ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ХИМИИ ИЛИ ПОЧЕМУ НАДО ЧИСТИТЬ ЗУБЫ

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ХИМИИ ИЛИ ПОЧЕМУ НАДО ЧИСТИТЬ ЗУБЫ

Иванов И.И. 1
1
Шамшеева Г.Ш. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
СОДЕРЖАНИЕ

Введение

  1. Обзор литературы……………………………………………………... .4-5

  1.  

    1. Из истории открытия закона……… …………………………….....4

    2. Применение закона сохранения электрического заряда в химии

при составлении формул ……………………………………… 5

  1.  

    1. Почему разрушается эмаль на зубах?.........................……………...6

  1. Материал и методика исследований…………………………………...7

    1. Объект и программа исследования ……………………………….7

2.2.Методика лабораторных исследований…………………………….7

  1. Результаты собственных исследований……………………………...8-10

3.1.Исследование применения закона сохранения электрического

заряда в физике…………………………………………………………...8

3.2 Исследование применения закона сохранения электрического

заряда в химии …………………………………………………………....9

Реакция обмена……………………………………………………………9

Действие кислоты на апатит…………………………………………….10

  1. Выводы…………………………………………………………………...11

  2. Список литературы

  3. Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Мы зачастую на разных уроках изучаем одни и те же законы, факты совершенно разрозненно, а они чаще всего имеют единую основу. При изучении физики и химии, я отметила, что некоторые явления, процессы и законы природы рассматриваются с единой точки зрения. Так получилось и с законом сохранения электрического заряда. Мы предположили, что в процессах, связанных с самыми разнообразными явле­ниями — физическими, химическими — этот закон действует без ограничения.

Исходя их этого, я поставила перед собой цель: показать взаимосвязь физики и химии и применение закона сохранения электрического заряда в химии.

Для выполнения работы были выделены следующие задачи:

  1. Изучить суть закона сохранения электрического заряда и выяснить где мы встречаемся с этим законом;

  2. Показать на опыте подчинение химических процессов закону сохранения электрического заряда;

  3. Выяснить, с точки зрения закона, почему надо чистить зубы.

Объектом данного исследования являются процессы, происходящие при контактной электризации тел, а также реакциях ионного обмена, чистке зубов.

Предметом изучения является действие закона сохранения электрического заряда в физических и химических процессах.

Методы исследования:

  1. Теоретический (обзор литературы)

  2. Эмпирический (сравнение и наблюдение)

  3. Специальный (составление химических формул и уравнений химических реакций)

  1. Обзор литературы

  1.  

    1. Из истории открытия закона

Закон сохранения электрического заряда открыт Фарадеем в связи с исследованием электростатической ­индукции. Но Фарадей не дал четкой формулировки этого закона[5]. Впервые утверждение о неуничтожимости и несотворимости электрического заряда встречается у Максвелла [1].С развитием электродинамики было найдено и математическое обоснование закона. Современная его формулировка такова: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной при любых процессах, происходящих в ней[4]. В телах, которые находятся в покое и электрически нейтральны, заряды противоположных знаков равны по величине и взаимно компенсируют друг друга. В изолированной системе тел общий суммарный заряд всегда равен некоторой постоянной величине: q1+q2+⋯+qn=const, где q1, q2, …, qn заряды тел или частиц, входящих в систему[4]. Выполнение закона сохранения электрического заряда подтверждено экспериментально множество раз. Нет ни одного факта, который бы говорил об ином. Поэтому, ученые полагают, что полный электрический заряд всех тел во Вселенной сохраняется неизменным и, скорее всего, равен нулю. То есть количество всех положительных зарядов равно количеству всех отрицательных зарядов[5]. Природа существования закона сохранения заряда пока непонятна. В частности, непонятно, почему заряженные частицы рождаются и аннигилируют только парами. Однако, очевидно, что это часть мудрого устройства Вселенной, и она необходима для стабильного и продолжительного существования материи как таковой[2].

  1.  

    1. Применение закона сохранения электрического заряда в химии при составлении формул

Химические реакции сводятся к перераспределению электронов между частицами реагирующих веществ[2]. Поэтому вся химия — органическая и неорганическая — сфера действия закона сохранения электрического заряда, и следует уметь применять его как при объяснении теоретического материала, так и при решении практических задач. Например, нужно составить формулу какого-либо соединения по валентности. Пусть это будет тот же оксид алюминия, о котором идет речь в учебнике химии. Как там сказано, составленная формула будет справедлива в том случае, если «сумма единиц валентности атомов алюминия будет равна сумме единиц валентности атомов кислорода».

Валентность — это способность атома химического элемента или группы атомов образовывать химические связи с другими атомами (группами атомов). Валентность атома определяется числом неспаренныx электронов, которые способны вступать во взаимодействия с электронами других атомов, вследствие чего образуются химические связи. В молекулах, состоящих из одинаковых атомов, например в молекуле водорода, электронная пара, посредством которой образуется ковалентная связь, в равной мере принадлежит обоим атомам. Если же электронная пара связывает два разных атома она всегда оказывается «оттянутой» от одного атома к другому- это полярная ковалентная связь. При образовании таких связей, как и при образовании ионных связей, происходит завершение электронного слоя атомов одного элемента за счет оттягивания электронов от атомов другого элемента. Одни атомы теряют электроны, другие их принимают, но в молекуле соединения число электронов, потерянных одной группой атомов, равно числу электронов, принятых другой группой атомов: ни один электрон при их перераспределении во время образования соединения не может «потеряться» или появиться ниоткуда[4].

При образовании оксида алюминия из кислорода и алюминия перераспределение электронов между атомами этих элементов происходит следующим образом: атом алюминия может потерять три электрона, атом кислорода — приобрести два электрона. Соединение будет устойчивым (не будет к себе притягивать положительные или отрицательны ионы) только в том случае, если его общий заряд станет равным нулю. А это условие будет выполнено, если число электронов, потерянных одной группой атомов в соединении, будет равняться числу электронов, принятых другой группой атомов в том же соединении. Значит, формула оксида алюминия А12О3[2]

Образование химических веществ подчиняется одному из фундаментальных законов природы — закону сохранения электрического заряда.

  1.  

    1. Почему разрушается эмаль на зубах?

Зубы покрыты эмалью — самой твердой тканью человеческого тела - по твердости она приближает­ся к кварцу. На 93% эмаль состоит из неорганического вещества апатита Са5(РО4)зОН[1]. В кристаллическую решетку этого вещест­ва могут проникать посторонние ионы, оно не кислотоупорно. И хо­тя мы не употребляем с пищей сильных кислот, но если не выпол­нять правила гигиены ротовой полости, на зубах появляется кисло­та, которая и разъедает эмаль. Кислота вырабатывается микро­организмами, для них ротовая полость — «настоящий рай». Здесь тепло, влажно и много пищи. На неухоженных зубах появляются бактериальные наросты — кариозные бляшки. Они и начинают свою разрушительную работу. Микроорганизмы составляют более половины зубного налета, в одном его грамме находится около 300 млрд. живых существ — бактерий, микроскопических грибков, амеб. Под действием бактерий сахар, попадающий в ротовую полость, сбраживается и превращается в кислоту, после чего начинается разрушение зуба[2].

  1. Материал и методика исследований.

2.1 Объект и программа исследования

Объектом данного исследования стали опыты с электрометром, а также процессы, происходящие при реакциях апатита с кислотой и ионного обмена

Исследования проводились в несколько этапов:

1.Проведение опытов с физическими приборами, доказывающих действие закона сохранения электрического заряда.

2. Проведение реакции обмена и доказательство проявления закона сохранения электрического заряда в химии.

3. Исследование действия кислоты на апатит, для доказательства того, почему надо чистить зубы и выявить действие закона сохранения электрического заряда.

4. Обобщение результатов исследования.

Исследования и анализ проводились с октября по декабрь 2015 года в школьном кабинете химии МБОУ СОШ с.Куяново.

  1.  

    1. . Методика лабораторных исследований

Исследование действия сохранения электрического заряда в физике

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется

электрометр[4,I], состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками. Натиранием о мех или бумагу сообщают электрический заряд эбонитовой палочке, а затем прикасаются палочкой к стержню электрометра. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки [4]. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра. Далее следует соединить проводником стержни первого и второго электрометров.

Исследование действия сохранения электрического заряда в химии. Реакция обмена

Смешивают растворы хлорида магния и нитрата серебра. Записывается уравнение реакции и расставляются коэффициенты[3].

Действие кислоты на апатит

На апатит воздействовать соляной кислотой. Проводят наблюдение и чтобы увидеть, каково соотношение между разрушающей кисло­той и апатитом (эмалью), следует в этом уравнении расставить коэффициенты[3].

3. Результаты собственных исследований

3.1.Исследование действия сохранения электрического заряда в физике

Использование описанных выше методик на практике позволило получить следующие результаты.

При соприкосновении заряженной эбонитовой палочки со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки [I]. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

При соединении проводником стержни первого и второго электрометров, стрелки обоих электрометров возвращаются в вертикальное положение[I]. Наблюдаемая в опыте взаимная нейтрализация зарядов показывает, что суммарный электрический заряд на двух дисках равен нулю. Аналогичные опыты, выполненные с соединенными электрометра

ми показали, что в результате электризации при соприкосновении на телах всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

3.2. Исследование действия сохранения электрического заряда в химии.

Реакция обмена

При смешивании раствора хлорида кальция и нитрата серебра образуются новые вещества[II]. Как записать уравнение этой реакции и расставить в нем ионы?

Мg2++Cl-+Ag++NO3- =AgCl↓+Mg2++NO–3

Рассуждаем так: раствор образуется из нейтральных веществ, значит, до и после реакции его общий заряд должен быть равен нулю (в замкнутой системе при любых процессах алгебраическая сумма электрических зарядов остается неизменной). Если в левой части уравнения перед ионом хлора не поставить коэффициент 2, то согласно уравнению раствор до реакции будет иметь положительный заряд. Из тех же соображений следует поставить коэффициент 2 перед ионом NO3– в правой части уравнения. Согласно закону сохранения массы вещества следует поставить коэффициенты перед ионом Ag+ и молекулой AgCl:

Мg 2++2Cl–+2Ag+ + 2NO3–= Мg 2+ + 2NO3–+ 2AgCl↓

Если происходят какие-то химические изменения, вследствие которых из одних веществ образуются другие, то проявляется действие этого закона.

Действие кислоты на апатит

Чтобы увидеть, как происходит процесс разрушения эмали, взяли природный апатит и воздействовали на него соляной кислотой. Идет процесс разрушения апатита [III]. Он уменьшается в размерах. Значит, ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие дис­социации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы кальция, в результате чего эмаль растворяется:Са5(Р04)з ОН + Н+ → Са2+ + НРО42- + Н2О

Чтобы увидеть, каково соотношение между разрушающей кисло­той и эмалью, следует в этом уравнении расставить коэффициенты. Учитывая, что при любых перераспределениях ионов в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов должна оставаться по­стоянной. Знак равенства в уравнении можно поставить в том случае, если заряд ионов водорода, заместивших ионы кальция в Са5(РО4)3ОН, будет равен алгебраической сумме зарядов ионов Са2+ и НРО42-, образовавшихся после реакции:Са5(РО4)3ОН + 4Н+ = 5Са2+ + 3 НРО42- + Н2О;

+ 4 = ( + 10) + (—6); +4= +4

Алгебраическая сумма электрических зарядов в растворе, окру­жающем зуб, до и после реакции остается одной и той же: в нем уменьшилось число ионов водорода, но увеличилось число ионов кальция. С точки зрения закона сохранения электрического заряда все осталось по-прежнему, но с точки зрения человека, страдаю­щего кариесом, произошли существенные изменения: ведь кислота, содержащаяся в слюне, частично растворила эмаль (соотноше­ние 4:1): на зубе появились белые пятнышки.

Если бляшки не удалять, то бактерии проникнут под эмаль, где находится дентин — менее твердое вещество, чем эмаль, и менее сопротивляющееся действию кислот.

Выводы

  1. Центральное место в физике, а именно разделе «Электродинамика» занимает закон сохранения электрического заряда, который подтвердили опытами на электрометрах. Мы убедились в одновременном появлении противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел.

  2. Если происходят какие-то химические изменения, вследствии которых из одних веществ образуются другие, то и тогда проявляется действие этого закона. Следует грамотно расставлять коэффициенты в химических реакциях и правильно записывать уравнения в ионном виде.

  3. Зубы покрыты эмалью — самой твердой тканью человеческого тела - на 93% состоящей из неорганического вещества апатита Са5(РО4)зОН. Ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие дис­социации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы кальция, в результате чего эмаль растворяется, на зубе появляются белые пятнышки (этот процесс тоже подчиняется закону сохранения электрического заряда). Если бляшки не удалять, то можно остаться без зуба, поэтому зубы надо регулярно и правильно чистить.

  4. Таким образом, химия, как и физика – тоже одна из сфер действия закона сохранения электрического заряда, и можно сказать, что этот закон имеет фундаментальный характер: он выполняется в любых процессах рождения и уничтожения элементарных частиц.

Список литературы.

  •  

    1. Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1996.

    2. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986.

    3. Орлик Ю.Г. Химия после уроков. – Минск: Народная асвета, 1979.

    4. http://electrophysic.ru

    5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_сохранения_электрического_заряда

Приложение.

I. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в физике

Фото Шамшеевой Г.Ш.

II. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в химии. Реакция обмена

Образуется белый осадок AgCl.

Фото Шамшеевой Г.Ш.

III. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в химии. Действие кислоты на апатит.

Фото Шамшеевой Г.Ш.

Просмотров работы: 1754