XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
От алхимии к экспериментальной химии или химические опыты в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Химия - удивительная наука, полная разнообразных чудес. Она интересна как сама наша жизнь, ведь всё что происходит с нами можно рассматривать с точки зрения химии.Нужно узнать химию, чтобы объяснить многие явления в нашей жизни. Ведь вещества, окружающие нас в быту, имеют интересную историю и необычные свойства. А желание познать неизвестное очень велико и есть у каждого человека.
Сделать скучные и непонятные химические формулы и уравнения очень интересными возможно, стоит лишь немного изменить точку своего зрения. Поэтому у нашего проекта есть еще одна особенность – это чудеса. Может, и действительно, чудо бывает только в сказках и в нашем воображении, может его и вовсе не бывает… Но знания могут сделать все невозможное возможным и реальным. И многие чудеса можно легко объяснить, опираясь лишь на химические знания.
Итак, мы готовы постичь тайну всех земных и неземных превращений, готовы окунуться с головой в бушующее море интересных фактов нашей повседневной жизни!
Актуальность
Данный проект не только существенно расширяет кругозор, но и раскрывает материальные основы окружающего мира, дает химическую картину природы. Знакомство с характеристикой веществ и химических процессов, которые можно наблюдать в обычной жизни, в домашних условиях позволяет окунуться в загадочный мир научных экспериментов и совершить увлекательную экскурсию по химии.
Гипотеза
Химия доступна всем и каждому, кто стремится познать эту интересную науку, «чудеса» можно не только увидеть своими глазами, но и сделать своими руками.
Объект исследования: химические домашние препараты.
Предмет исследования: химические опыты.
Цель
В интересной форме рассказать о тех химических веществах и процессах, с которыми мы сталкиваемся в нашем доме и доказать, что «чудеса» можно сделать своими руками.
Задачи:
Проанализировать информацию о химических веществах в Интернете и научно-популярной литературе.
Выбрать опыты приемлемые для проведения в домашних условиях.
Провести опыты и осуществить "чудеса" своими руками.
Объяснить происходящие процессы, обработать результаты и сделать выводы.
Теоретическая часть
Происхождение названия «Алхимия»
Алхимия считалась тайной деятельностью жрецов в Египте. Из Египта она проникла в Европу, а оттуда в Азию. Как и сама наука, слово алхимия формировалось по кусочкам. В Египте она называлась "Кем" (Khem), что означало плодородную почву возле реки Нил. После того, как Египет был завоёван Александром Македонским в 332 году до н. э., образовалось слово "Кемия" (Khemia) — так на древнегреческом языке назывался Египет.
Впервые термин «алхимия» встречается в рукописи Юлия Фирмика, астролога 4 века. Другое толкование слова алхимия (позднелатинское alchemia, alchimia, alchymia) восходит через арабское к греческому chemeia от cheo -- лью, отливаю, что указывает на связь алхимии с искусством плавки и литья металлов.
Периоды алхимии
Первые сведения о химических превращениях люди получили, занимаясь различными ремеслами, когда красили ткани, выплавляли металл, изготавливали стекло. Тогда появились определённые приёмы и рецепты, но химия ещё не была наукой. Уже тогда химия была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать от природы все необходимые для жизнедеятельности человека материалы – металлы, керамику, известь, цемент, стекло, красители, лекарства, драгоценные металлы. Основной задачей было получение веществ с необходимыми свойствами. Можно выделить основные периоды наивысшего развития алхимии:
александрийский (греко-египетский);
арабский;
европейский.
Александрийский период
Родина алхимии, как и многих наук, Египет, где время она считалась божественной наукой, ее секреты тщательно оберегались жрецами. Несмотря на это, некоторые сведения просачивались за пределы страны и доходили до Европы через Византию. В то время цель алхимических исследований – нахождение средства для превращения неблагородных металлов в благородные, как результат наблюдений над приготовлением искусственных драгоценных камней и эмалей.
Но эта мысль не подкреплялась никакой научной теорией или гипотезой, которая оправдывала бы ее существование, и потому эта мысль не могла служить стимулом для дальнейших исследований в этом вопросе. После завоевания Александром Македонским Египта, основания новой столицы и Александрийской академии в 332 г до н. э. в Египет проникли идеи греческих философов о природе вещей (натурфилософию). Влияние этих идей тотчас сказалось в появлении теории состава металлов, основные черты которой мы находим уже у писателей I и II века нашей эры: Диоскорида и Зосимы Панаполитанина. Познания египтян в прикладной химии поразили греков, и, перенимая их конкретные знания, греки восприняли многое и из мистики – отождествили египетского бога Осириса с греческим богом Гермесом. Простые люди страшились тех, кто занимался алхимией и это заставляло ученых писать свои труды туманными символами, что усиливало таинственность.
Эта неясность языка приводила к торможению прогресса, так как работавший в этой области пребывал в неведении того, чем же занимаются его коллеги. А также, любой мошенник мог выдать себя за серьезного ученого. Именно в Александрийской академии произошло соединение теории античной натурфилософии и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях и из этого соединения и родилась новая наука – химия. Эта теория в общих чертах состояла в следующем: все металлы имеют два общих начала, из которых они состоят, это меркурий и сера. Именем меркурия и серы алхимики того времени называли отвлеченные понятия металличности и изменяемости. При внимательном наблюдении все металлы оказались обладающими многими общими свойствами. Так, все они имеют особый блеск и цвет, все более или менее ковки; будучи расплавлены, превращаются в жидкости и в этом виде чрезвычайно похожи друг на друга и в особенности на ртуть, ставшую уже известной в то время. Будучи выставлены на воздух или подвергнуты нагреванию, они, за исключением золота, изменяются и превращаются в землистые вещества – ржавчины или, по-нынешнему, окиси. Эти общие для всех металлов свойства были соединены, за исключением последнего, в одно понятие – металличности, и ртуть, по своей идеальной ковкости, по сильному блеску, естественно, стала считаться типом всех металлов, и ее алхимическое имя «меркурий» выразило эту типичность, соединив в себе все общие свойства металлов, за исключением изменяемости на воздухе и при нагревании. Эта последняя способность металлов дала повод к установлению другого общего для всех начала — изменяемости, и сера, сгорающая без остатка, дала свое имя для выражения названного свойства. Сообразно этому все металлы считались результатом соединения двух начал: металличности и изменяемости, меркурия и серы, в различном относительном количестве, в различной степени чистоты и в различной силе соединения друг с другом.
Вдумываясь глубже в эту теорию, легко понять, что неизбежным выводом из нее являлась мысль о возможности превращения одних металлов в другие и всех их в золото, самый совершенный из них.
Арабский период
В 758 г. халифат Абассидов принимал широкие меры для распространения просвещения в своем государстве. Во многих городах были основаны высшие школы, библиотеки, астрономические обсерватории. В научном центре Багдаде сосредоточились самые известные арабские врачи и ученые. Слово «химия» преобразовалось в арабском языке в «алхими». Влияние ислама в арабских университетах было сравнительно слабым; кроме того, изучение трудов античных авторов не противоречило трём обязательным исламским догматам – вере в Аллаха, в его пророков и загробный суд. Благодаря этому на Арабском Востоке могли свободно развиваться научные представления, в основе которых лежало научное наследие античности, в том числе и александрийская химия. «Их химики были наблюдателями и искусными техниками; они увеличили объем науки и избавили её от посторонних элементов: Магии, Кабаллы и Мистики. Арабы поставили Алхимию, так сказать, на ноги».
Европейский период
Появление алхимии на Западе стало возможным прежде всего благодаря крестовым -походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов многие научно-практические знания и среди них алхимию, которая получила быстрое распространение и способствовала расширению знаний о препаратах, необходимых в медицине.
Европейская алхимия находилась в этот период под покровительством астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Политические условия, сложившиеся в средневековой Европе, и острое соперничество многочисленных королевских дворов благоприятствовали развитию алхимии. В период с XI до XVI века, то есть в течение пяти веков, западная алхимия дала много крупных мыслителей, оставивших глубокий след в развитии химии.
Начиная с 1200 года европейские ученые могли близко познакомиться с наследием алхимиков прошлого и дальше развивать их исследования. Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным, но, вероятно, он был испанцем и жил в XIV веке. Его заслуга перед химией состояла в том, что он первый описал серную кислоту - одно из самых важных соединений современной химии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется азотная кислота. Ее открытие также связано с попытками получить золото. Было замечено важное свойство царской водки (получаемой при взаимодействии азотной кислоты с раствором нашатыря) воздействовать на золото, считавшееся до тех пор неподдающимся изменению. Открытие сильных минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из ртути примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и, в частности, сумели растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми.
История экспериментальной химии.
Наукой, в современном смысле этого слова, химия начала становиться только в XIX в., когда был открыт закон кратных отношений и разрабатывалось атомно-молекулярное учение. С этого времени химический эксперимент стал включать в себя не только изучение превращений веществ и способов их выделения, но и измерения различных количественных характеристик. Современный химический эксперимент включает множество разнообразных измерений.
Изменились и оборудование для постановки опытов, и химическая посуда. В современной лаборатории не встретишь самодельных реторт — на смену им пришло стандартное стеклянное оборудование, производимое промышленностью и приспособленное специально для выполнения той или иной химической процедуры.
Методы изучения вещества сделались не только более универсальными, но и гораздо более разнообразными. Все большую роль в работе химика играют физические и физико-химические методы исследования, предназначенные для выделения и очистки соединений, а также для установления их состава и строения.
Стали стандартными и приемы работы, которые в наше время уже не приходится каждому химику изобретать заново. Описание наилучших из них, проверенных многолетним опытом, можно найти в учебниках и руководствах.
Научное шоу
Людям, а особенно детям всегда было и будет интересно посмотреть, а также поучаствовать в научных экспериментах. Прозрачное превращается в цветное, твёрдое в жидкое, жидкое улетает белым туманом, оранжевый порошок превращается в действующий вулкан - настоящая магия на глазах восхищённых зрителей!
Научные шоу – это познавательное и развлекательное мероприятие для детей, с проведением химических опытов и экспериментов. В процессе шоу можно производить эффектные, но безопасные взрывы; создавать молнии и вихри; вместе со зрителями превращать жидкости в полимеры и светящиеся «тянучки», замораживать предметы и многое другое. Организация научных развлекательных шоу формирует в детях тягу к познанию и занятиям наукой.
Научные шоу можно проводить в стиле интерактивных уроков химии, веселых праздников, стилизованных вечеринок или познавательных экспериментов.
Такие шоу начали проводиться не так давно, их новизна и оригинальность обеспечат успех мероприятия. Шоу может состоять из разных опытов и экспериментов, быть стилизованным под персонажей популярных книг и фильмов. Каждое отдельно взятое представление может быть не похожим на предыдущие, для того, чтобы дети каждый раз могли открывать для себя что-то новое. После просмотра шоу дети будут в восторге, они будут рассказывать о празднике всем друзьям и одноклассникам. Научные шоу и эксперименты помогают развивать в детях стремления к познанию и обучению.
Мы решили провести научное химическое шоу в нашей школе в рамках проведения "Дней науки", чтобы участники смогли окунуться в загадочный мир научных экспериментов и совершить увлекательную экскурсию по химической лаборатории. Школьники с большим интересом наблюдали за опытами, чудесными превращениями и удивительными явлениями, а, в некоторых случаях, и сами в них участвовали.
II. Практическая часть
Описание, результат и научное объяснение опытов
Опыт № 1. Магическое тушение свечей содержимым пустого стакана
Цель: Поместив в стакан соду и уксус, полить полученным газом на зажженную свечу и погасить ее.
Постановка опыта.
Насыпьте в стакан соды и залейте ее уксусом. Зажгите несколько свечей. Поднесите стакан с содой и уксусом к другому стакану, немного переклонив его, чтобы полученный в процессе химической реакции углекислый газ перетек в пустой стакан. Пронесите стакан с газом над свечами, как бы поливая им пламя.
Результат и научное объяснение.
При взаимодействии соды и уксуса выделяется углекислый газ, который, в отличие от кислорода, не поддерживает горение:
CH3—COOH + Na+[HCO3]− → CH3—COO− Na+ + H2O + CO2
CO2 тяжелее воздуха, а потому не улетает вверх, а оседает вниз. Благодаря этому свойству мы имеем возможность собрать его в пустой стакан, а потом «вылить» на свечи, тем самым загасив их пламя.
Опыт № 2. Как надуть шарик содой и уксусом.
Цель: наполнить воздушный шарик углекислым газом, который выделяется при добавлении соды в уксус (гашение соды).
Постановка опыта.
Насыпаем немного соды в шарик (не более 3-4 чайных ложек). Для удобства можно использовать воронку или обычную ложку. В бутылку заливаем небольшое количество уксуса и осторожно надеваем шарик на горлышко бутылки таким образом, чтобы сода не просыпалась в бутылку. После подготовительного процесса приподнимите шарик так, чтобы сода высыпалась в бутылку. Уксус начнет булькать и пенится, не стоит этого бояться, это выделяется углекислый газ, который в итоге и надует наш шарик. Несколько секунд и шарик надут, только придерживайте его, а то улетит! Оказывается вот так просто можно надуть шарик содой и уксусом!
Результат и научное объяснение.
Опыт основан на взаимодействие кислоты (уксус) и соли (сода). Происходит реакция нейтрализации: т.е выделяется углекислый газ и вода.
CH3COOH+NaHCO3 → CH3COONa+H2O+CO2
Газ, выделяющийся в процессе реакции, постепенно заполняет все пространство и, не помещаясь в заданном объеме, начинает давить на стенки шарика. Резина растягивается, шарик надувается.
Опыт № 3. Резиновое яйцо.
Цель: рассмотреть, как скорлупа полностью растворится, если поместить куриное яйцо в уксус и продержать там около 3-х дней.
Постановка опыта.
Наливаем в стакан уксус пищевой.Помещаем сырое куриное яйцо в стакан с уксусом. Оставляем яйцо в стакане на 3 дня. После этого можно показывать "резиновое яйцо" зрителям.
Результат и научное объяснение.
Если поместить куриное яйцо в уксус и продержать там около 3-х дней, то скорлупа полностью растворится. Скорлупа растворяется из-за того, что состоит она из кальция, который вступает в реакцию с уксусом. Яйцо, при этом, сохранит свою форму, благодаря наличию пленки между скорлупой и содержимым яйца. Если выключить свет и поднести к нему фонарик, то яйцо превращается в светящуюся капсулу.
Кальций, находящийся в скорлупе яйца, прореагировал с уксусной кислотой, образовав раствор ацетата кальция, а белок и желток денатурировали (изменили форму белковых молекул) под действием кислой среды (денатурация белка происходит при температуре, когда яйцо, например, варится).
C 3COOH + CaCO3 (CH3COO)2 Ca + CO2 + H2O
Опыт № 4 Зубная паста для слона
Постановка опыта.
Внимание! 6% раствор перекиси водорода может отбелить кожу или даже вызвать ожог! Поэтому не пренебрегайте правилами техники безопасности и используйте перчатки. Зубная паста для слона оставляет пятна, поэтому будьте уверены, что испачканную поверхность можно будет отмыть. Не пробуйте на вкус получившуюся пену и тем более не глотайте.
Важно. Использовать менее, чем 6% раствор перекиси водорода не нужно. Ничего не получится. Чем выше концентрация, тем лучше. Но чем выше концентрация, тем опаснее становится раствор перекись водорода.
Возьмем поднос и стакан. . Нальем в стакан 50 мл 30%-ной перекиси водорода, добавим несколько капель средства для мытья посуды и 2 г пищевого красителя. Перемешаем полученный раствор. Прильем 50 мл концентрированного раствора йодида калия и наблюдаем «пенный вулкан».
Результат и научное объяснение.
Перекись водорода разлагается на воду и кислород. Иодид калия выступает в качестве катализатора и ускоряет эту реакцию. Выделяющийся кислород вспенивает средство для мытья посуды, образуя густую пену, а пищевой краситель придает ей цвет. Пена получается плотной и долго не оседает из-за низкого содержания воды
2H₂O₂ –> 2H₂O + O₂
Опыт № 5. Светящийся помидор.
Постановка опыта.
Перекись водорода свободно продается в аптеках, важно чтобы она была не менее 30%. Если не найдете такого, то можно использовать крепкий раствор таблеток гидроперита. «Белизну» можно заменить на Гипохлорит натрия. Когда все готово, в небольшую емкость засыпаем серу со спичек и добавляем «Белизну». Оставляем на 20 минут этот раствор в покое, до момента пока не образуется 2 слоя. Набираем раствор в шприц и со всех сторон обкалываем нашего пациента, он же помидор. После инъекции аккуратно вводим в самый центр помидора перекись водорода, выключаем свет и наслаждаемся результатом!
Результат и научное объяснение.
В данном случае мы имеем дело с разновидностью люминесценции получившим название - хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций, другими словами, хемилюминесценция это люминесценция (свечение) тел, вызванная химическим воздействием. Происходит реакция окисления фосфора пероксидом водорода. А помидор получается просто необычной емкостью для реагентов :) Согласитесь если бы реактивы смешивали просто в пробирке или стакане то все выглядело бы не столь эффектно.
Опыт № 6. Секретное послание
Постановка опыта.
Написать письмо лимонным соком или раствором лимонной кислоты. Чтобы его прочесть, растворить в воде несколько капель аптечного йода и слегка смочить текст.
Результат и научное объяснение.
Получилось написать послание невидимыми чернилами, которые под воздействиями паров воды и йода становятся видимыми.
OH OH
H OOC – CH2 – C – CH2 – COOH + 2I2 HOOC – CH – C – CH – COOH + 2HI
COOH I COOH I
Опыт №7. Светофор.
Для проведения эксперимента понадобятся: индигокармин, глюкоза, каустическая сода, горячая вода, 2 стеклянных сосуда,защитные перчатки
Постановка опыта, результат и научное объяснение. Обратите внимание, что для этого опыта мы обязательно должны использовать перчатки. Во-первых, можно испачкать руки индигокармином, а во-вторых, каустическая сода (гидроксид натрия) очень сильная щелочь способная нанести химический ожог.
Для начала в одном стеклянном сосуде растворим 4 таблетки глюкозы в небольшом количестве горячей воды. 4 таблетки это 2 грамма. Приливаем к раствору глюкозы раствор около 10 мг раствора каустической соды. Получили щелочной раствор глюкозы. Отставляем его пока в сторонку. Во втором сосуде растворяем некоторое количество индигокармина. Получается синий раствор. Теперь осторожно вливаем в синий раствор щелочной раствор глюкозы. Жидкость изменит цвет на зеленый. Это синий индигокармин окисляется кислородом воздуха, т.к. жидкость насыщается этим газом при переливании. Постепенно зелёный раствор будет становиться красным, а затем жёлтым. Действительно, как светофор! Если жёлтый раствор резко встряхнуть, то он вновь станет зелёным, т.к. жидкость насытит кислород.
Опыт № 8.Фараонова змея из соды и сахара
Для проведения эксперимента понадобятся: просеянный песок, 95% спирт, сахарная пудра, пищевая сода.
Постановка опыта. Из песка насыпаем небольшую горку, пропитанную спиртом, на вершине этой горки делаем небольшое углубление. Затем смешиваем чайную ложку сахарной пудры и четверть ложки соды. Полученную смесь засыпаем в «кратер». Поджигаем спирт (это может занять некоторое время). Постепенно смесь начнет превращаться в черные шарики, а после того как весь спирт прогорит, смесь резко почернеет и из неё начнет выползать фараонова змея!
Результат и научное объяснение. Во время горения спирта происходит реакция разложения соды и сахара. Сода разлагается на углекислый газ и водяной пар. Газы вспучивают массу, поэтому наша «змея» ползет и извивается. Тело змеи состоит из продуктов горения сахара.
2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2, C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O
Диоксид углерода CO2, выделяющийся при разложении гидрокарбоната натрия и горении этилового спирта, а также водяные пары вспучивают горящую массу, заставляя ее ползти, как змея. Чем дольше горит спирт, тем длиннее получается «змея». Она состоит из карбоната натрия Na2CO3, смешанного с мельчайшими частичками угля, образованного при горении сахара.
Заключение
В ходе работы все задачи выполнены полностью.
В заключение, хотелось бы сказать: верьте в чудеса, знайте, что весь наш мир состоит из них и все живое - уже великое чудо. В нашем проекте нам удалось познать малую часть того, что может совершить наука, но жизнь непременно еще много раз будет сталкивать нас с такими поистине волшебными явлениями химии.
«Для меня химия — это волшебство, это приключение»
Список литературы
Химические опыты для детей. [Электронный ресурс]: Занимательная химия. - Режим доступа: http://www.alto-lab.ru/himicheskie-opyty- Загл. с экрана.
Зав. каф. химии и геоэкологии С.В. Бортников. Научно-познавательные шоу для детей. [Электронный ресурс]: Бизнес портал. Фабрика манимейкеров. - Режим доступа: http://moneymakerfactory.ru/biznes-idei/nauchno-poznavatelnyie_shou_dlya_detey/ - Загл. с экрана.
В. А. Крицман, В. В. Станцо Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд., испр. М.: Педагогика, 1990г.
История химии. [Электронный ресурс]: Википедия — свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ История_химии
Приложение