Куда исчез сахар и как вырастить кристалл
Сахар едят многие, добавляя его в чай, кофе и различные блюда. Это сладкое вещество знакомо всем еще с детства. Привычное для нас его агрегатное состояние – твердое кристаллическое – одно из шести известных человечеству на сегодняшний день: твердое, жидкое, газообразное, плазма, фермионный конденсат и конденсат Бозе-Эйнштейна. Однако если взять кусочек сахара или чайную ложку сахарного песка и положить в чашку с горячим чаем, помешивая при этом ложной, то через некоторое время сахар «исчезнет». Его совсем не будет видно, а внешний вид и объем чая совершенно не изменится. Давайте попробуем разобраться, куда «исчез» сахар и можно ли каким-либо способом его вернуть в прежнее твердое состояние.
В кристаллическом состоянии могут находиться различные вещества. При этом кристаллы бывают очень причудливой формы. Например, кристаллы висмута имеют вид загадочных лабиринтов, кристаллы каменной соли являются полупрозрачными кубиками, кристаллы оксида цинка напоминают звездочки:
Сахар, который мы положили в чашку с горячим чаем, тоже был в твердом состоянии и, конечно же, никуда не исчез. Об этом свидетельствует сладкий вкус чая. При попадании в воду молекулы сахара начали взаимодействовать с молекулами воды. А молекулы воды – это ярко выраженные полярные молекулы, поэтому они образуют с молекулами сахара, находящимися в кристалле, межмолекулярные связи и отрывают их от кристалла, унося в толщу воды. При этом, чем выше температура воды, тем активнее происходит взаимодействие. Таким образом, сахар растворился в воде – произошел физический процесс, при котором в воде оказались молекулы сахара, связанные с несколькими молекулами воды. Количество молекул, которые могут раствориться в воде, ограничено, поэтому, в конце концов, наступит момент, когда сахар больше не растворяется. Такой раствор сахара называется насыщенным. Он нам потребуется, чтобы вырастить кристаллы.
Еще один практический совет. Если вы хотите, чтобы ваш чай или кофе был как можно дольше горячим, то следует сразу после наливания положить в чашку сахар. При растворении сахар заберет часть тепловой энергии у чая или кофе, и температура понизится. Разница температур между напитком и воздухом в комнате станет меньше, поэтому остывать чай или кофе будет медленнее, и дольше будет оставаться горячим.
Сахар, растворенный в воде, можно опять вернуть в твердое кристаллическое состояние. Это можно сделать в домашних условиях, при этом не потребуется каких-либо особых приспособлений. Сахар очень хорошо растворяется в воде: в 100 мл воды при температуре 100 0 С может раствориться около 500 г сахара! При этом объем раствора практически не изменится. Вы можете удивить своих друзей, если будете класть в горячий чай один за другим кубики сахара, помешивая при этом ложкой, то даже 20 кубиков сахара прекрасно растворятся, а объем чая визуально не изменится, как будто сахар куда-то исчез. Пить такой чай будет нельзя, но эффект гарантирован.
Итак, нам потребуется: 0,5 л воды, 1200-1300 г сахарного песка, деревянные палочки длиной 15-20 см, прозрачные сосуды емкостью 200-330 мл, плотная бумага, нарезанная квадратами 10х10 см, пищевые красители, если вы хотите сделать кристаллы сахара разноцветными, и небольшая кастрюля.
Сначала наливаем в кастрюлю 0,5 л воды и насыпаем 600-650 г сахарного песка. Нагреваем кастрюлю с водой и сахаром на небольшом огне, помешивая ложкой до полного растворения сахара, затем добавляем еще 600-650 г сахарного песка и добиваемся полного его растворения. Даем сахарному раствору остыть минут 10-15. В это время подготавливаем деревянные палочки: протыкаем ими в центре квадраты из плотной бумаги, смачиваем длинный конец палочки в воде и обваливаем в сахарном песке, добиваясь равномерного прилипания сахара со всех сторон, и даем палочкам с сахаром высохнуть.
Приготовленный сахарный раствор разливаем в прозрачные сосуды и добавляем в них разноцветные пищевые красители. Палочки с сахаром опускаем в растворы и при помощи плотной бумаги закрепляем их в вертикальном положении:
В течение последующей недели мы сможем наблюдать, как вокруг деревянной палочки будут вырастать окрашенные пищевыми красителями разноцветные кристаллы сахара. Таким образом, сахар выделится из раствора, вернув себе твердое кристаллическое состояние в виде сладких разноцветных леденцов.
Предлагаем Вам по предложенному методу вырастить кристалл поваренной соли.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Агрегатные состояния вещества
Агрегатное состояние — это состояние вещества, которое зависит от температуры и давления. В природе вещества встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.
Вещество, находящееся при стандартных условиях в твёрдом состоянии, называется твёрдым веществом, в жидком состоянии — жидким веществом или жидкостью, в газообразном — газообразным веществом или газом.
При одинаковых условиях (температуре и давлении) различные вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях.
Пример. В стандартных условиях:
- железо, сера, алюминий — твёрдые вещества.
- вода, бензол, ртуть — жидкости.
- кислород, аргон, углекислый газ — газы.
Переходы между агрегатными состояниями
Многие вещества при изменении условий могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.
Пример. При температуре ниже 0 °C вода превращается в лёд, т. е. переходит из жидкого состояния в твёрдое.
Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется испарением.
При увеличении температуры вещества испарение становится интенсивнее. И, наконец, при определённой температуре испарение становится настолько интенсивным, что жидкость закипает. Такая температура называется температурой кипения вещества. Испарение и кипение — это два способа перехода жидкости в газообразное состояние.
Испарение происходит с поверхности жидкости, а при кипении жидкость переходит в газообразное состояние, как с поверхности, так и внутри неё.
Когда говорят о веществах в газообразном состоянии, иногда помимо термина газ используется и слово пар. Газ и пар очень похожи между собой. Они представляют собой разновидности газообразного состояния вещества.
Разница между газом и паром в том, что газ имеет температуру выше критической или равную ей, а пар — ниже.
Пример. Критическая температура воды равна примерно 374 °C. Вода в газообразном состоянии, которая имеет температуру ниже критической, например, 5 °C или 120 °С, будет именно паром, а не газом. А вот, например, кислород, гелий и азот – газы, так как они имеют температуру выше критической (у каждого из них критическая температура ниже -100 °C).
В быту под словом пар обычно подразумевают именно водяной пар.
Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением.
Переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное называется возгонкой или сублимацией. Переход из газообразного состояния в твёрдое называется десублимацией.
При всех этих явлениях частицы вещества не разрушаются. Таким образом, вещество, изменяя агрегатное состояние, не превращается в другое вещество.
Одни вещества могут иметь любое из трёх агрегатных состояний, другие — нет.
Пример. Вода может находиться в твёрдом состоянии (лёд), жидком (вода) и газообразном (водяной пар). Для сахара известны только два агрегатных состояния: твёрдое и жидкое.
При нагревании сахар плавится, затем его расплав темнеет, и появляется неприятный запах. Это свидетельствует о превращении сахара в другие вещества. Значит, газообразного состояния для сахара не существует.
Взаимные переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое в виде схемы:
Источник
Введение: агрегатное состояние вещества
Агрегатное состояние — состояние какого-либо вещества, имеющее определенные свойства: способность сохранять форму и объем, иметь дальний или ближний порядок и другие. При изменении агрегатного состояния вещества происходит изменение физических свойств, а также плотности, энтропии и свободной энергии.
Как и почему происходят эти удивительные превращения? Чтобы разобраться в этом, вспомним, что все вокруг состоит из атомов и молекул. Атомы и молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом, и именно связь между ними определяет, какое у вещества агрегатное состояние .
Выделяют четыре типа агрегатных веществ:
Кажется, что химия открывает нам свои тайны в этих удивительных превращениях. Однако это не так. Переход из одного агрегатного состояния в другое, а также броуновское движение или диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в этих превращениях не происходит изменений молекул вещества и сохраняется их химический состав.
Газообразное состояние
На молекулярном уровне газ представляет собой хаотически движущиеся, сталкивающиеся со стенками сосуда и между собой молекулы, которые друг с другом практически не взаимодействуют. Поскольку молекулы газа между собой не связаны, то газ заполняет весь предоставленный ему объем, взаимодействуя и изменяя направление только при ударах друг о друга.
К сожалению, невооруженным глазом и даже с помощью светового микроскопа увидеть молекулы газа невозможно. Однако газ можно потрогать. Конечно, если вы просто попробуете ловить молекулы газов, летающие вокруг, в ладони, то у вас ничего не получится. Но наверняка все видели (или делали это сами), как кто-то накачивал воздухом шину автомобиля или велосипеда, и из мягкой и сморщенной она становилась накачанной и упругой. А кажущуюся «невесомость» газов опровергнет опыт, описанный на странице 39 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С. Габриеляна.
Это происходит потому, что в замкнутый ограниченный объем шины попадает большое количество молекул, которым становится тесно, и они начинают чаще ударяться друг о друга и о стенки шины, а в результате суммарное воздействие миллионов молекул на стенки воспринимается нами как давление.
Но если газ занимает весь предоставленный ему объем, почему тогда он не улетает в космос и не распространяется по всей вселенной, заполняя межзвездное пространство? Значит, что-то все-таки удерживает и ограничивает газы атмосферой планеты?
Совершенно верно. И это — сила земного тяготения. Для того чтобы оторваться от планеты и улететь, молекулам нужно развить скорость, превышающую «скорость убегания» или вторую космическую скорость, а подавляющее большинство молекул движутся значительно медленнее.
Тогда возникает следующий вопрос: почему молекулы газов не падают на землю, а продолжают летать? Оказывается, благодаря солнечной энергии молекулы воздуха имеют солидный запас кинетической энергии, который позволяет им двигаться против сил земного притяжения.
Жидкое состояние
При повышении давления и/или снижении температуры газы можно перевести в жидкое состояние. Еще на заре ХIХ века английскому физику и химику Майклу Фарадею удалось перевести в жидкое состояние хлор и углекислый газ, сжимая их при очень низких температурах. Однако некоторые из газов не поддались ученым в то время, и, как оказалось, дело было не в недостаточном давлении, а в неспособности снизить температуру до необходимого минимума.
Жидкость, в отличие от газа, занимает определенный объем, однако она также принимает форму заполняемого сосуда ниже уровня поверхности. Наглядно жидкость можно представить как круглые бусины или крупу в банке. Молекулы жидкости находятся в тесном взаимодействии друг с другом, однако свободно перемещаются относительно друг друга.
Если на поверхности останется капля воды, через какое-то время она исчезнет. Но мы же помним, что благодаря закону сохранения массы-энергии, ничто не пропадает и не исчезает бесследно. Жидкость испарится, т.е. изменит свое агрегатное состояние на газообразное.
Испарение — это процесс преобразования агрегатного состояния вещества, при котором молекулы, чья кинетическая энергия превышает потенциальную энергию межмолекулярного взаимодействия, поднимаются с поверхности жидкости или твердого тела.
Испарение с поверхности твердых тел называется сублимацией или возгонкой. Наиболее простым способом наблюдать возгонку является использование нафталина для борьбы с молью. Если вы ощущаете запах жидкости или твердого тела, значит происходит испарение. Ведь нос как раз и улавливает ароматные молекулы вещества.
Жидкости окружают человека повсеместно. Свойства жидкостей также знакомы всем — это вязкость, текучесть. Когда заходит разговор о форме жидкости, то многие говорят, что жидкость не имеет определенной формы. Но так происходит только на Земле. Благодаря силе земного притяжения капля воды деформируется.
Однако многие видели как космонавты в условиях невесомости ловят водяные шарики разного размера. В условиях отсутствия гравитации жидкость принимает форму шара. А обеспечивает жидкости шарообразную форму сила поверхностного натяжения. Мыльные пузыри – отличный способ познакомиться с силой поверхностного натяжения на Земле.
Еще одно свойство жидкости — вязкость. Вязкость зависит от давления, химического состава и температуры. Большинство жидкостей подчиняются закону вязкости Ньютона, открытому в ХIХ веке. Однако есть ряд жидкостей с высокой вязкостью, которые при определенных условиях начинают вести себя как твердые тела и не подчиняются закону вязкости Ньютона. Такие растворы называются неньютоновскими жидкостями. Самый простой пример неньютоновской жидкости — взвесь крахмала в воде. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело.
Твёрдое состояние
Если у жидкости, в отличие от газа, молекулы движутся уже не хаотически, а вокруг определенных центров, то в твёрдом агрегатном состоянии вещества атомы и молекулы имеют четкую структуру и похожи на построенных солдат на параде. И благодаря кристаллической решетке твердые вещества занимают определенный объем и имеют постоянную форму.
Между твердыми и жидкими телами существует промежуточная группа аморфных веществ, представители которой с одной стороны за счет высокой вязкости долго сохраняют свою форму, а с другой – частицы в нем строго не упорядочены и находятся в особом конденсированном состоянии. К аморфным веществам относится целый ряд веществ: смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид, полимеры, сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы. Про аморфные тела подробно можно прочитать на странице 40 учебника «Химия 7 класс» под редакцией О.С. Габриеляна.
При определенных условиях вещества, находящиеся в агрегатном состоянии жидкости, могут переходить в твердое, а твердые тела, наоборот, при нагревании плавиться и переходить в жидкое.
Это происходит потому, что при нагревании увеличивается внутренняя энергия, соответственно молекулы начинают двигаться быстрее, а при достижении температуры плавления кристаллическая решетка начинает разрушаться и изменяется агрегатное состояние вещества. У большинства кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, но есть исключения, например – лед, чугун.
В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку твердого тела, выделяют следующую структуру:
У одних веществ изменение агрегатных состояний происходит легко, как, например, у воды, для других веществ нужны особые условия (давление, температура). Но в современной физике ученые выделяют еще одно независимое состояние вещества — плазма.
Плазма — ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных, так и отрицательных зарядов. В живой природе плазма есть на солнце, или при вспышке молнии. Северное сияние и даже привычный нам костер, согревающий своим теплом во время вылазки на природу, также относится к плазме.
Искусственно созданная плазма добавляет яркости любому городу. Огни неоновой рекламы — это всего лишь низкотемпературная плазма в стеклянных трубках. Привычные нам лампы дневного света тоже заполнены плазмой.
Плазму делят на низкотемпературную — со степенью ионизации около 1% и температурой до 100 тысяч градусов, и высокотемпературную — ионизация около 100% и температурой в 100 млн градусов (именно в таком состоянии находится плазма в звездах).
Низкотемпературная плазма в привычных нам лампах дневного света широко применяется в быту.
Высокотемпературная плазма используется в реакциях термоядерного синтеза и ученые не теряют надежду использовать ее в качестве замены атомной энергии, однако контроль в этих реакциях очень сложен. А неконтролируемая термоядерная реакция зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности, когда 12 августа 1953 года СССР испытал термоядерную бомбу.
Для проверки усвоения материала предлагаем небольшой тест.
1. Что не относится к агрегатным состояниям:
Источник
