Проект « Единство и борьба противоположностей в развитии теории растворов».

Проект

« Единство и борьба противоположностей в развитии теории растворов».

Выполнил:

Ученик 11 А класса

ГВОУ ЦО СО

Отделения №2

Дюлькеев Артур.

Руководитель проекта:

Гурьянова

Ольга Федоровна,

Учитель химии

Высшей категории

ГВОУ ЦО СО

Отделение №2.

Г.о. Самара, 2016год.

Тип проекта:

реферативно-исследовательский, межпредметный.

Место в учебном процессе:

тема « Растворы. Теория электролитической диссоциации».

Формируемые компетенции:

общеучебные, иформационные, исследовательские ( комплексное сравнение и анализ, классификация полученных результатов, обощение).

Цели работы:

1. изучить основные идеи теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса и гидратной теории растворов Д.И. Менделеева;

2. определить, в чем их основные различия и возможные точки соприкосновения.

Задачи:

1. Изучение и анализ учебной, научно-популярной литературы, материалов в сети «Интернет» по данной теме.

2. Анализ химического эксперимента по данному вопросу.

3. Подготовка презентации.

Содержание

стр

1. Введение 4

2. Основные положения теории Сванте Аррениуса и

Д.И. Менделеева. 4

3. Синтетическая теория растворов как проявление

закона единства и борьбы противоположностей 9

4. Химический эксперимент. 12

5. Выводы. 13 6. Список литературы. 14.

Введение.

Любому школьнику известно имя Д.И. Менделеева. Во всех учебниках для школ и вузов опубликована его знаменитая периодическая таблица химических элементов. Именно она принесла славу нашему великому русскому химику. Но в то же время это не единственный вклад в науку этого ученого. Известны его труды по нефтехимии, очень популярен его учебник «Начала химии». Но не о них пойдет речь в этой работе. В 1887году Сванте Аррениус(лауреат нобелевской премии1903года) сформулировал основные положения теории электролитической диссоциации; рассчитал константу диссоциации воды, а Дмитрий Иванович Менделеев разработал гидратную теорию растворов. И после этого долгие годы два светила химии, Аррениус и Менделеев, вели ожесточенные споры о том, чья же теория верна. Так сложилось, что Сванте Аррениус, живший в Западной Европе, оказался более настойчивым в пропаганде своего учения в научной печати, поэтому большинство химиков мира безоговорочно приняли его сторону. Теория же Менделеева оказалась в тени других открытий этого химика. Таким образом, казалось бы, «правильная теория победила неправильную». Лишь сорок лет спустя, благодаря трудам другого великого русского ученого – химика Н.С. Курнакова, родилась современная синтетическая теория расворов, которая объединила эти противоположные взгляды в единое, стройное учение.

Основные положения Сванте Аррениуса и теории Д.И. Менделеева.

Аррениус Сванте Август(1859-1927) родился в1859г. в Швеции. После окончания университета весной 1882 года Аррениус стал изучать электропроводность разбавленных растворов и в1883г. пришел к выводу, что в растворах молекулы электролитов распадаются на ионы. В 1887г. Аррениус познакомился с работой Вант-Гоффа «Химическое равновесие газов и разбавленных ионных растворов» и пришел к выводу, что степень диссоциации молекул электролитов определенная из электропроводности, совпадает со степенью диссоциации, определенной из данных по повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания растворов. В 1887 году Аррениус предложил теорию электролитической диссоциации. В 1889Аррениус развил теорию активных молекул для объяснения реакций в газах и предложил уравнение, названное его именем. Уравнение Аррениуса позволяет из общего числа столкновений отобрать активные, которые приводят к химической реакции от температуры. В 1903 году Аррениусу была присуждена Нобелевская премия.

Электролитическая диссоциация. Электролиты.

Дождливый день. На остановке троллейбуса люди складывают зонтики и заходят в салон. Вот один из них поставил ногу на ступеньку и тут же отпрянул: « Ой! Током бьет!» Как же ток добрался до пассажира?

Еще на заре изучения электрических явлений ученые заметили, что ток могут проводить не только металлы, но и растворы. Но не всякие. Так, водные растворы поваренной соли и других солей, растворы сильных кислот и щелочей хорошо проводят ток. Растворы уксусной кислоты, углекислого и сернистого газа проводят его намного хуже. А вот растворы спирта, сахара и большинства других органических соединений вовсе не проводят электрический ток. Английский физик Майкл Фарадей еще в тридцатые годы девятнадцатого века, изучая закономерности прохождения электрического через растворы, ввел термины «электролит», «электролиз», « ион», «катион», «анион».

Электролит – вещество, раствор которого проводит электрический ток.

Происходит это в результате движения в растворе заряженных частиц – ионов. Спустя много лет и в другой стране был придуман забавный стишок, позволяющий запомнить заряд ионов:

Для двух ребят подарков груз

Ион взвалил себе на спину:

Для Кати Он несет свой плюс,

Для Ани Он несет свой минус.

Причина появления в растворах заряженных частиц была совершенно непонятной. Само название «электролит»(от греческого - разрушение, растворение) предполагало, что ионы появляются в растворе при пропускании через него электрического тока.

Изучение растворов методами физической химии, например, с помощью измерения осмотического давления и криоскопии показало, что в растворах электролитов число частиц больше, чем дают расчеты, основанные на концентрации растворенного вещества. Получалось, например, что в разбавленных растворах поваренной соли число частиц вдвое больше, чем вычисленное по формуле NaCl, в растворах CaCl₂ – втрое больше ит.д. Это можно было бы объяснить, предположив, что указанные соединения при растворении в воде распадаются на несколько частей – как говорят химики, претерпевают диссоциацию ( от латинского- разъединение, разделение).

Явления диссоциации химикам были известны; например, при нагревании хлорида аммония он возгоняется с одновременной диссоциацией на две молекулы:NH₄ Сl и NH³⁺HCl. Но распад при нагревании было объяснить намного проще: энергия, необходимая для диссоциации, черпается за счет тепловой энергии. А вот откуда берется энергия при растворении соли в воде при комнатной температуре, никто объяснить не мог (температура раствора часто почти не меняется). Более того, при растворении некоторых солей в воде раствор сильно нагревается! Непонятно было также как и на что может распадаться в растворе поваренная соль- ведь не на натрий же и хлор!

В 1887 году шведский химик Сванте Аррениус, исследуя электропроводность водных растворов, высказал предположение, что в таких растворах вещества распадаются на заряженные частицы – ионы, которые могут передвигаться к электродам - отрицательно заряженному катоду и положительно заряженному аноду. Это и есть причина электрического тока в растворах. Данный процесс получил название электролитической диссоциации ( дословный перевод – расщепление, разложение под действием электричества). Такое название также предполагает, что диссоциация происходит под действием электрического тока. Дальнейшие исследования показали, что это не так: ионы являются только переносчиками зарядов в растворе и существуют в нем независимо от того, проходит через раствор ток или нет.

Теория Аррениуса, с одной стороны, объясняла, почему растворы электролитов проводят ток, с другой стороны - объясняла увеличение числа частиц в растворе. Например, в растворе сульфата алюминия Al₂( SO₄)₃ распадается сразу на пять ионов: два катиона алюминия и три сульфат-аниона. За создание теории электролитической диссоциации Аррениус в 1903 году был удостоен Нобелевской премии по химии.

По степени диссоциации на ионы электролиты стали относиться к сильным ( полный распад на ионы) и к слабым( на ионы расщепляется только часть вещества). К сильным электролитам относятся щелочи, многие кислоты ( серная, азотная, соляная), большинство солей. К слабым электролитам относятся уксусная кислота CH₃COOH, азотистая HNO₂, сероводородная H₂S, угольная H₂ CO₃, сернистая H₂SO₃, большинство органических кислот. Воду можно также отнести к слабым электролитам, так как лишь очень небольшая часть ее молекул находится в растворах в виде катионов Н⁺ и анионов ОН^-. Фосфорная кислота Н₃РО₄ –электролит средней силы. Тело человека также содержит растворы электролитов и проводит электрический ток. Прохождение через тело тока силой всего 0,1 ампера может быть смертельным.

Многие ученые- современники Аррениуса - вначале не приняли его теорию. У многих из них в то время еще не было четкого понимания, чем ионы отличаются от нейтральных атомов. Им казалось невероятным, как, например, хлорид натрия в воде может существовать в виде отдельных ионов натрия и хлора: как известно, натрий бурно реагирует с водой, а раствор хлора имеет желто-зеленый цвет и ядовит. В результате диссертация Аррениуса получила ряд отрицательных отзывов. К числу самых непримиримых противников Аррениуса принадлежал и Д.И. Менделеев, создавший химическую теорию растворов, в отличие от физической теории Аррениуса. Менделеев считал, что в растворах происходят, по сути, химические взаимодействия между растворенным веществом и растворителем, тогда как теория Аррениуса представляла растворы как механическую смесь ионов и воды. В 1889 году Менделеев поставил под

сомнение сам факт распада на ионы в растворах электролитов. « Сохраняя все то, что приобретено в отношении к пониманию растворов,- писал Менделеев,- мне кажется, можно оставить в стороне гипотезу об особом виде диссоциации - на ионы, совершающейся с электролитами при образовании слабых растворов».

Хотя Менделеев, критикуя Аррениуса, во многом был не прав, в его рассуждениях была значительная доля истины. Как это часто бывает в науке, в ожесточенном споре между приверженцами физической и химической теории правыми оказались обе стороны. Очень сильное химическое взаимодействие между ионами и молекулами растворителя дет ту энергию, которая необходима для разрушения кристаллической решетки или молекул электролитов .В случае водных растворов эта энергия называется энергией гидратации и она может достигать очень больших значений; так энергия гидратации катионов натрия Na ⁺ почти вдвое больше, чем энергия разрыва связи в молекуле Cl₂.Чтобы разъединить катионы и анионы в кристаллах электролитов, тоже требуется затратить немало энергии ( она называется энергией кристаллической решетки).

В результате: если суммарная энергия гидратации катионов и анионов при образовании раствора больше энергии кристаллической решетки (или энергия связи между атомами в таких электролитах. Как НСl, H₂SO₄, растворение будет сопровождаться нагреванием, а если меньше - охлаждением раствора. Именно поэтому при растворении в воде таких веществ как LiCl, безводный CaCl₂ и многих других раствор нагревается, а при растворении KCl, KNO₃, NH₄NO₃ и некоторых других - охлаждается. Охлаждение может быть таким сильным, что стакан, в котором готовят раствор, покрывается снаружи росой и может даже примерзнуть к мокрой подставке!

Механизм электролитической диссоциации можно рассмотреть на пример хлороводорода. Связь Н-Сl – ковалентная, полярная, молекулы НСl – диполи с отрицательным полюсом на атоме хлора и положительном атоме водорода. Полярны и молекулы воды. В водном растворе молекулы НСl окружены со всех сторон молекул воды так, что положительные полюса молекул Н₂O притягиваются к отрицательным полюсам молекул НСl, а отрицатеольные полюса – к положительным полюсам молекул НСl. В результате связь Н-Сl сильно поляризуется и разрываетсяс образованием гидратированых катионов Н⁺ и анионов Сl⁺: диполи Н₂О как бы растаскивают молекулы НСl на отдельные ионы. Каждый катион Н⁺ в растворе окружен со всех сторон диполями Н₂О, направленными к нему своими отрицательными полюсами. А каждый анион Сl^- окружен противоположно ориентированными диполями Н₂О. Анологичные процессы происходят в воде с молекулами Н₂SO₄, другими молекулами с полярными ковалентными связями, а также с ионными кристаллами. В них уже имеются «готовые» ионы, и роль диполей воды сводится к отделению катионов от анионов.

Ионы резко отличаются по своим физическим и химическим свойствам от нейтральных атомов. Например, Атомы натрия реагируют сводой, а катионы Na⁺ - нет; хлор- сильный окислитель и ядовит, а анионы хлора Cl^- не являются окислителями и не ядовиты. Цвет ионов при гидратации может измениться. Например. Негидратированные ионы меди бесцветны, (безводный CuSO₄), а гидратированные - голубые.

Учитывая диссоциацию в растворах, уравнения многих реакций можно записать в сокращенном ионном виде. Ионное уравнение показывает, какие именно ионы участвуют в реакции. Например, полное уравнение реакции:

AgNO₃ + NaCl = AgCl + NaNO₃

Можно записать в сокращенном ионном виде:

Ag⁺+ Cl^- = AgCl.

Суть реакции состоит в образоввани осадка AgCl при встрече ионов Ag⁺ и Cl^- тогда как ионы Na⁺ и NO₃^- остаются в растворе и фактически не принимают участия в реакции.

Менделеев Дмитрий Иванович (1834-1907).

Выдающийся русский химк. Автор преиодического закона, родился в г. Тобольске, тамже он закончил гимназию. А в 1850 году. Был принят в Петербургский главный педагогический институт на физико-математический факультет. После защиты диссертации Менделеев в 1857 году был назначен приват-доцентом. В 1859 году он уехал в заграничную командировку в Германию на два года. Где работал в Гейдельберге у Бугнзена, принял участие в работе Международного хмимическгого конгресса в Карлсруэ.

После возвращения в Петербург Меделеев вел большую научную и преподавательскую деятельность. В 1865 году защитил докторскую диссертацию, в которой была иложена его гидратная терия растворов и выдвинута идея о возможности существования в растворах соединений переменного состава. В 1867 году Менделеев был назначен профессором химии Петербургского университета. Он стал главой университетских химиков в России и инициатором создания Русского химического общества(1868г.).

В 1868г. Менделеев стал работать над учебником «Основы химии». Он писал, что его цель-« познакомить учащихся с основными данными и выводами химии в в общедоступном научном изложении, указать на значение этих выводов для понимания как природы вещества и явлений вокруг нас совершающихся, так и тех применеий, которые получила химия в сельском хозяйстве, в технике».

В процессе работы над второй частью учебника в феврале 1869г. Менделеев сформулировал Периодический закон и предложил наиболее совершенную форму его воплощения в виде таблицы, которую он назвал» Опыт системы элементов, основанной наих атомном весе и химическом сходстве». В течение двух лет Менделеев работл над развитием и углублением открытого закона и готовил обощающую статью.

« Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». Менделеев предсказал существование экаалюминия ( был открыт в 1875 году французом Лекокомде Буабодраном и назван галлием), экабора ( был открыт в 1879г. шведом Л.Ф. Нильсоном и назван скандием) и экасилиция( был открыт немцем К.А. Винклером и назван германие). К середине 80-х годов XIX в. периодический закон был признан учеными всего мира и вошел в арсенал науки как один из важнейших законов природы. Изучая газы, Менделеев (в1874г.) уточнил уравнеие состояния для идеальных газов (уравнение Менделеева-Клайперона).

В 1887 г. Менделеев высказал гипотезу о происхождении нефти из карбидов тяжелых металлов и предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти, в 1888г. – выдвинул идею о подземной газификации углей, в 1891г.- разработал технологию изготовления нового типа бездымного пороха.

Синтетическая теория растворов как проявление закона единства и борьбюы противоположностей.

Каблуков Иван Алексеевич- химик. Родился в 1857 г., по окончании курса в Московском униветситете в 1880г., был остален при нем для приготовления к профессорскому званию по кафедре химии. В 1881-1882 г.г. был прикомандирован в Петербургский университет для слушания лекций и занятий в лаборатории у профессора А.М. Бутлерова и там открыл новый способполучения оксиметилена («Журнал Русского Физико-химического Общества», 1881г.).

В 1887г. защитил магистерскую диссертацию ив 1889г. был командирован за границу и там работал в лаборатории профессора В. Оствальда по физической химии, причем произвел опытное исследование. В 1891г. Каблуков защитил докторскую диссертацию. С 1896 по 1903год состоял преподавателем химии в Императорском московском иженерном училище, где устроил химическую лабораторию.

В 1899г. Каблуков был назначен адъюнкт-профессором на кафедру химии в Московский сельскохозяйственный институт, в 1902г. избран профессором химии в Московский университет.

Кроме исследований по органической химии и особенно физической химии, помещенных в специальных изданиях, Каблуков напечатал: « Глицерины, или трехатомныеспирты и их производные» (Москва,1887г., магистерская диссертация); « Современные теории растворов(Вант Гоффа и Аррениуса) в связи с учениями о химическом равновесии»(Москва,1891, докторская диссертация); « Основные начала физической химии(выпуски1,2,3,Москва,190-1910г.г.); « Очерки из истории электорохимии за 19век»( Москва,1901), « Основные начала неорганической химии(1-е издание, Москва,1900; 5-е издание,1912);»Конспект лекций по технологии строительных материалов» (Москва,1897); «Конспект лекций по металлургии», (Москва1897); «Пчелиный воск»( вместе с Ип. Антушевичем, Москва,1893); « О виноделии из меда» ( вместе с Вл. Писаревым, Москва 1899); « ИЗ американских впечатлений по пчеловодству» (Москва,1913); « Об утилизации азота воздуха в целях удобрения» ( Москва.1907); «Новейшие теории строения атома» (2-е издание,1908).

При образовании раствора в общем случае происходит изменеине свойств и растворителя и растворенноговещества (растворенных веществ). Это обусловлено тем, что в растворе действуют силы, вызывающие и межмолекулярное взаимодействие (электростатическое, ван-дерваальсоввы силы), ионно-дипольное взаимодействие, проявляющиеся на сравнительно значительных расстояних, и специфическое взаимодействие (донорно-акцепторное, водородная связь), сказывающееся на сравнительно небольших расстояних. Первое является общим для всех веществ; оно связано с совокупностью физических процессов. Второе связано с перестройкой электронных оболочек молекул, атомов и ионов: оно обусловлено химическими изменениями.

Сторонники «физической» теории растворов трактовали образование раствора как суммарный результат молекулярного движения и взаимного сцепления частиц, то есть полагали, что при растворении доминируют физические процнссы смешения сеществ друг с другом. Наоборот, приверженцы «химической» теории подчеркивали преобладающию роль взаимодействиямежду различьными частицами в растворе, полагая, что силы, действующие в растворах, чисто химические, только менее итенсивные. Эти крайние точки зрения дополняют друг друга. Пэтому правильно былолбы не противопоставлять их, объединять их, подчеркивая при этом, что в зависимости от природы компонентов растворов и условий их образования (соотношения между веществами, температура, давление) влияние химических и физических факторов может быть различным. Основу современной теории растворов и составляетсинтез этих точек зрения. Единое представление о растворах было дано Д.И. Менделеевым. Рассматривая растворы как смеси непрочных химических соединений определенного состава, находящихся в состояниичастичной диссоциации, он подчеркивалнеобходимость создания общей теории растворов, способной объяснить с единой точки зрения все наблюдаемые факты.

Совокупность всех процессов, возникающихв результате появления в растворителе растворенноговещества, называся сольватацией. Для частного случаяводных растворов говорят о гидратации. Понятие о сольватации было введено И.А.Каблуковым.(1891).

В результате различных взаимодействий в растворе могут возникнуть соединения переменного состава между частицамирастворенного вещества и растворителя. Такие соединения называются сольватами (для водных растворов – гидратами).

Нельзя понять сложных явлений в растворе дать вернутьего характеристику, не учитывая всех факторов, ак принимая во внимание лишь некоторые из них и тем более один (например, влияние водородной связи), даже если он преобладает. Необходимо учитывать все типы взаимодействия между всеми видами частиц, включая те из них, которые возникли при образовании раствора ( они могут быть связаны не толькос формированием новых частиц, но и с разрушением существоавших в индивидуальных веществах).

Возникновение и распадлюбых агрегатов описываются законом действующих масс, так как в растворе имеет место динамическое равновесие между входящими в него частицами. Это позволяет охарктеризовать раствор как равновесную, однородную систему, которая достигла минимума энергии Гиббса в результате взаимодействия всех ее частиц за счет всех возможных типов взаимодействия между ними. (В твердых однородных системах очень часто создается заторможенное состояние - ложное равновесие). Несмотря на это, их также принято относить к растворам.

По мере повышения концентрации раствора, как правило, усиливается интенсивность взаимодействия между содержащими его частицами и усложняется его структура; наоборот, по мере уменьшения доли растворенного вещесва строение раствора упрщаетс и взаимодействие между частицами ослабевает. Все это делает понятной огромную сложность развития количественной теории концентрированных растворов. До сих пор не удалось полностью выяснить ни состав, ни пространственную конфигурацию продуктов взаимодействия, природу связи вних, взаимодействия между частицами растворенного вещества. Сложность взаимодействия в растворах усугубляется отсутствием математической теории строения жидкостей. Поэтому разработка теории растворов высокой концентрации – дело неблизкого будущего. Гораздо проще обстоит дело с очень разбавленными растворами, количественная теория которых создана уже давно.

Прибавление к жидкости второго вещества в зависмости от природы компонентов раствора может вызвать как стабилизацию ее структуры, так иее частичное (или полное) разрушение. Первый тип взаимодействия обычно связан с образованием растворов псредством внедрения частиц растворенного вещества в пустоты растворителя. Примером может служить атомы благородных газов, входящие при растворении в пустоты воды. В подобных случаях введение молекул растворенноговещества тормозит движение окружающих его молекул ратворителя. Вода вокруг таких частиц становится более связанной. Примером второго типаявляется раствор четыреххлористого углерода в этиловом спирте. Появление молекуССl₄ вызывает диссоциацию ассоциированных комплексов растворителя.

Влияние природы растворителя можно продемонстрировать и на следующем примере. Стремление к упорядочнию в NH₃ (ж) меньше, чем в H₂O(ж). так как в отличие от молекул воды в молекуле аммиака лишь одна неподеленная пара электронов; кроме того, аммиак не может образовать трехмерные агрегаты, да и водородные связи в них слабее, чем в воде.

Химический эксперименты,

подтверждающие основные положения теории

Сванте Аррениуса и Д.И.Менделеева

1.Для подтверждения основных положений теории Менделеева мы совместно с учителем, проанализировали из литературных источников (провести эксперименты у нас нет возможности, т.к. наша школа расположена на территории исправительной колонии) серию экспериментов.

2. Смешивание серной кислоты и воды с выделением тепла.

3.В ходе эксперимента растворяли концентрированную серную кислоту в воде и фиксировали изменение температуры, она выросла на 7 градусов.

4.Смешивание спирта и воды с уменьшением объема раствора.

5.Для эксперимента необходимо взять 5мл этанола и 5 мл воды. После растворения спирта в воде объем раствора составил 9мл.

6.Смешивание безводного медного купороса и воды с изменеием цвета.

7.При растворении безводного сульфата меди происходит изменение цвета, так как образуются гидратированные ионы меди, имеющие голубой цвет.

Выводы.

1. В течение XIX века и первой четверти XX в. происходила серьезная борьба двух теорий растворов Аррениуса и Менделеева( борьба противоположностей).

2. К началу XX века возможности теории Аррениуса исчерпаны, все сегодняшние открытия делаются на основе терии растворов Менделеева.

3. Благодаря работам И.А. Каблукова к 1915 году соперничавшие теории объединились в единую теорию (единство противоположностей).

4. История борьбы и слияние двух теорий в одну единую - это проявление закона единства и борьбы противоположностей.

Список литературы.

1.Кузнецов В.И. Общая химия, М., Высшая школа, 1989г.

2. Реформаторский А.И. неорганическая химия. М., 1970г

3. Штрубе В.А., История химии, М., Просвещение,2004г.

4.Челов М.П. Хмическаятехнология.М.Просвещение,2007г

5. Финкельштейн. Чистота вещества. М.,Просвещение1998г.

6. Фримантл К.У. Химия в действии, М., Мир,2009г.