Свойства газов: сколько кислорода в воздухе?

Газ – это собрание молекул вещества, характеризующихся беспорядочным движением во всех направлениях независимо друг от друга и очень слабыми связями между ними. У газов нет формы, они занимают весь предоставляемый им объем и легко сжимаются, меняя плотность. Газообразное состояние – одно из четырёх основных агрегатных состояний веществ.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. Он состоит из постоянных компонентов (кислород, азот, углекислый газ), инертных газов (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон), небольшого количества озона, закиси азота, метана, йода, водяных паров, а также в переменных количествах разных примесей природного происхождения и образований, сформировавшихся вследствие производственной деятельности человека. Химический состав воздуха имеет большое значение для осуществления дыхательной функции всех живых организмов.

Идеальный газ – это теоретическая модель, которая описывает свойства газа и его поведение. Она предполагает, что молекулы в составе газа не взаимодействуют друг с другом, то есть их размеры пренебрежимо малы, поэтому в объёме, занятом таким газом, нет взаимных столкновений молекул при их движении. Молекулы сталкиваются только со стенками сосуда, создавая давление идеального газа на них. Реальные газы приближаются по своим свойствам к идеальному при умеренных давлениях и температурах. Модель широко применяется для решения научных задач и доказательств законов идеального газа.

Проект «Реакция углекислого газа с известняком»

Диоксид углерода (углекислый газ), также широко известный своей химической формулой CO₂, является одним из краеугольных камней жизни. Он обычно находится в газообразном состоянии и является важной составляющей жизненного цикла растений и животных. CO₂ потребляется растениями при фотосинтезе и вырабатывается организмами животных во время дыхания.

Он также высвобождается из недр Земли во время извержений вулканов и вылетает из выхлопных труб автомобилей во время работы двигателя. Его относят к парниковым газам, так как он является одним из нескольких соединений, способствующих глобальному изменению климата. Углекислый газ находится везде вокруг нас, и следующий простой эксперимент, в основе которого лежат 2 химические реакции, поможет вам увидеть, как вырабатывается CO₂.

Что нам понадобится:

• контейнер с крышкой (подойдет пластиковый пищевой контейнер);
• дистиллированная вода;
• водопроводная вода;
• окись кальция (известь);
• чайная ложка;
• столовая ложка;
• мерный стакан;
• уксус;
• небольшое блюдо (отлично подойдет тарелка для заправки салата);
• 2 чистые бутылки из-под воды;
• глина для лепки или пластилин;
• 2 сгибающиеся трубочки для напитков;
• ножницы;
• линейка;
• туалетная бумага;
• пищевая сода.

Ход эксперимента:

1. Возьмите контейнер с крышкой и добавьте 1 л дистиллированной воды и 1 ч. л. окиси кальция. Размешайте ложкой.
2. Оставьте раствор на ночь. Получится известковая вода. Подумайте, почему она так называется.
3. Наполните известковой водой блюдо.
4. Возьмите глину и слепите из нее кольцо чуть ниже места сгиба трубочки.
5. Налейте ¼ чашки воды и ¼ чашки уксуса в бутылку из-под воды.
6. Возьмите 1 квадрат туалетной бумаги и насыпьте посередине немного пищевой соды. Сверните его трубочкой и согните концы, чтобы пищевая сода не рассыпалась.
7. Высыпьте пищевую соду из туалетной бумаги в бутылку.
8. Сразу вставьте в нее конец трубочки, убедившись, что он погружен в жидкость. С помощью глины плотно закрепите трубочку внутри горлышка бутылки.
9. Согните второй конец трубочки и погрузите его в блюдо с известковой водой.
10. Понаблюдайте за тем, что происходит. Запишите свои наблюдения.
11. Налейте ¼ чашки известковой воды в другую бутылку из-под воды.
12. Сделайте глиняную пробку вокруг второй трубочки, закрепите трубочку внутри горлышка бутылки.
13. Сделайте глубокий вдох и выдохните через трубочку, чтобы выдыхаемый воздух прошел через известковую воду. Будьте осторожны, не пейте известковую воду!
14. Запишите свои наблюдения.

Вывод:

Когда углекислый газ, CO₂, попадет в известковую воду, она станет мутной. Когда вы будете дышать в известковую воду, она станет мутной. Почему? Химики определяют пищевую соду как бикарбонат натрия. Химическая формула соединения выглядит как NaHCO₃. Уксус представляет собой смесь уксусной кислоты (CH₃COOH) и воды (H₂O). Когда эти два вещества смешиваются, происходит следующая реакция:

NaHCO₃+ HC₂H3O₂→ NaC₂H₃O₂+ H₂O + CO₂

Но, как известно, она происходит в два этапа:

NaHCO₃+ HC₂H₃O₂→ NaC₂H₃O₂+ H₂CO₃,

где образуется угольная кислота, и, наконец:

H₂CO₃→ H₂O + CO₂,

где угольная кислота распадается на воду и CO₂. CO₂ затем поднимается через трубочку в известковую воду.

Известковая вода – это гидроксид кальция или Ca(OH)₂. Известь реагирует в воде с CO₂, образуя карбонат кальция, вещество белого цвета нерастворимое в воде, поэтому вода становится мутной.

Точно так же, когда мы выдыхаем, мы выделяем CO₂. Поэтому выдыхание CO₂ через известковую воду вызывает такую же реакцию, хотя, возможно, не такую интенсивную из-за того, что дыхание содержит меньше CO₂.

Проект «Влияние температуры на плотность газа»

Плотность – это мера веса определенного объема вещества. Когда мы говорим, что плотность гелия меньше, чем воздуха, это значит, что фиксированное количество молекул гелия в определенном объеме весит меньше, чем такое же количество молекул воздуха, занимающих такой же объем.

Изменение плотности газов объясняет, почему движение горячего воздуха происходит вверх, а холодный воздух устремляется заменить его. Это механизм образования ветров. Информация о разнице в плотности газов вследствие изменения температуры важна для работы метеорологов.

Цель этого экспериментов – узнать, как температура влияет на плотность и как, в свою очередь, плотность влияет на поведение газов и их движения. Мы рассмотрим метеорологические последствия и причины того, почему холодный и плотный воздух опускается к земле, а теплый воздух поднимается.

Что нам понадобится:

• 2 надутых шарика с гелием одинакового размера;
• морозильная камера, чей размер достаточен для хранения одного надутого шарика с гелием;
• камера.

Ход эксперимента:

1. Прежде чем начать, сфотографируйте воздушные шарики.
2. Поместите один из них в морозильную камеру. Оставьте второй при комнатной температуре – он будет контрольным.
3. Через 20 минут достаньте шарик из морозилки. Действуя очень быстро, сфотографируйте оба шарика. Вынесите их на улицу или на лестничную площадку с высокими потолками, где вы сможете их выпустить.
4. Выпустите шарики. Какой из двух поднимается быстрее? Почему поведение шариков отличается? Что происходит, когда холодный воздух находится рядом с землей? Что происходит, когда солнце нагревает землю?

Вывод:

Ответьте на вопросы. Что такое плотность? Как можно осуществить измерение плотности газа? Что такое летучесть? Как температура влияет на плотность газа? Как плотность влияет на поведение газа? Почему изменения плотности воздуха влияют на погоду?

Температура охлажденного шарика с гелием меньше, чем шарика, оставленного при комнатной температуре. Поэтому у гелия во втором шарике плотность меньше, а шарик из морозильной камеры сжался из-за высокой плотности газа внутри него.

На летучесть шарика влияет изменение плотности. Так как гелий в охлажденном шарике имеет большую плотность, чем в шарике комнатной температуры, шарик с ним поднимется медленнее, чем шарик комнатной температуры.

Проект «Сколько кислорода в воздухе»

Количество кислорода в воздухе составляет около 21%. Следующий опыт поможет нам выяснить этот процент экспериментальным путем с помощью изучения химической реакции между кислородом и ржавчиной. Сначала мы получим ржавчину, а затем воспользуемся тем фактом, что ржавчина и кислород могут химически взаимодействовать друг с другом, чтобы определить, сколько процентов кислорода содержится в воздухе пробирки.

Что нам понадобится:

• стеклянная банка;
• уксус;
• металлическая кухонная губка без моющего вещества;
• широкая неглубокая миска;
• вода;
• пищевой краситель;
• пластиковые или резиновые перчатки;
• 4 пробирки;
• карандаш;
• перманентный маркер.

Ход эксперимента:

1. Наполните банку одинаковым количеством уксуса и воды.
2. Поместите губку в банку и оставьте на ночь. На металле образуется оксид железа (ржавчина).
3. Наполните миску водой так, чтобы она заполнила ее на высоту около 2,5 см. Добавьте 2 капли пищевого красителя.
4. Наденьте перчатки, вытащите несколько металлических нитей из губки и скатайте их вместе, чтобы получился шарик. Повторите этот процесс еще 2 раза, чтобы получились 3 шарика. Они должны быть немного шире пробирок.
5. С помощью карандаша протолкните один шарик в одну из пробирок до конца, второй разместите на расстоянии ¾ до дна второй пробирки и третий – посередине третьей пробирки.
6. Скатайте из бумаги маленький шарик такого же размера, что и шарики из металла, и протолкните его ко дну четвертой пробирки.
7. Разместите 4 пробирки в ряд в миске с подготовленной водой. Оставьте их на 24 часа.
8. Отметьте уровень воды в каждой пробирке. Есть ли разница? Уровень воды в пробирке с бумагой не должен измениться. Теперь измерьте высоту каждой пробирки, принимая во внимание то, что нижний край металлического шарика соответствует верхнему краю пробирки. Заполните таблицу данными, как показано ниже.

Номер пробирки	Высота воды	Высота пробирки	Процент кислорода в пробирке
1
2
3
4

1. Заполните четвертый столбик таблицы, разделив высоту воды на высоту пробирки. Помните, что движение воды в пробирке обусловлено ее заменой кислорода, прореагировавшего со ржавчиной. Соотношение для 3 пробирок должно быть одинаковым, так как оно равно процентному содержанию кислорода в воздухе, составляющему около 21%.

Вывод:

Ответьте на вопросы. Сколько кислорода содержится в воздухе? Какие газы содержатся? Чем объясняется движение воды в пробирках. Подумайте, какие опыты можно еще провести для измерения количества кислорода.

Проект «Сколько газа в шипучке»

Некоторые напитки выделяют в желудке больше газов, чем другие. Этот эксперимент поможет выяснить с помощью реакции с выделением газа, какие напитки более безопасны.

Что нам понадобится:

• пластиковые бутылки;
• воздушные шарики;
• уксус;
• электрогорелка;
• разные напитки (вода, газированный напиток, сок, молоко);
• измерительные инструменты.

Ход эксперимента:

1. Наполните разные бутылки равным количеством каждого напитка.
2. Добавьте по 2 ч. л. уксуса. Уксус заменит желудочную кислоту.
3. Надуйте и выпустите воздух из воздушных шариков для каждой бутылки. Это их немного растянет, чтобы они легче надувались газом.
4. Наденьте шарики на горлышко каждой бутылки.
5. Поставьте бутылки на теплую горелку.
6. Наблюдайте за воздушными шариками через разные промежутки времени по мере того, как они будут подогреваться.
7. Какие напитки надули воздушные шарики? Какие воздушные шарики надуты больше остальных? Какая взаимосвязь между наполнением каждого шарика газами и количеством газа, выделяемого каждым напитком?

Вывод:

Теперь вам будет несложно ответить на вопросы. Какие напитки выделяют больше всего газа? Как газ, выделяемый напитками, влияет на желудок? Сколько газа выделяется вашими любимыми напитками?

Заключение

Изучение газов важно для многих направлений деятельности человека. Его результаты используются для разработки мер по защите окружающей среды, в исследованиях погоды, для разработки санитарных норм разных производств, для изучения особенностей функционирования растительных и животных организмов. Возможно, предложенные эксперименты станут первым шагом к новым открытиям!