Полная версия
Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач
Химия: удивительная и понятная
100 открытых задач
Ирина Андржеевская
Анатолий Гин
В оформлении обложки использованы изображения с сайта freepik.com
Научный редактор Денис Жилин
Редактор, корректор Юлия Чернова
Фото на обложке Денис Жилин
Дизайнер обложки Вера Филатова
Фото Денис Жилин
Фото Алексей Яковлев
© Ирина Андржеевская, 2025
© Анатолий Гин, 2025
© Вера Филатова, дизайн обложки, 2025
ISBN 978-5-0068-6023-0
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Рецензия
на сборник задач по химии «Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач»
Авторы: Ирина Андржеевская, Анатолий Гин
Научный редактор: Денис Жилин
Сборник «Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач» представляет собой ценный образовательный ресурс, который способствует развитию у учащихся научного мышления, исследовательских навыков и понимания химии как важнейшей науки о природе. Его уникальность заключается в оригинальном формате подачи материала, где каждая задача сопровождается не только контрольным ответом, но и дополнительными рубриками, побуждающими к размышлению, поиску информации и глубокому осмыслению химических процессов.
Особенно интересным является использование исторических фактов, научных открытий и реальных примеров из жизни, что делает изучение химии не сухим академическим процессом, а увлекательным путешествием в мир веществ и реакций. Упоминание известных учёных, революционных экспериментов и неожиданных химических явлений создаёт у учащихся ощущение сопричастности к миру науки. Такой подход развивает у школьников не только знания, но и уважение к труду исследователей, понимание значимости химии в истории человечества.
Одним из важных преимуществ сборника является его междисциплинарный характер. Включение элементов физики, биологии, географии, экологии и даже литературы расширяет кругозор учащихся, позволяя им видеть химические процессы в контексте окружающего мира. Задачи, связанные с экологией, воздухом, водой, горением и природными явлениями, помогают формировать экологическое сознание, что особенно актуально в современных условиях.
Отдельно стоит отметить направленность задач на развитие исследовательских компетенций. Многие задачи требуют не просто воспроизведения теоретических знаний, а анализа, построения гипотез и логических рассуждений. Некоторые вопросы носят открытый характер, что делает их отличным инструментом для дискуссий и проектных работ. Это особенно важно для современной образовательной среды, ориентированной на самостоятельное мышление и поиск нестандартных решений.
В целом, сборник «Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач» является прекрасным пособием для учителей и учащихся, которые стремятся глубже понять химию и её взаимосвязь с окружающим миром. Он может использоваться как в рамках учебного процесса, так и для самостоятельного изучения, олимпиадной подготовки и развития познавательного интереса к науке.
Рецензент: учитель химии, Магистр естественных наук Касымбаева Дана Сериккалиевна, Назарбаев Интеллектуальная школа, г. Астана.
Предисловие от авторов
Эта книга для тех, кто задаётся вопросами.
Если химия кажется вам скучной наукой, то – «вы просто не умеете её готовить!»
Вот пещера, в которой туристы свободно ходят, а собаки умирают… Мистика? Нет – химия… Воздух, которым вы дышите; вода, которую вы пьёте; земля, по которой вы ходите – всё это предметы изучения химии. Да и сами вы – постоянно действующий химический реактор. Понимать химию, её тесную связь с физикой, биологией и другими сферами знаний интересно и полезно. Эта книга сделает понимание химии частью вашего понимания мира. Вы узнаете, был ли фосфор на собаке Баскервилей и одинаковы ли ваши ноздри, проведёте и объясните интересные эксперименты. А ещё вы сможете удивить своих друзей редкими и забавными фактами. Ну правда – спросите их, например, почему Дон Жуан в Антарктиде не замерзает без печки и шубы?
Предисловие от редактора
Дорогие читатели,
моя работа как научного редактора заключалась в том, чтобы проверить, всё ли изложенное в книге соответствует действительности и уровню современных научных знаний. Что не так просто, как кажется. Когда мы говорим о каких-то интересных фактах, то описания этих фактов обычно кочуют из книги в книгу или с одного интернет-сайта на другой. При этом авторы книг и интернет-сайтов обычно принимают написанное за правду, не удосужившись проверить, так ли это. Кроме того, при переписывании авторы часто искажают информацию. До сих пор помню, как моя школьная учительница физики (вполне квалифицированный профессионал) рассказывала про опыт Резерфорда, описанный, прошу заметить, в школьных учебниках. В этом опыте Резерфорд якобы направлял поток альфа-частиц на золотую фольгу, они рассеивались и попадали на приёмный экран. И учительница рассказывала, что у Резерфорда, якобы, было очень много помощников, которые ходили вокруг экрана и считали число вспышек света, вызванных попаданием в экран альфа-частиц. И по тому, как отклонялись альфа-частицы, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Всё это выглядело вполне правдоподобным, пока я не прочитал первоисточники, то есть статьи самих авторов этого эксперимента. Оказалось, что Резерфорд не проводил этот опыт вообще, а провели его два человека – Ханц Гейгер и Эрнст Марсден – безо всяких помощников. Причём провели после того, как Резерфорд по результатам их предыдущих экспериментов предложил планетарную модель и даже оценил размер атомного ядра. И задачей этого эксперимента было проверить модель, предложенную Резерфордом.
Увы, первоисточники информации о многих занимательных фактах теряются бесследно. Поэтому при редактировании я исключил явно неправдоподобные факты (то есть факты, которые противоречат известным свойствам веществ или последовательности исторических событий), но докопаться до источников всех правдоподобных фактов мне не удалось. Поэтому, читая эту книгу и находя в ней всякие занимательности, помните, что этих событий в действительности могло и не происходить. При этом все химические объяснения и химическую теорию я постарался полностью выверить, то есть, ей можно доверять в гораздо большей степени.
Отдельного обсуждения заслуживают названия веществ, вынесенных на плашки. Существуют правила химической номенклатуры, то есть правила составления названий химических веществ. Однако с начала XX века они несколько раз менялись, а последняя номенклатура неорганических соединений (2005 года) оказалась громоздкой, а потому – мертворождённой. Кроме того, она до сих пор не утверждена в России на национальном уровне, что есть необходимое условие её применения. Поэтому нам пришлось давать разные названия – как по современной, так и по устаревшим (но реально используемым) номенклатурным правилам.
Предисловие для учителей
Удивить, вовлечь, заинтересовать – вот что важно сделать, чтобы урок химии прошёл интересно и плодотворно. Прекрасный помощник в этом – открытые задачи.
С открытой задачи можно начинать изучение новой темы.
При этом не обязательно её сразу решать. Удивительный факт заинтересует, «разбудит мышление», а новый материал станет тем ключиком, который поможет ответить на поставленные вопросы, найти решение. Этот приём называется «отсроченная отгадка»1.
Открытой задачей можно закончить урок.
Предложите поработать с ней дома, поискать дополнительную информацию, порешать с помощью взрослых и начните с неё следующий урок. Такое креативное домашнее задание ребята не просто сделают с удовольствием, но и будут обсуждать между собой и в семье.
Можно использовать открытые задачи для повторения, закрепления пройденного материала.
При этом происходит актуализация знаний, наглядно демонстрируется практическая ценность усвоенных понятий, развивается системное мышление.
Саму постановку задачи и её решение можно проводить разными способами, которые имеют свои особенности2:
1) При формулировке условия давайте его не полностью, предлагайте детям задавать дополнительные вопросы для уточнения условия (приём «Пресс-конференция»).
2) Решать задачи можно по-разному. Один из способов – это поиск решения во время игры «Да-нетка», когда дети задают вопросы, на которые можно отвечать только «да», «нет» или «не знаю».
3) Хорошо решаются открытые задачи с использованием метода «мозгового штурма» в паре, в небольшой группе и всем классом.
4) Особенно увлекательно работать над задачами в группе, когда идея одного даёт толчок к размышлению для других. Часто подобные задачи используют в играх «Что? Где? Когда?», в «Креатив-боях».
Возможно, какие-то задачи учащиеся решат легко, а при решении других возникнут трудности. Но это хорошо! Не спешите выдавать ответ! Чем упорнее будет «сопротивляться» задача, тем ценнее победа, тем больше удовольствие от решения.
Многие ответы сопровождаются дополнительной увлекательной информацией «Кстати…» или дополнительной подзадачей «Подумайте…». Это позволяет не просто рассказать детям что-то интересное по теме задачи, но и сформулировать новые вопросы и продолжить цепочку решений. «Хотите знать больше?» расширяет знания по данному вопросу. Задачи сопровождаются видео и ссылками на факты и другие материалы.
Межпредметные связи позволяют не только интегрировать несколько предметных областей при изучении химии, но и показать реальную связь между разными науками и жизнью людей. Например, в задаче №1 «Собачья пещера» кроме свойств химического вещества учащиеся встречаются с физическими явлениями и геологическими образованиями и процессами, действие задачи происходит в определённом географическом месте с конкретными биологическими объектами. Для каждой задачи расписаны межпредметные связи и учебный раздел химии в приложении 2 «Использование задач на уроках химии».
Для вашего удобства в приложении 4 «Вещества и элементы, встречающиеся в книге» вы найдёте список всех веществ и элементов в алфавитном порядке с указанием номеров задач, в которых они встречаются.
Хотим обратить ваше внимание, что задачи-практикумы предполагают соблюдение техники химической безопасности. Мы не включали в сборник опасные опыты. И всё же взаимодействие с химическими веществами подразумевает следование некоему своду правил, который можно кратко сформулировать так: «Подумай перед тем, как сделать». Мы предполагаем, что все наши читатели, которые будут что-то делать, будут делать это разумно. Кстати, вам могут пригодиться факты из книги 1926 года издания: Егли К., Раст Е. «Несчастные случаи при химических работах» – более полутора тысяч случаев невнимательности и несоблюдения правил техники безопасности, которые убеждают гораздо сильнее, чем просто описание правил.
В книге для каждой задачи указан уровень сложности:
* – задача несложная, рекомендуется для разминки;
** – задача посложнее, рекомендуется для самостоятельной работы, для повторения пройденного материала;
*** – ещё более сложная задача, рекомендуется для групповой работы;
**** – очень сложная задача, рекомендуется для креатив-боёв или олимпиад.
1. Первоначальные химические понятия
Задача 1. Собачья пещера**
В Италии недалеко от Неаполя есть вулканический район Флегрейские поля. Здесь можно наблюдать многочисленные грязевые вулканы, которые бурлят от горячих газов и пара. Этот район часто посещают туристы.
Наибольшей популярностью у местных гидов пользовалась расположенная здесь небольшая пещера под названием «Grottadel Cane», или «Собачья пещера». Если туристы брали с собой в пещеру собаку, то через несколько минут она теряла сознание. Животное могло и погибнуть, если его сразу же не выносили из пещеры. В то же время с людьми в пещере ничего не происходило. Они чувствовали себя прекрасно и ни на что не жаловались.
Почему пещера так влияла на собак?
Контрольный ответ
В вулканическом районе на дне пещеры скапливался более тяжёлый углекислый газ. Плотность этого газа больше плотности воздуха, и поэтому его концентрация у земли в глубокой пещере составляла почти 10%. Высота слоя газа была всего 30—40 сантиметров, и для людей его повышенная концентрация не представляла угрозы. А вот для животных, которые дышали воздухом ближе к поверхности земли, он был смертельно опасен.
Кстати…
Собачью пещеру изучали учёные и рисовали известные художники. Её посещали Иоганн Гёте, Александр Дюма, Марк Твен, Иван Сеченов.
СО2 – диоксид углерода (по правилам), углекислота
(в быту), оксид углерода (IV), двуокись углерода, угольный ангидрид (устар.), углекислый газ (в газообразном
состоянии), сухой лёд (в твёрдом состоянии).
Собачья пещера рядом с Поццуоли, Италия.
Гид показывает туристам задохнувшуюся собаку
Задача 2. Наши, заводские…**
Одна из Венгерских фабрик производила цианистоводородную, или синильную кислоту. Попасть сюда посторонним было невозможно, как на любое закрытое химическое предприятие. Ведь синильная кислота ядовита. Во время Первой мировой войны её использовали в качестве боевого отравляющего вещества. Однажды журналист под видом сотрудника санитарной службы проник в цех. И первое, что его удивило, были… два попугая, которые летали по цеху. Видимо, рабочие к ним привыкли, потому что никто не обращал на них внимания. На вопрос журналиста, чьи это попугаи, рабочие загадочно ответили: «Наши, заводские». Но зачем они нужны на заводе, никто не стал объяснять.
Догадайтесь, зачем рабочим в заводском цехе попугаи?
Контрольный ответ
Синильная кислота – очень летучая жидкость. При малейшей утечке это вещество испарится и попадёт в воздух цеха. И хотя её запах горького миндаля ни с чем не спутать, его ощущают не все люди. А попугаи этот запах чувствуют сразу даже в малых концентрациях. Они начинают беспокоиться и громко кричать, тем самым предупреждая рабочих об опасности.
Кстати…
В косточках горького миндаля, абрикоса и некоторых других фруктов присутствует алкалоид амигдалин. При некоторых условиях он образует цианистый водород. Но амигдалина в косточках не так уж и много – чтобы почувствовать симптомы отравления, нужно съесть несколько десятков граммов сырых косточек. Небольшие количества циановодорода вырабатывает даже наш организм.
Хотите знать больше?
Чтобы подробнее узнать о самом знаменитом яде в истории, почитайте статью врача-токсиколога Алексея Водовозова «С запахом горького миндаля», изначально опубликованную в журнале «Популярная механика». Поиском по названию её можно найти в интернете на портале «Элементы».
Улыбнитесь
– Мы вам вместо аскорбиновой кислоты продали синильную. Доплатите в кассу 12 рублей!
Подумайте…***
Во время Первой мировой войны окопы заполонили крысы. Их было великое множество, с ними было трудно бороться. И что же делали солдаты? Представьте себе, они ловили некоторых крыс, помещали их в клетки и даже… прикармливали!
Зачем бойцам на войне крысы?
Контрольный ответ
Чувствительные крысы мгновенно реагировали на отравляющие вещества и своим поведением предупреждали бойцов о газовой атаке. Солдаты успевали натянуть противогаз до того, как чувствовали признаки отравления.
Кстати…
В 1921 году Пьер Шен написал роман «Записки одной крысы» от имени крысы Фердинанда. Фердинанд дал знать о внезапной атаке немцев и стал героем.
Подумайте…**
Учитель естествознания Александр Леонидович Ященко в книге «Хруп. Воспоминания крысы-натуралиста» от имени любознательной крысы-философа и путешественника рассказывает о тех краях, где она побывала, о повадках птиц и зверей. Этой книгой зачитывалось несколько поколений школьников. Они смогли посмотреть на окружающий мир глазами животного.
Подумайте, как бы вы воспринимали мир на месте вороны или, например, кота?
HCN – циановодород (по правилам), синильная кислота (в быту), цианистоводородная кислота, гидроцианид, цианистый водород (иногда).
Задача 3. Как взять пробу?**
Ребята решили выяснить, чистым ли воздухом дышат жители их района. Они позвонили в санитарную станцию, и им разрешили привезти пробу воздуха на исследование. Учительница химии дала ученикам чистую банку с плотной крышкой. Они вышли на улицу, открыли крышку и… задумались. Ведь банка была не пустой, в ней уже был воздух их класса!
Как выгнать из банки весь воздух класса и загнать в неё уличный воздух?
Контрольный ответ
Ребята вернулись в класс, налили в банку воду, а потом вылили эту воду на улице. Уличный воздух заполнил банку, заняв место воды.
Практикум
Вы можете тоже взять пробу воздуха в вашем населённом пункте и сдать её на анализ в лабораторию.
Задача 4. Вчерашний бифштекс***
В 1891 году тогда ещё молодой, а в будущем знаменитый американский физик Роберт Вуд окончил Гарвардский университет и переехал из Кембриджа в Балтимор, в университет Джона Хопкинса. Здесь физик жил и питался в университетском общежитии – пансионе. Жильцы-студенты подозревали, что хозяйка пансиона собирает с тарелок недоеденное мясо и добавляет его в еду на следующий день. Но как доказать это?
Физик-экспериментатор Роберт Вуд использовал для этого хлорид лития. Эта соль лития похожа на обычную поваренную соль – хлорид натрия. Однако если смесь, содержащую немного солей лития, внести в пламя и направить на пламя спектроскоп, то в спектре будет видна характерная красная линия (длина волны 671 нм). Соединения натрия тоже дают в спектре линию, но жёлтую (длина волны 589 нм).
Как с помощью хлористого лития Вуд вывел хозяйку пансиона на чистую воду?
Контрольный ответ
Когда студентам на обед подали бифштекс, Роберт оставил на тарелке несколько кусочков мяса, посыпав их щепоткой хлорида лития. На следующее утро часть мясного завтрака он спрятал в пакет, отнёс в лабораторию и сжёг перед спектроскопом – появилась характерная яркая красная спектральная линия лития.
Кстати…
Соединения лития окрашивают пламя в красный цвет, который видно и без спектроскопа. Но в пище всегда есть поваренная соль – хлорид натрия. Соединения натрия окрашивают пламя в жёлтый цвет, и их жёлтое свечение полностью перебивает красное свечение лития. Поэтому, чтобы увидеть присутствие лития на фоне натрия, нужен спектроскоп, который разделяет красный и жёлтый цвета в пространстве. Роберт Вуд был специалистом по спектроскопии и имел возможность воспользоваться спектроскопом.
Окраска пламени соединениями лития и натрия.
Автор фото: Денис Жилин
В больших количествах соединения лития токсичны. Но спектроскопический метод при грамотной работе очень чувствителен. Роберт Вуд обладал достаточной квалификацией, чтобы взять столько соли лития, чтобы увидеть в спектре сжигаемой пищи красную линию, но никого не отравить.
Внимание: повторять такой опыт ни в коем случае нельзя!
Хотите знать больше?
Слава этой истории следовала за Вудом всю жизнь и обросла несколькими вариантами повествования. Если вас заинтересовала биография этого учёного, рекомендуем к прочтению книгу В. Сибрука «Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории». Поиском по названию её можно найти в интернете, например, на сайте журнала «Химия и химики» (Chemistry and Chemists).
LiCl – хлорид лития (по правилам), хлористый литий (устар.).
NaCl – хлорид натрия (по правилам), поваренная соль, столовая соль, пищевая соль (в быту), хлористый натрий (устар.), каменная соль, галит (минерал).
Задача 5. Властелин воздуха****
Воздух состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% аргона, небольших количеств углекислого газа, других газов и паров воды. Исследователи научились разделять воздух на разные составляющие его газы. Для этого воздух охлаждают до жидкого состояния, а затем постепенно нагревают. И все газы испаряются по очереди, ведь у каждого газа разная температура кипения. Но это можно сделать только на специальных установках на крупных предприятиях.
Предложите способ, как в домашних условиях можно:
а) удалить из сосуда с воздухом хотя бы один из газов;
б) выделить из воздуха хотя бы один из газов.
Контрольный ответ
а1) Проще всего удалить из воздуха углекислый газ. Для этого воздух нужно пропустить через вещества, которые с ним реагируют с образованием растворов или твёрдых продуктов. Это может быть:
• водный раствор кальцинированной соды (карбоната натрия) – образует растворимую пищевую соду (гидрокарбонат натрия);
• водный раствор щёлочи или твёрдая щёлочь гидроксид натрия – образует растворимый карбонат натрия;
• твёрдая гашёная известь (гидроксид кальция) или её взвесь в воде – образует твёрдый карбонат кальция;
• твёрдая жжёная известь (оксид кальция) – образует твёрдый карбонат кальция.
В промышленности углекислый газ поглощают органическими аминами, образующими соответствующие карбонаты. Они ценны тем, что при нагревании углекислый газ можно выделить обратно в чистом виде. Некоторые амины, например триэтаноламин, продаются на маркетплейсах, что позволяет удалить углекислый газ из воздуха в домашних условиях.
а2) Можно удалить из воздуха кислород. Для этого в закрытом сосуде нужно жечь свечу до тех пор, пока она не погаснет. Образующийся углекислый газ дальше можно поглотить любым способом, описанным в предыдущем пункте.
a3) Чтобы воздух стал сухим, то есть в его составе не было водяного пара, можно в закрытую ёмкость поместить гигроскопические вещества, которые поглощают воду. Из домашних средств это может быть сахар, кальцинированная (то есть прокалённая) сода, безводная глауберова соль.
б1) Чтобы выделить из воздуха пары воды, достаточно воздух охладить. Тогда пары воды сконденсируются, образующаяся жидкость осядет на стенках сосуда. Именно это можно наблюдать при образовании тумана или росы.
б2) Углекислый газ можно выделить из воздуха при помощи органических аминов (например, доступного в продаже триэтаноламина). Нужно долго пропускать воздух через смесь амина с водой, а потом нагреть то, что получится, и собрать выделяющийся газ, например, в большой шприц. Можно вместо триэтаноламина использовать раствор кальцинированной соды, но при его нагревании вместе с углекислым газом будут лететь пары воды.
б3) Сейчас на маркетплейсах продаются концентраторы кислорода. В них воздух продавливается через мембраны – тонкие плёнки с отверстиями. При этом размер отверстий таков, что молекулы кислорода через них проходят, а более крупные молекулы азота – нет.
Улыбнитесь
«В химическую лабораторию допускаются только те, кто знают, что горячая колба выглядит точно так же, как и холодная».
Подумайте…**
Когда в быту может пригодиться знание того, что состав воздуха изменяется?
Контрольный ответ
1) В домах, которые отапливаются печью, много кислорода сгорает при горении дров, при этом его количество в воздухе помещения уменьшается, иногда очень значительно.
2) Если в закрытом помещении находится много людей, то происходят те же процессы – кислород воздуха используется при дыхании, его становится меньше, а количество углекислого газа увеличивается. Поэтому важно проветривать жилые помещения и классы.
Подумайте…***
В тропиках воздух имеет стопроцентную влажность. Дышать таким воздухом довольно тяжело. Поэтому в домах используют специальные устройства – осушители, которые извлекают из воздуха пары воды. Воздух пропускают через такое устройство, при этом, разумеется, в помещении должны быть закрыты окна и двери.
Предложите принцип работы такого устройства, чтобы осушать воздух по возможности без специальных расходных материалов.
