Вопрос № 2. Физико-химические и огнетушащие свойства воды

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Для проведения лекционного занятия

по дисциплине «Химия»

для курсантов 1 курса по специальности 280705.65 –

«Пожарная безопасность»

РАЗДЕЛ III

ХИМИЯ РАСТВОРОВ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

ТЕМА 3.10

РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

ЗАНЯТИЕ № 3.10.1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ

Обсуждена на заседании ПМК

протокол №__ от «___»________2014г.

 

 

Владивосток

2014 г.

 

I. Цели занятия

Учебные: изучить основные способы образования растворов; свойства наиболее распространенного на Земле растворителя – воды. Ввести понятие растворимости и факторов, на нее влияющих.

Воспитательная: воспитывать у обучаемых ответственность за подготовку к практической деятельности.

II. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Учебные вопросы
1. Понятие растворов и их классификация
2. Физико-химические и огнетушащие свойства воды
3. Растворимость и факторы, на нее влияющие
4. Коллигативные свойства растворов.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

III. Литература

Основная

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное-М.: Интеграл-Пресс, 2007.-728 с.

Е.Г. Коробейникова, А.П. Чуприян, В.Р. Малинин, Г.К. Ивахнюк,

Н.Ю. Кожевникова. Химия. Курс лекций. Учебное пособие по спец. 280104.65 –Пож. безопасность /Под. Ред. Проф. В.С. Артамонова/. СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2008. – 425 с.

3. Некрасов Б.В. Основы общей химии. – 4-е изд.,- СПб: Изд-во «Лань», 2003. – 656 с.

Нормативно-правовые документы

1. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

IV. Учебно-материальное обеспечение

1.Технические средства обучения: компьютерная техника ( РМП, П), интерактивная доска.

2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.

 

 

V. Текст лекции

Тема 10. РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

 

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (3 мин.)

Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия.

 

“Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле!”

Леонардо да Винчи

Еще алхимиками было высказано положение “Corpora non agunt, nisi fluida” (“Вещества не реагируют друг с другом иначе, как только в жидком состоянии”). Конечно, сейчас известны реакции, протекающие и в газовой фазе, и в твердом виде, но большая часть химических реакций протекают именно в растворах.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (85 мин)

Вопрос № 1. Понятие растворов и их классификация (10 мин).

 

Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов, раздробленных до размеров атомов, молекул, ионов.

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества (веществ). Растворитель находится в растворе в большем количестве, чем растворенное вещество. В концентрированных растворах подобное деление условно.

По агрегатному состоянию растворы можно классифицировать как твердыерастворы (например, сплавы), жидкие растворы (например, раствор уксусной кислоты в воде) и газообразныерастворы (например, воздух).

По характеру взаимодействия растворенного вещества и растворителя различают ионные(растворы электролитов) и молекулярные (растворы неэлектролитов).

По количеству растворенного вещества растворы могут быть насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными. В насыщенномрастворе при данной температуре данное вещество больше не растворяется, т.е насыщенный раствор – это раствор, находящийся в динамическом равновесии с твердой фазой. Так при 20⁰С в 100 г воды может раствориться только 36 г хлорида натрия NaCl. Это и будет насыщенный раствор поваренной соли.

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)

 

Вопрос № 2. Физико-химические и огнетушащие свойства воды

(25 мин.)

 

Важнейшее химическое вещество на Земле – это вода. Именно в водных растворах протекает большая часть химических реакций. Воде посвящено большое число исследований, но многие ее свойства и характеристики до сих пор не получили полного объяснения.

Общая масса воды на Земле оценивается в 2×10¹⁸ тонн. В океанах и морях сосредоточено 3/5 этого количества. Всего 2 % воды – пресные воды. Из них использовать человек может только одну сотую часть, т.к. остальная пресная вода недоступна (ледники, айсберги и т.п.).

 

Считается, что первым описал способность воды находиться в трех агрегатных состояниях греческий ученый Фалес из Милета (600 лет до н.э.).

Фазовые переходы воды:

 

конденсация кристаллизация

газ (пар) жидкость твердое вещество (лед)

испарение плавление

 

Конденсация и кристаллизация идут с выделением тепла (DН < 0), испарение и плавление – с поглощением тепла (DН > 0). С поглощением тепла протекает и еще один фазовый переход – возгонка (сублимация) – переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость.

 

Алхимики считали воду простым веществом, единым и неделимым. Однако в XVII веке Пьер-Жозеф Макёр при сгорании водорода получил воду, но побоялся казаться смешным и обошел этот факт, утверждая, что вода – простое вещество.

В июне 1783 года французские ученые Лавуазье и Лаплас синтезировали воду из водорода и кислорода, а затем осуществили и обратный процесс – разложение воды на водород и кислород. Так было доказано, что вода – сложное вещество.

Точный состав воды определил в 1785 году английский химик Генри Кавендиш. В формуле Н₂О - 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Были установлены и основные характеристики воды: температура кипения 100⁰С, температура замерзания 0⁰С.

 

Аномальные свойства воды

 

1. Изменение плотности с температурой.

Вода – одно из немногих веществ, у которых твердая фаза (для воды – лед) имеет плотность меньше, чем жидкость. Так, при 0⁰С плотность льда составляет 0,92 г/мл, при увеличении температуры плотность растет, и максимальную плотность имеет вода при 4⁰С – 1 г/мл. При дальнейшем увеличении температуры плотность вновь уменьшается.

Лед легче воды, что защищает глубоководные водоемы от полного замерзания.

Свойство увеличивать свой объем при затвердевании характерно для небольшого числа веществ: чугуна, кремния, германия, сурьмы, галлия и висмута.

2. Высокая теплота плавления льда.

Теплота плавления льда 393,7 кДж/кг. Немногие вещества имеют теплоту плавления больше 200 кДж/кг. Это, например: лед, медь, железо, алюминий и хлорид натрия.

На таяние воды необходимы большие тепловые затраты. Это свойство можно рассматривать как положительное огнетушащее свойство воды. Оно же оберегает планету от наводнений: таяние льда происходит постепенно.

В быту мы используем это свойство, бросая кусочки льда в стакан с водой. На таяние льда затрачивается теплота, и жидкость охлаждается.

3. Высокая теплота испарения воды.

Вода обладает самым высоким значением теплоты испарения -

2254 кДж/кг. И опять лишь несколько веществ имеют значение теплоты испарения больше 400 кДж/моль. Это – пиридин, анилин, серная кислота, ацетон, этанол, метанол и сама вода.

На испарение воды тепла затрачивается в несколько раз больше, чем на плавление льда. Это свойство определяет сохранение воды на Земле за счет медленного испарения.

Безусловно, высокая теплота испарения – положительное огнетушащее свойство.

4. Высокая удельная теплоемкость.

Удельная теплоемкость – величина, показывающая какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг воды на 1⁰. Для воды эта величина составляет С_р = 4,18 кДж/кг×К.

Это свойство обусловливает отсутствие резкого перепада зимних и летних температур, а также дневных и ночных. При нагревании воды из зоны горения “забирается” большое количество тепла, что тоже является положительным огнетушащим свойством воды.

Интересно, что минимальное значение теплоемкости воды при ~ 37⁰С (температуре внутри тела человека).

5. Высокое поверхностное натяжение.

Вода имеет второе по величине поверхностное натяжение (самое высокое – у ртути s(Нg) = 0,48 Дж/м²):

s(Н₂О) = 7×10² Дж/м².

Это – одно из немногих отрицательных свойств воды как огнетушащего вещества. Из-за него вода плохо проникает в пористые материалы, что существенно снижает эффективность тушения. Устраняют этот недостаток добавлением к воде поверхностно-активных веществ (см. темы 12,19).

6. Высокая температура кипения.

Вещества – аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду, - H₂S, H₂Se, H₂Te при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Их температуры кипения составляют соответственно -61⁰С для H₂S; -42⁰С для H₂Se; -4⁰С для H₂Тe.

Казалось бы, вода также должна быть при обычных условиях газообразной и иметь температуру кипения -70⁰С. Однако за счет относительно прочных водородных связей температура кипения воды намного превышает ожидаемую и составляет +100⁰С!

Наличием водородных связей объясняется и высокая теплоемкость воды. С увеличением температуры водородные связи не разрываются, а изгибаются.

 

Вода – чрезвычайно активное вещество. Она является хорошим растворителем для огромного числа веществ. Так в морской воде найдены 80 элементов Периодической системы.

Из-за того, что некоторые реакции с участием воды протекают с выделением большого количества тепла, для тушения ряда веществ нельзя использовать воду как огнетушащее вещество.

1. Щелочные и щелочноземельные металлы.

2Na + 2H₂O ® 2NaOH + H₂ + Q

2. Оксид кальция (негашеная известь).

СаО + Н₂О ® Са(ОН)₂ + Q

В этой реакции горючих веществ нет, но выделяющееся тепло может вызвать воспламенение находящихся рядом горючих материалов.

3. Карбиды металлов, например, карбид кальция.

СаС₂ + Н₂О ® С₂Н₂ + Са(ОН)₂ + Q

В этой реакции выделяется чрезвычайно горючий газ ацетилен.

4. Разложение воды при высокой температуре (> 2000⁰С).

2Н₂О 2Н₂ + О₂ – Q

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)