Как сделать химический песок: Как сделать кинетический песок в домашних условиях, состав

Видео 2: Преобразование песка в горючий газ, YouTube-канал Tommy Technetium. 30 декабря 2021 г.

Обсуждение: Эти эксперименты связаны с различными химическими темами. Стандартные энтальпии образования (таблица 1) могут быть использованы для расчета стандартных энтальпий всех вовлеченных реакций. Также могут быть рассчитаны стандартные энергии Гиббса и стандартные энтропии реакций. Стандартные энтальпии, энергии Гиббса и энтропии всех перечисленных здесь реакций приведены в таблице в Приложении.

Таблица 1: Выбранные термодинамические значения соответствующий алкан (уравнения 12-15):

Рисунок 1: Энтальпия, выделяющаяся при сгорании силанов и алканов.

Тот факт, что силаны выделяют больше энергии при сгорании, чем алканы, указывает на то, что алканы более стабильны, чем силаны, в присутствии кислорода. Этот факт хорошо согласуется с наблюдением, что силаны самовозгораются на воздухе, тогда как алканы для воспламенения требуют источника воспламенения. Кроме того, стабильность алканов по сравнению с силанами позволяет понять наблюдение, что длинноцепочечные молекулы, состоящие из углерода, но не из кремния, встречаются повсеместно. Это последнее наблюдение ясно указывает на то, почему молекулы на основе углерода, а не молекулы на основе кремния обеспечивают молекулярную основу жизни.

Эти идеи можно расширить, сравнив средние энтальпии различных химических связей, содержащих углерод и кремний (таблица 2). Обратите внимание, что в среднем для разрыва связи углерод-углерод требуется на 141 кДж моль ^-1 больше энергии, чем для одинарной связи кремний-кремний. Точно так же для разрыва связи углерод-водород требуется в среднем на 90 кДж моль ^-1 больше энергии, чем для связи кремний-водород. Таким образом, алканы более устойчивы к разрыву химических связей и, следовательно, более устойчивы к химическим изменениям, чем силаны. Дальнейшее обсуждение стабильности молекул с углеродными цепями по сравнению с молекулами с кремниевыми цепями можно найти в ссылке 8.

Таблица 2: Средняя энтальпия связи. ^8,9

Заключение: Процесс превращения песка в легковоспламеняющиеся силаны чрезвычайно интересен для наблюдения и затрагивает широкий спектр химических тем. Набор реакций (уравнения 1-11), связанных с процессом, обеспечивает платформу для обсуждения концепций химической термодинамики и химической связи. Сравнение термодинамики горения силана с горением алкана позволяет обсудить способность углерода образовывать стабильные длинноцепочечные молекулы. Учитывая широкий спектр химических реакций, имеющих отношение к этому эксперименту, безусловно, есть и другие химические темы, которые можно было бы обсудить. Я хотел бы услышать, какие химические темы приходят вам на ум, когда вы проводите эти эксперименты. Я с нетерпением жду ваших мыслей в комментариях.

Удачных экспериментов!

Приложение: Стандартные энтальпии, энергии Гиббса и энтропии реакций, описанных в уравнениях 1-15.

Литература:

1. Борщев, Дьяченко, Киселев, Крайденко, Журнал прикладной химии , 2013 , 86- (4), 4.
2. Favors, Wang, Hosseini Bay, Mutlu, Ahmed, Liu, Ozkan, and Ozkan, Scientific Reports, 2014 , 4 , 5623.
3. Такамори, Осава, Кимура, Лю. и Мукаи, Материалы, сделки , 2008 , 49, (5) (2008), 1089-1092.
4. Джонсон и Изенберг, Дж. Ам. хим. Соц ., 1935 , 57 , 1349-1353.
5. Johnnson, J. Chem. Образование ., 1934 , 11 (4), 256.
6. Дин, Справочник Ланге по химии, 12-е изд. ; McGraw-Hill: Нью-Йорк, Нью-Йорк, 1979; стр. 9-4 — 9-94.
7. Сакс и Кальчер, J. Phys. Хим ., 1991 , 95 (4) 1768-1783.
8. Smith, J. Chem. Образование ., 1988 , 65 (5), 414-415.
9. Котц, Трейчел и Уивер, химия и химическая реактивность, 6-е изд.; Thomson Learning: Belmont, CA, 2006, с. 422.

Понятия: 

щелочноземельные металлы

связывание

химическое изменение

горение

эндотермическое/экзотермическое

окисление-восстановление

reactivity

thermochemistry

Collection: 

Bonding and Forces of Attraction

Demonstrations

Elements

Matter & Change

Reactions

Thermochemistry

Safety

Общая безопасность

Для лабораторных работ:  См. Руководство ACS по безопасности химических лабораторий в средних школах (2016 г. ).

Для демонстраций: Пожалуйста, обратитесь к Руководству по безопасности химических демонстраций отдела химического образования ACS.

Прочие ресурсы по безопасности

RAMP: Распознавание опасностей; Оценить риски опасностей; Свести к минимуму риски опасностей; Подготовка к чрезвычайным ситуациям

Безопасность: видеодемонстрация

Представленные здесь демонстрационные видеоролики не предназначены для обучения химическим методам демонстрации. Они предназначены для использования в классе. Демонстрации могут представлять угрозу безопасности или показывать явления, которые трудно наблюдать всему классу во время живой демонстрации.

Те, кто выполняет демонстрации, показанные в этом видео, прошли обучение и придерживаются передовых методов безопасности.

Любой, кто собирается провести демонстрацию химии, должен сначала прочитать, а затем соблюдать Руководство по безопасности для демонстрации химии (2016 г. ) . Эти рекомендации также доступны на сайте ChemEd X.

НГСС

Научная практика: анализ и интерпретация данных

Анализ данных в 9–12 основывается на K–8 и переходит к более подробному статистическому анализу, сравнению наборов данных на предмет согласованности и использованию моделей для создания и анализа данных.

Резюме:

Анализ данных в 9–12 основывается на K–8 и переходит к более подробному статистическому анализу, сравнению наборов данных на предмет согласованности и использованию моделей для создания и анализа данных. Анализ данных с использованием инструментов, технологий и/или моделей (например, вычислительных, математических) для обоснованных и надежных научных утверждений или определения оптимального проектного решения.

Граница оценки:

Уточнение:

Научная практика: построение объяснений и разработка решений

Построение объяснений и разработка решений в 9–12 базируется на опыте K–8 и переходит к объяснениям и проектам, которые поддерживаются многочисленными и независимыми источниками доказательств, созданными учащимися, в соответствии с научными идеями, принципами и теориями.

Резюме:

Построение объяснений и разработка решений в 9–12 базируется на опыте K–8 и переходит к объяснениям и проектам, которые поддерживаются многочисленными и независимыми источниками доказательств, созданными учащимися, в соответствии с научными идеями, принципами и теориями. Построить и пересмотреть объяснение, основанное на действительных и надежных доказательствах, полученных из различных источников (включая собственные исследования учащихся, модели, теории, симуляции, экспертные оценки) и предположении, что теории и законы, описывающие мир природы, действуют сегодня так же, как и раньше. в прошлом и будет продолжать делать это в будущем.

Граница оценки:

Уточнение:

Научная практика: планирование и проведение исследований

Планирование и проведение расследований в 9-12 классах основывается на опыте K-8 и включает исследования, которые предоставляют доказательства и тестируют концептуальные, математические, физические и эмпирические модели.

Резюме:

Планирование и проведение расследований в 9-12 основывается на опыте K-8 и включает в себя исследования, которые предоставляют доказательства и проверяют концептуальные, математические, физические и эмпирические модели. Планируйте и проводите расследование индивидуально и совместно, чтобы получить данные, которые послужат основой для доказательств, а в плане: определите типы, количество и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и учтите ограничения точности данных ( например, количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом уточнить план.

Граница оценки:

Уточнение:

Научная практика: использование математики и вычислительного мышления

Математическое и вычислительное мышление на уровне 9–12 основано на K–8 и переходит к использованию алгебраического мышления и анализа, ряда линейных и нелинейных функций, включая тригонометрические функции, экспоненты и логарифмы, а также вычислительных инструментов для статистического анализа для анализа , представлять и моделировать данные. Простые вычислительные модели создаются и используются на основе математических моделей основных предположений. Используйте математические представления явлений для обоснования утверждений.

Резюме:

Математическое и вычислительное мышление на уровне 9–12 основывается на K–8 и переходит к использованию алгебраического мышления и анализа, ряда линейных и нелинейных функций, включая тригонометрические функции, экспоненты и логарифмы, а также вычислительных инструментов для статистических вычислений. анализ для анализа, представления и моделирования данных. Простые вычислительные модели создаются и используются на основе математических моделей основных предположений. Используйте математические представления явлений для обоснования утверждений.

Граница оценки:

Уточнение:

Материя HS-PS1 и ее взаимодействие

Материя и ее взаимодействия помогают учащимся сформулировать ответ на вопрос: «Как можно объяснить структуру, свойства и взаимодействия материи?» Основная дисциплинарная идея PS1 из NRC Framework разбита на три подидеи: структура и свойства материи, химические реакции и ядерные процессы. Ожидается, что учащиеся разовьют понимание субструктуры атомов и предоставят более механистические объяснения свойств веществ. Химические реакции, включая скорости реакций и изменения энергии, могут быть поняты учащимися на этом уровне в терминах столкновений молекул и перегруппировок атомов. Студенты могут использовать периодическую таблицу как инструмент для объяснения и предсказания свойств элементов. Используя эти расширенные знания о химических реакциях, учащиеся могут объяснить важные биологические и геофизические явления. Явления, связанные с ядрами, также важны для понимания, поскольку они объясняют образование и изобилие элементов, радиоактивность, выделение энергии Солнцем и другими звездами, а также выработку ядерной энергии. Студенты также могут применить понимание процесса оптимизации в инженерном проектировании систем химических реакций. Сквозные концепции паттернов, энергии и материи, а также стабильности и изменения вызываются в качестве организующих концепций для этих основных дисциплинарных идей. Ожидается, что в ожидаемых результатах PS1 учащиеся продемонстрируют умение разрабатывать и использовать модели, планировать и проводить исследования, использовать математическое мышление, строить объяснения и разрабатывать решения; и использовать эти практики, чтобы продемонстрировать понимание основных идей.

*Дополнительную информацию об этой категории NGSS можно найти по адресу https://www.nextgenscience.org/dci-arrangement/hs-ps1-matter-and-its-interactions.

Резюме:

» Материя и ее взаимодействия помогают учащимся сформулировать ответ на вопрос: «Как можно объяснить структуру, свойства и взаимодействия материи?» Основная дисциплинарная идея PS1 из NRC Framework разбита на три подидеи: структура и свойства материи, химические реакции и ядерные процессы Ожидается, что учащиеся разовьют понимание субструктуры атомов и предоставят более механистические объяснения свойств. веществ. Химические реакции, включая скорости реакций и изменения энергии, могут быть поняты учащимися на этом уровне с точки зрения столкновений молекул и перегруппировок атомов. Учащиеся могут использовать периодическую таблицу как инструмент для объяснения и предсказания свойства элементов. Используя эти расширенные знания о химических реакциях, учащиеся могут объяснить важные биологические и геофизические явления. Явления, связанные с ядрами, также важны для понимания, поскольку они объясняют образование и распространенность элементов, радиоактивность, выделение энергии от солнца и других звезд, а также производства ядерной энергии.Учащиеся также могут применить понимание процесса оптимизации в инженерном проектировании к системам химических реакций. Сквозные концепции паттернов, энергии и материи, а также стабильности и изменения вызываются в качестве организующих концепций для этих основных дисциплинарных идей. Ожидается, что в ожидаемых результатах PS1 учащиеся продемонстрируют умение разрабатывать и использовать модели, планировать и проводить исследования, использовать математическое мышление, строить объяснения и разрабатывать решения; и использовать эти практики, чтобы продемонстрировать понимание основных идей» 9. 0013

Граница оценки:

Уточнение:

Химические реакции HS-PS1-2

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут построить и пересмотреть объяснение результата простой химической реакции на основе самых удаленных электронных состояний атомов, тенденций в периодической таблице и знания закономерностей химических свойств.

*Более подробную информацию обо всех DCI для HS-PS1 можно найти на https://www.nextgenscience.org/dci-arrangement/hs-ps1-matter-and-its-interactions, а также дополнительные ресурсы на https://www. .nextgenscience.org.

Резюме:

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут построить и пересмотреть объяснение результата простой химической реакции, основанное на самых удаленных электронных состояниях атомов, тенденциях в периодической таблице и знании закономерностей химических свойств.

Граница оценки:

Оценка ограничивается химическими реакциями с участием элементов основных групп и реакциями горения.

Уточнение:

Примеры химических реакций могут включать реакцию натрия и хлора, углерода и кислорода или углерода и водорода.

HS-PS1-4 Энергия

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут разработать модель, иллюстрирующую, что высвобождение или поглощение энергии в системе химической реакции зависит от изменений общей энергии связи.

*Более подробную информацию обо всех DCI для HS-PS1 можно найти на https://www.nextgenscience.org/dci-arrangement/hs-ps1-matter-and-its-interactions, а также дополнительные ресурсы на https://www. .nextgenscience.org.

Резюме:

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут разработать модель, иллюстрирующую, что высвобождение или поглощение энергии в системе химической реакции зависит от изменений общей энергии связи.

Граница оценки:

Оценка не включает расчет общих изменений энергии связи во время химической реакции на основе энергий связи реагентов и продуктов.

Пояснение:

Акцент делается на идее, что химическая реакция представляет собой систему, влияющую на изменение энергии. Примеры моделей могут включать рисунки и схемы реакций на молекулярном уровне, графики, показывающие относительную энергию реагентов и продуктов, а также представления, демонстрирующие сохранение энергии.

HS-PS3 Энергия

Энергия помогите учащимся сформулировать ответ на вопрос «Как передается и сохраняется энергия?» Основная идея, выраженная в Структуре для PS3, разбита на четыре подосновные идеи: Определения энергии, Сохранение энергии и передача энергии, Связь между энергией и силами и Энергия в химических процессах и повседневной жизни. Под энергией понимается количественное свойство системы, зависящее от движения и взаимодействия вещества и излучения внутри этой системы, причем полное изменение энергии в любой системе всегда равно полной энергии, переданной в систему или из нее. Учащиеся начинают понимать, что энергия как в макроскопическом, так и в атомном масштабе может быть объяснена либо движением частиц, либо энергией, связанной с конфигурацией (относительным положением) частиц. В некоторых случаях энергию, связанную с конфигурацией частиц, можно рассматривать как накопленную в полях. Студенты также демонстрируют свое понимание инженерных принципов, когда они проектируют, строят и совершенствуют устройства, связанные с преобразованием энергии. Сквозные концепции причины и следствия; системы и системные модели; энергия и материя; а влияние науки, техники и технологий на общество и мир природы получает дальнейшее развитие в ожиданиях производительности, связанных с PS3. Ожидается, что в этих требованиях к производительности учащиеся продемонстрируют умение разрабатывать и использовать модели, планировать и проводить исследования, использовать вычислительное мышление и разрабатывать решения; и использовать эти практики, чтобы продемонстрировать понимание основных идей. *

*Дополнительную информацию обо всех DCI для HS-PS3 можно найти по адресу https://www.nextgenscience.org/topic-arrangement/hsenergy.

Резюме:

Энергия помочь учащимся сформулировать ответ на вопрос «Как передается и сохраняется энергия?» Основная идея, выраженная в Структуре для PS3, разбита на четыре подосновные идеи: Определения энергии, Сохранение энергии и передача энергии, Связь между энергией и силами и Энергия в химических процессах и повседневной жизни. Под энергией понимается количественное свойство системы, зависящее от движения и взаимодействия вещества и излучения внутри этой системы, причем полное изменение энергии в любой системе всегда равно полной энергии, переданной в систему или из нее. Учащиеся начинают понимать, что энергия как в макроскопическом, так и в атомном масштабе может быть объяснена либо движением частиц, либо энергией, связанной с конфигурацией (относительным положением) частиц. В некоторых случаях энергию, связанную с конфигурацией частиц, можно рассматривать как накопленную в полях. Студенты также демонстрируют свое понимание инженерных принципов, когда они проектируют, строят и совершенствуют устройства, связанные с преобразованием энергии. Сквозные концепции причины и следствия; системы и системные модели; энергия и материя; а влияние науки, техники и технологий на общество и мир природы получает дальнейшее развитие в ожиданиях производительности, связанных с PS3. Ожидается, что в этих требованиях к производительности учащиеся продемонстрируют умение разрабатывать и использовать модели, планировать и проводить исследования, использовать вычислительное мышление и разрабатывать решения; и использовать эти практики, чтобы продемонстрировать понимание основных идей

Граница оценки:

Уточнение:

Получение кремния и силанов из песка | Эксперимент

Нагрейте магний и песок вместе для получения кремния и помогите учащимся изучить, как экзотермические реакции могут создавать новые вещества

Установите защитный экран для этого взрывного практического занятия, наполненного взрывоопасным водородом, расплавленным кремнием и кислотной промывкой

Этот эксперимент должно пройти от пяти до десяти минут.

Оборудование

Аппаратура

• Защита глаз
• Защитный экран
• Пробирка из пирекса, примерно 150 мм x 17 мм
• Зажим и подставка
• Горелка Бунзена
• Стакан, 250 см ³
• Коническая колба, 250 см ³
• Фильтровальная воронка и фильтровальная бумага
• Доступ к печи
• Эксикатор
• Доступ к балансу верхней чаши

Химикаты

• Сухой порошок магния, 1 г
• Сухой серебряный песок, 1 г
• Кислота соляная, 2 моль дм ^–3 , 50 см ³

Примечания по охране труда и технике безопасности

• Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
• Всегда надевайте защитные очки.
• Используйте защитный экран между аппаратом и аудиторией.
• Порошок магния сильно горит на воздухе. Пыль от порошка магния может быть опасна.
• Перед реакцией убедитесь, что смешанные порошки абсолютно сухие.
• В обязанности учителя входит проверка оценки риска работодателем.
• Порошок магния легко воспламеняется (см. карточку опасности CLEAPSS HC059b).
• Соляная кислота в используемой концентрации вызывает раздражение (см. карту опасности CLEAPSS HC047a).

Процедура 

Перед демонстрацией

1. Высушите порошок магния и песок в течение нескольких часов в печи при температуре около 100°C.
2. Храните их в эксикаторе до момента использования.
3. Убедитесь, что пробирка сухая.

Демонстрация

1. Взвесьте 1 г серебряного песка и 1 г порошка магния и тщательно перемешайте.
2. Распределить смесь по дну пробирки, зажатой почти горизонтально.
3. Поместите защитный экран между трубой и зрителями, если зрители находятся близко.
4. Нагрейте один конец смеси с ревущим пламенем Бунзена, держа горелку рукой. Через несколько секунд смесь начнет светиться. Это свечение можно «гонять» по трубке с пламенем, пока не прореагирует вся смесь. Трубка почернеет и частично расплавится.
5. Если два порошка не высохнут, некоторое количество магния прореагирует с паром, и образовавшийся водород взорвется.
6. Когда реакция завершится, дать смеси остыть (около пяти минут) и с помощью шпателя вылить продукты примерно в 50 см ³ 2 моль дм ^–3 соляной кислоты.
7. Через несколько минут хлопки прекратятся, и на дне стакана останется серый кремниевый порошок, возможно, с небольшим количеством непрореагировавшего песка.
8. Кислоту слить, твердое вещество несколько раз промыть водой и отфильтровать кремний.
9. Пройдитесь по классу, чтобы показать его слегка металлический серебристо-серый цвет. При желании покажите, что он не реагирует со щелочами (или кислотами).

Примечания

• Диоксид кремния представляет собой твердое вещество с гигантской структурой, тогда как диоксид углерода имеет молекулярную структуру.
• Силаны самопроизвольно реагируют с воздухом при комнатной температуре, тогда как алканы стабильны.
• Эти различия можно объяснить, рассматривая соответствующие энергии связи и наличие d-орбиталей в кремнии, но не в углероде.
• Энергии связи в кДж моль ^–1 : Si=O 638; Si–O 466; С–О 336; С=О 805; Si-H 318; С– Н 413.
• Реакции:
• SiO ₂ (т) + 2Mg(т) → 2MgO(т) + Si(т)
• 2Mg(s) + Si(s) → Mg ₂ Si(s)
• MgO(т) + 2HCl(водн.) → MgCl ₂ (водн.) + H ₂ О(л)
• Mg ₂ Si(т) + 4HCl(водн.) → 2MgCl ₂ (водн.) + SiH ₄ (г)
• Можно также производить высшие силаны, такие как Si ₂ H ₆
• SiH ₄ (г) + 2O ₂ (г) → SiO ₂ (т) + 2H ₂ O(л)

Дополнительная информация

• Эта исходная смесь имеет небольшой избыток магния по отношению к стехиометрической массе (1 г песка на 0,8 г магния), поскольку некоторое количество магния неизбежно будет реагировать с воздухом.