
Предскажите, при каких условиях можно получить алмаз из графита.
Вспомните название этого перехода – аллотропный или полиморфный?

11. Переведите на русский язык.

Pure water is a colourless transparent liquid with no test or odour. The weight of 1 ml of pure water at 4 °C is accepted as the metric unit of weight and called the gram.
Unlike most other substances, the densities of which increase continuously upon cooling, the highest density of water is at 4 °C. Above and below this temperature the density of water is lower. This anomaly of water is of very great importance, as it accounts for the fact that deep bodies of water do not freeze to the bottom in winter, so that life can be retained in them.
Of no smaller importance in the life of nature is another anomaly of water, namely, the fact that water has the highest specific heat of all solid and liquid substances. This makes it grow cold slowly in winter and warm up slowly in summer and thus act as a temperature regulator on the globe.
The freezing point of pure water is accepted as the starting point of the centigrade thermometer scale and is designated by 0; the boiling point of water at normal pressure is indicated on the scale by 100.
Determination of molecular weight of water by the density of its vapour at high temperatures shows it to be 18, which corresponds to its simplest formula. However, as the boiling point of water is approached, the vapour density increases somewhat and the molecular weight becomes a little higher than 18. This fact led to the conclusion that along with simple molecules liquid water contains more complex molecules in equilibrium with the latter, the composition of these complex molecules being expressed by the general formula (H₂O)_x. Such a combination of simple molecules into more complex ones without the chemical nature of the substance changing is called molecular association.

Ответ к задаче 10. Принцип Ле Шателье к равновесию алмаз–графит неприменим.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Определение температур плавления и кипения воды.
В стеклянный стакан положите побольше раздробленного льда из морозильной камеры холодильника или сосулек с крыши дома. Желательно, чтобы температура льда была как можно ниже и не было даже капель жидкой воды. В лед вставьте термометр с диапазоном измеряемых температур от –10 °С до +110 °С. Если такого термометра в школьной лаборатории нет, воспользуйтесь несколькими термометрами, диапазоны измерения которых охватывали бы интересующий нас интервал температур. (Не забудьте вынуть термометр, когда температура приблизится к максимальной температуре его шкалы!) Желательно, чтобы термометр не был ртутным. Стакан поставьте на электрическую плитку или нагревайте слабым пламенем горелки. Термометр укрепите в лапке штатива, чтобы он ни в коем случае не касался дна стакана.
Начните нагревание льда и одновременно отметьте время и температуру льда. Через каждую минуту или 30 с записывайте температуру вещества в стакане и отмечайте фазовое состояние воды. Опыт можно закончить после 5–10 мин кипения воды. Одновременно стройте график «время – температура». Объясните вид кривой нагревания (наклонные участки, площадки, число фаз, число степеней свободы). Каковы температуры плавления и кипения воды?
Таким образом вы можете определить температуры плавления и кипения других чистых веществ. При высоких температурах фазовых переходов используют не термометры, а термопары (см. учебник физики или энциклопедию).

2. Получение жидкого йода.
Посмотрите задачу 9. Теперь проверьте экспериментально, правильный ли ваш ответ.
Отвесьте около 1 г кристаллического йода и поместите его в маленький стаканчик, который накройте круглодонной колбочкой, наполненной холодной водой. Соблюдайте осторожность, чтобы не вдохнуть пары йода! Нагрейте стаканчик слабым пламенем газовой горелки или на электроплитке. Наблюдается ли плавление йода? Каков цвет паров йода? Что образовалось на поверхности колбочки, находящейся на стаканчике?
Теперь проведем другой опыт. Примерно то же количество йода поместите в пробирку, закройте ее пробкой с пропущенной через нее стеклянной трубкой, заканчивающейся выходящим наружу капилляром. Можно попытаться провести опыт, закрыв пробирку очень плотным ватным тампоном. Укрепите пробирку в лапке штатива. Осторожно нагревайте пробирку пламенем горелки. Что происходит с йодом?
Почему в этих двух опытах йод ведет себя по-разному? Для объяснения наблюдающихся явлений вы можете воспользоваться диаграммой состояния йода, подобной диаграмме состояния воды. Предположите, что давление паров йода постоянно.
Если вы перед началом опыта добавите к йоду щепотку йодида калия или хлорида натрия (поваренная соль), то в результате опытов очистите йод от внесенных примесей.
Назовите наблюдавшиеся переходы йода из одного фазового состояния в другое.
Вы можете аналогичные исследования провести с хлоридом аммония NH₄Cl, бензойной кислотой С₆Н₅СООН (t_пл = 123 °С, t_кип = 250 °С) или другими веществами.
При объяснении результатов опытов подумайте, при каком давлении пара вещества происходит нагревание – выше или ниже давления в тройной точке.

О.С.ЗАЙЦЕВ