CH01 - SPALANIE - TWORZYMY TLENKI

podstawa programowa: chemia klasa VII - tlen, wodór i ich związki chemiczne

 

Do doświadczenia potrzebujesz:

Co?	Skąd?	Ile kosztuje?
wełna stalowa (cienka - np. typ 0000)	market budowlany/internet	18 zł
ręczniki papierowe	masz w domu	-
zapalniczka	masz w domu	-
waga kuchenna	masz w domu	-
talerz ceramiczny	masz w domu	-
dzbanek z wodą	masz w domu	-

Cena całego zestawu: 18 zł

UWAGA! Zasady bezpieczeństwa:

1. Doświadczenie wykonuj pod nadzorem dorosłego opiekuna.
2. Chroń oczy – załóż okulary ochronne. Wystarczą też własne okulary korekcyjne, jeśli je nosisz.
3. Spalaj materiały na talerzu postawionym na niepalnej powierzchni / podłodze.
4. Spalaj materiały najlepiej na świeżym powietrzu – na podwórku lub na balkonie, ewentualnie w bezpiecznym miejscu w domu (np. na środku kuchni) przy otwartych oknach – z dala od rzeczy, które mogłyby się zapalić.
5. Nie spalaj materiałów, jeśli wieje wiatr lub jest przeciąg. Palący się materiał może być w takim przypadku porwany przez podmuch, co może spowodować pożar. Poza tym, jeśli stracisz część materiału z talerza, nie uzyskasz poprawnych danych doświadczalnych.
6. Miej pod ręką dzbanek z wodą, aby w razie czego zgasić ogień.
7. Po spaleniu materiału talerz jest gorący – przed ważeniem talerza poczekaj aż palenie się skończy a talerz ostygnie.

Przebieg eksperymentu:

Część I – spalanie wełny stalowej:

1. Weź około 20 gramów wełny stalowej.
2. Rozczapierz rękoma włókna wełny tak, aby nie były zbite – utwórz z wełny luźną strukturę i połóż ją na talerzu.
3. Zważ na wadze kuchennej talerz wraz z wełną – zapisz wynik.
4. Zdejmij z wagi talerz i umieść go na niepalnej powierzchni z dala o innych przedmiotów.
5. Podpal zapalniczką wełnę. Poczekaj, aż palenie ustanie a talerz ostygnie.
6. Zważ ponownie talerz wraz ze spaloną wełną. Zapisz wynik i porównaj go z wagą przed spaleniem wełny.

Część II – spalanie papieru:

1. Oczyść talerz.
2. Weź około 10-15 gramów ręcznika papierowego – to powinno być około 4 listków.
3. Uformuj z ręcznika papierowego dużą i bardzo luźną kulkę (chodzi tylko o to, żeby nie wystawała za talerz) i połóż ją na talerzu.
4. Zważ na wadze kuchennej talerz wraz z ręcznikiem papierowym – zapisz wynik.
5. Zdejmij z wagi talerz i umieść go na niepalnej powierzchni z dala o innych przedmiotów.
6. Podpal zapalniczką papier. Poczekaj, aż palenie ustanie a talerz ostygnie.
7. Zważ ponownie talerz wraz ze spalonym papierem. Zapisz wynik i porównaj go z wagą przed spaleniem papieru.

 UWAGA: film z pokazanym eksperymentem przeznaczony jest najpierw dla rodzica.

Młody naukowcu - nie psuj sobie zabawy! nie oglądaj filmu ani nie czytaj poniżej zamieszczonego wyjaśnienia przed wykonaniem eksperymentu pod okiem rodzica.

 

 TEORIA

Na początku powtórka:

Aby zrozumieć wyniki doświadczenia, powinieneś już trochę wiedzieć, co to są atomy, pierwiastki, cząsteczki chemiczne, związki chemiczne oraz reakcje chemiczne. Możesz powtórzyć sobie te wiadomości, czytając o nich np. tu: https://zpe.gov.pl/a/substancje-i-ich-wlasciwosci---podsumowanie/D1Fn8eONk

lub tu: https://zpe.gov.pl/a/reakcje-chemiczne---podsumowanie/DGhCPAiVD

albo obejrzeć np. tu: https://pistacja.tv/film/chm00016-roznica-miedzy-atomem-a-czasteczka?playlist=1013

Przypomnij sobie również, co to jest powietrze i z jakich gazów się składa. Możesz o tym przeczytać np. tu: https://zpe.gov.pl/a/powietrze-i-inne-gazy---podsumowanie/DxYEOgEIM

lub obejrzeć np. tu: https://pistacja.tv/film/chm00035-powietrze?playlist=1117

 

Co wyszło w doświadczeniu?

Talerz ze spaloną wełną stalową ważył o kilka gramów więcej, niż talerz z wełną przed jej spaleniem.

Dla papieru było odwrotnie – talerz z papierem po spaleniu ważył o kilka gramów mniej, niż talerz z niespalonym papierem.

Dlaczego spalona wełna stalowa ważyła więcej?

Spalanie materiałów w otaczającym nas powietrzu polega na łączeniu się atomów, które tworzą dany materiał, z tlenem (symbol chemiczny O) zawartym w powietrzu.

Wełna stalowa składa się w większości z żelaza (symbol chemiczny Fe). W wyniku spalania wełny stalowej powstaje tlenek żelaza. Tlenków żelaza – o różnej proporcji żelaza do tlenu w cząsteczce – jest kilka, ale w naszym doświadczeniu powstaje głównie czarny (popatrz na kolor spalonej wełny) tlenek żelaza Fe₃O₄. Jak wskazuje wzór chemiczny tego tlenku, na każde trzy atomy żelaza przypadają aż cztery dołączone do nich atomy tlenu. To oczywiste, że żelazo plus tlen będą razem ważyć więcej, niż (to samo) żelazo bez tlenu. Przyrost masy to właśnie masa dołączonego tlenu. Równanie reakcji chemicznej spalania żelaza:

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

 

To dlaczego spalony papier ważył mniej?

Papier składa się głównie ze związku chemicznego zwanego celulozą. Cząsteczka celulozy może być bardzo duża – tworzy długie łańcuchy. Ponieważ ten łańcuch może być dłuższy lub krótszy, nie można podać jej wzoru chemicznego, ale za to można podać wzór chemiczny tak zwanego jej monomeru – takiego pojedynczego „oczka” w łańcuchu. To wystarczy, żeby zrozumieć, z czego jest zbudowana celuloza. Wzór jej monomeru to C₆H₁₂O₆. Jak widzisz, trochę tlenu (6 atomów) już tu jest. Oprócz tlenu jest 6 atomów węgla (symbol chemiczny C) i aż 12 atomów wodoru (symbol chemiczny H). Podczas spalania dołączają się kolejne atomy tlenu i powstają dwa tlenki: tlenek węgla (IV) oraz tlenek wodoru, co możemy zapisać takim równaniem:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Czym jest tlenek węgla (IV) o wzorze CO₂? To związek inaczej nazywany dwutlenkiem węgla – gaz, który również my wydychamy z naszych płuc. A czym jest tlenek wodoru o wzorze H₂O? To po prostu woda! W naszej reakcji, która przebiega w wysokiej temperaturze (na pewno to zauważyłeś!), woda powstaje w postaci pary wodnej, która również jest gazem.

Choć oba produkty reakcji mają masę większą niż masa spalonej celulozy (o masę przyłączonego tlenu), to jako gazy ulatniają się z talerza. Pozostają na talerzu resztki niespalonego papieru, inne składniki papieru (spalone bądź nie) i trochę niespalonego węgla (stąd czarny kolor). Jednak większość spalonego papieru po prostu uleciała z talerza w postaci dwutlenku węgla i pary wodnej. Dlatego właśnie zaobserwowałeś zmniejszenie masy po spaleniu papieru.

A co z dymem?

W obu przypadkach wydzielał się dym. Dym to nie gaz – to małe kawałeczki substancji stałej, unoszące się w powietrzu.

W przypadku papieru to częściowo niespalony węgiel (sadza), ale również inne składniki papieru porwane przez gorące powietrze – nie zmienia to naszej obserwacji o ubytku masy.

W przypadku wełny stalowej dym pochodzi głównie od zanieczyszczeń na powierzchni wełny – to również może być np. sadza. Ten uchodzący dym zmniejsza masę spalonych pozostałości na talerzu, co trochę nam przeszkadza, ale nie aż tak bardzo. Nadal mierzymy zwiększenie się masy spalonego żelaza.

Wnioski

Tu dochodzimy do bardzo ważnych wniosków, które powinieneś zapamiętać:

- tlenki metali są ciałami stałymi.

- tlenki niemetali mogą być gazami, cieczami lub ciałami stałymi.

Wniosek o tlenkach niemetali wymaga trochę wyjaśnienia: To, że tlenki niemetali mogą być gazami, to zaobserwowałeś w doświadczeniu. Tlenki niemetali mogą być też oczywiście cieczami – przecież powstająca w naszym doświadczeniu para wodna po ochłodzeniu by się skropliła i byłaby po prostu wodą. Choć tego nie zaobserwowaliśmy w naszym doświadczeniu, to podpowiemy, że tlenki niemetali mogą być również ciałami stałymi – takim przykładem jest piasek – tlenek krzemu.

Oczywiście te wnioski są słuszne w tak zwanych warunkach standardowych. Jeśli byśmy odpowiednio mocno podgrzali tlenek metalu, to mógłby się stopić lub wręcz wyparować (o ile przedtem by się nie rozpadł na metal i tlen) – ale to byłoby w bardzo wysokiej temperaturze, a nie w warunkach, jakie panują w mieszkaniu czy na podwórku. Również gazowy tlenek niemetalu – np. dwutlenek węgla, po mocnym schłodzeniu może być ciałem stałym – wtedy jest tak zwanym suchym lodem, który być może widziałeś podczas różnych pokazów naukowych.

Ale dlaczego tak jest?

Na to pytanie będziesz mógł odpowiedzieć już niedługo, ucząc się kolejnych rzeczy na chemii w 7 i 8 klasie. Podpowiemy, że ma to związek z elektroujemnością atomów i wynikającym z niej rodzajem wiązań chemicznych w tlenkach (wiązanie jonowe a wiązanie kowalencyjne). Z tego z kolei wynika, jak mocno cząsteczki danego tlenku przyciągają się nawzajem – jeśli mocno, to tlenek będzie ciałem stałym. Jeśli słabo – gazem.

****

Więcej o tlenkach możesz przeczytać tu: https://zpe.gov.pl/a/wlasciwosci-tlenku-weglaiv/DEDBTl2wV

i tu: https://zpe.gov.pl/a/wodor/DbFQCGctg

lub obejrzeć np. tu: https://pistacja.tv/film/chm00029-tlenki