2. Законы химической реакции

В IX-X классах следует познакомить учащихся с законом простых объемных отношений реагирующих и образующихся газов. К выводу этого закона можно прийти как от объема грамм-молекулы газа, так и от закона Авогадро.

После изучения хлора и хлористого водорода реакцию хлора с водородом рассматривают с количественной стороны. Записывают уравнение реакции:

Отмечают, что рее вещества, участвующие в реакции, при обычных условиях - газы, и выясняют, в каких объемных отношениях они реагируют. Зная, что грамм-молекулы различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковые объемы, находят, что при нормальных условиях каждые 22,4 л водорода будут реагировать с 22,4 л хлора и при этом образуется 44,8 л хлористого водорода. Под уравнением химической реакции подписывают отношения объемов:

При сокращении этих чисел на 22,4 л получается более простое соотношение 1:1:2. Оно указывает, что 1 л водорода реагирует с 1 л хлора, причем образуется 2 л хлористого водорода.

Записывают вывод: коэффициенты перед формулами газообразных веществ в химических уравнениях указывают на объемные отношения вступающих и образующихся в результате реакции газов.

Учащиеся определяют, в каком объемном отношении взаимодействуют водород и кислород. По уравнению:

находят, что эти газы реагируют в отношении 2: 1, т. е. 2 объема водорода могут полностью соединиться с 1 объемом кислорода.

Для закрепления знаний решают задачи разнообразных типов.

1. Определение объемного количества газа, которое может вступить в реакцию с данным количеством другого газа.
   Пример. Сколько литров водорода может вступить в реакцию с 20 л хлора?
   
2. Определение объемного количества газа, которое нужно для получения другого газа.
   Пример. Сколько литров хлора нужно для получения 12 л хлористого водорода?
   
3. Определение объемного количества газа, которое получится при реакции из данного количества газооб-разного вещества.
   Пример (несколько усложненный). Смешали 5 л водорода и 4,7 л хлора. Сколько литров хлористого водорода можно получить при реакции из этой смеси? Какой газ окажется в смеси с ним?
   
4. Определение конечного состава газовой смеси по ес исходному составу.
   Пример. Смешали 2 л водорода и 2,2 л хлора. Сколько литров газов и каких оказалось в смеси после реакции?

В теме IX класса "Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение вещества" следует объяснить в свете теории строения атомов сущность закона сохранения массы веществ. Для этого, когда отмечены сходства и различия химических и физических явлений, ставят вопрос, с какими законами химической реакции учащиеся уже познакомились. Они назовут, конечно, среди других закон сохранения массы веществ, приведут его формулировку.

После этого дают объяснение этому закону в свете теории строения атомов: при химической реакции не происходит изменения ядер атомов, а все электроны, имевшиеся в исходных веществах, после реакции оказываются в полученных веществах.

По мере изучения химии в средней школе необходимо расширить знания о превращениях энергии при химических реакциях и дать учащимся понятие о том, что химическая реакция подчиняется общему закону сохранения материи.

Первое понятие о тепловом эффекте реакции вводят при демонстрации опытов взаимодействия натрия и калия с водой в теме "Щелочные металлы". Здесь указывают, что, поскольку химические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, решили отмечать эти количества в уравнениях реакции, указывая при этом, сколько теплоты выделяется или поглощается^*. Например, уравнение реакции окиси калия с водой можно записать так:

^* (Учитель использует те знания о теплоте, которые получены в восьмилетней школе.)

Это означает, что при взаимодействии 94,2 г окиси калия с водой выделяется 43,4 ккал теплоты, если же образуется только 1 моль гидроокиси калия, а не два, го 21,7 ккал.

Учащимся нужно сообщить, что в случае реакции с выделением теплоты (т. е. экзотермической) тепловой эффект указывают в правой части уравнения со знаком плюс, а в случае реакции с поглощением теплоты (т. е. эндотермической) - со знаком минус. Если нужно только отметить, что при реакции выделяется или поглощается теплота, но нет необходимости указывать ее количество, то числовое выражение теплового эффекта заменяется буквой Q.

В теме "Углерод и кремний" знания, полученные учащимися об энергетической стороне химической реакции, связывают с рассмотрением вопроса: "Откуда возникает тепловая энергия, которая получается при горении топлива?"

В беседе с учащимися приходят к выводу, что, кроме известных из курса физики видов энергии (механической, электрической и др.), в веществах имеется еще энергия, которую можно рассматривать как потенциальную (химическую) энергию молекул^*. Превращение этой энергии в другие виды или наоборот происходит при химических реакциях. Если химическая энергия превращается в кинетическую (ускоряется движение молекул, возникают электромагнитные колебания, электрический ток), то говорят о выделении энергии; если же эта энергия дополняется кинетической, то можно сказать о поглощении энергии.

^* (Эта энергия зависит не от скорости движения молекул, а от состава молекул и характера связей между химическими элементами.)

Изменения, происходящие с веществами при химических реакциях, не нарушают закона сохранения энергии. Количество химической энергии, заключающейся, на-пример, в 12 г угля и 32 г кислорода, которые вступают в реакцию, равно сумме количества химической энергии, имеющейся в 44 г углекислого газа - продукте горения, и количества энергии, выделившейся при реакции в виде теплоты и света.

Особенно часто при химических реакциях выделяется теплота, а поэтому общее количество выделенной или поглощенной энергии выражают в тепловых единицах. При реакции горения угля на I моль угля (1 г-атом углерода) выделяется 94 к кал теплоты.

Уравнение реакции с указанием количества выделенной или поглощенной теплоты отражает закон сохранения энергии (в применении к данной химической реакции).

Для дальнейшего закрепления знаний используют следующие и подобные им вопросы и задачи:

1. Какие законы отражает следующее уравнение:

2. Из какого вида энергии получалась теплота, выделенная при реакции:

3. Какое количество теплоты выделяется при горении окиси углерода, если в реакцию вступит 1 моль окиси углерода?

4. Сколько молей окиси углерода образуется при ре-акции:

если будет поглощено 820 ккал теплоты?

5. Какую теплотворную способность имело бы топливо, если бы оно состояло только из угля? При расчете используйте уравнение реакции":