Всего за 499 руб. Купить полную версию
Объясните принципы действия всех этих приборов.
Пытливый плотник
Плотничий уровень представляет собой запаянную стеклянную трубку с водой, в которой имеется небольшой пузырек воздуха. Если уровень расположен строго горизонтально, пузырек будет точно в середине трубки. Однажды плотник задумался: когда этот пузырек больше в холодный или в жаркий день? А вы как бы ответили на этот вопрос?
Битва галлия и ртути
В одной из популярных статей о галлии сказано: «Галлиевые термометры позволяют измерять температуру от 30 до 2230 .Возможности широко применяемых ртутных термометров значительно меньше: от 39 до 357 ».
1. Найдите ошибки в этом утверждении. (Подсказка: автор статьи указывает точки плавления и кипения указанных металлов при нормальном атмосферном давлении, т. е. диапазон температур, когда они находятся в жидком состоянии.)
2. Почему у галлия такая низкая температура плавления значительно ниже, чем у его ближайшего аналога индия?
«Аннулировать» закон термодинамики
В 1911 году профессор Московского университета Сергей Гаврилович Крапивин (18681927) предлагал студентам объяснить такой опыт. В колбе кипятят воду, а выходящий пар пропускают в стакан, в котором находится вода со слоем соли на дне. При этом температура в стакане постепенно поднимается почти до 110 , а затем так же постепенно снижается. Кажется, что нарушается один из основных законов термодинамики: теплота самопроизвольно переходит от более холодного тела (водяной пар при 100 ) к более горячему раствору в стакане.
Объясните этот странный на первый взгляд результат.
Едкий нрав гидроксида натрия
Преподаватель объяснял учащимся применение принципа Ле Шателье Брауна. В соответствии с этим принципом внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, вызывает в ней такие изменения, которые «противодействуют» этому воздействию. Например, если в закрытом сосуде (цилиндр с поршнем) находятся вода и водяной пар, то при повышении температуры часть воды испарится (процесс с поглощением теплоты), а при понижении температуры часть пара сконденсируется (процесс с выделением теплоты). Аналогично при повышении давления (поршень сжимает пар) часть пара перейдет в жидкость, а при понижении давления (обратный ход поршня) часть жидкости испарится.
Разобрав еще несколько аналогичных примеров, преподаватель попросил объяснить такое, на первый взгляд, очевидное нарушение данного принципа. В колбу с водой начали вносить кристаллы гидроксида натрия (едкого натра) NaOH. При этом наблюдается очень сильное разогревание раствора; так, при растворении одного моля (40 г) щелочи в пяти молях (90 г) воды выделяется 37,8 кДж тепловой энергии. И если принять, что теплоемкость раствора не очень сильно отличается от теплоемкости воды (на самом деле она меньше), то раствор нагреется от 20 до 90 . Увеличив массу растворяемой щелочи, смесь можно нагреть еще сильнее. (При 20 в 100 г воды растворяется 108,7 г NaOH, при 50 146 г, при 100 337 г, а при 150 418 г.)
После того как раствор остыл до 20 , на дне колбы оказались кристаллы. Когда колбу подогрели на плитке, часть кристаллов растворилась, а при последующем охлаждении колбы количество осадка опять увеличилось. Не противоречит ли это принципу Ле Шателье Брауна? Ведь если повышение температуры приводит к увеличению растворимости (равновесие «осадокраствор» смещается вправо), растворение осадка должно сопровождаться поглощением тепловой энергии, т. е. раствор должен не нагреваться, а охлаждаться! Именно так и происходит, например, при растворении в воде нитрата аммония NH4NO3. С повышением температуры его растворимость быстро возрастает (до 600 г в 100 г воды при 80 !), при этом раствор очень сильно охлаждается.
Попробуйте найти разумное объяснение кажущемуся противоречию с растворением гидроксида натрия.
Подсказки
еще раз внимательно прочитайте формулировку принципа;
при растворении в воде синих кристаллов медного купороса (гидратированный пятиводный сульфат меди CuSO45H2O) раствор охлаждается, а если кристаллы предварительно сильно прогреть, то при их растворении раствор будет нагреваться. Растворимость CuSO4 в воде, как и подавляющего большинства твердых веществ, с повышением температуры увеличивается.
Фокус с нитратом аммония
При растворении нитрата аммония в воде происходит очень сильное поглощение тепловой энергии, при этом раствор охлаждается настолько, что стакан с ним запотевает. (При растворении 80 г кристаллов в 45 г воды поглощается 25,8 кДж тепловой энергии, и если бы не было тепловых потерь, раствор смог бы охладиться на 50 !) Известен эффектный демонстрационный опыт: на мокрую деревянную подставку ставят стакан с водой, вносят в него порошок нитрата аммония и энергично перемешивают раствор. При этом стаканчик примерзает к подставке, так что его можно поднять вместе с ней. Вопрос: почему подставка должна быть деревянной?
Жалобное шипение углей
В книге Ю. А. Федосюка «Что непонятно у классиков, или Энциклопедия русского быта XIX века» в разделе «Освещение» сказано: «На смену газу пришло электричество. Однако излучатель в лампочке накаливания вначале делался не из тугоплавкого металла, как сейчас, а из угля. Уголь довольно быстро сгорал и требовал замены, а при горении издавал неприятное шипение. В рассказе Куприна В цирке читаем: Слышалось только однотонное, жалобное шипение углей в электрических фонаряхУгли в фонарях тянули всё ту же жалобную однообразную ноту».
Объясните, в чем ошибся автор книги с точки зрения физики и химии.
Соленая задача
Предложите как можно больше способов определения плотности кристаллического хлорида натрия (поваренной соли), если в вашем распоряжении есть купленная в магазине соль «Экстра» тонкого помола, разнообразное лабораторное оборудование и вещества, но ни одного справочника.
Иней на заказ
Известен такой эффектный опыт. В стакан помещают красные кристаллы хлорида кобальта CoCl26H2O и наливают немного тионилхлорида SOCl2. Начинается бурная реакция с выделением паров воды и сернистого газа, а красные кристаллы превращаются в синие безводного хлорида кобальта: CoCl26H2O + 6SOCl2 = CoCl2 + 6SO2 + 12H2O. Но самое удивительное в этом опыте то, что температура в стакане быстро понижается, опускаясь ниже нуля; при этом стакан покрывается инеем. Как объяснить такое сильное самопроизвольное охлаждение смеси?
Легковесные пассажиры
Внутри автобуса плавают два воздушных шарика. Один, наполненный водородом, привязан ниткой к сиденью и немного не достает до потолка. Другой, наполненный углекислым газом, привязан к люку в крыше автобуса и немного не достает до пола. Как будут вести себя эти шарики при резком ускорении автобуса и его резком торможении? И как будет отклоняться пламя свечи, укрепленной на дне банки с высокими стенками? Объясните поведение шариков и пламени на основании молекулярно-кинетической теории газов.
Сноски
1
Леенсон И. Чет или нечет? 2-е изд. М.: Химия, 1988.
2
Он же. Шутят химики! 2-е изд. М.: Интеллект, 2016.
3
Он же. Язык химии. М.: АСТ: CORPUS, 2016.
4
Соровская олимпиада школьников. М.: МЦНМО, 1995.
5
Цит. по: Арнольд В. И. Задачи для детей от 5 до 15 лет. М.: МЦНМО, 2004.
6
Цит. по: Бюргер Г. А., Распе Р. Э. Удивительные путешествия на суше и на море, военные походы и веселые приключения барона фон Мюнхгаузена, о которых он обычно рассказывает в кругу своих друзей / Изд. подгот. А. Н. Макаров. М.: Наука, 1985.
7
Цит. по: Пантелеев А. И. Собрание сочинений в четырех томах. Т. 1. Л.: Дет. лит., 1983.
8
Цит. по: Федосюк Ю. А. Что непонятно у классиков, или Энциклопедия русского быта XIX века. М.: Флинта: Наука, 2000.