На чтение: ≈ 18 мин.Идет лабораторная работа по химии в физико-математическом классе. Преподаватели разносят по классу стаканы с чаем, а ученики насыпают в них сахар и пьют. Кое-кто достает булочку, принесенную с завтрака… Это вовсе не грубейшее нарушение техники безопасности, как можно было бы подумать. Ребята просто выполняют работу, которая так и называется – “Чай с сахаром”. Оговоримся: в строгом смысле это не лабораторная, а практическая работа. Смысл ее не в том, чтобы освоить новые технические приемы или получить новое вещество и изучить его свойства. Что нового может быть в размешивании сахара в чае? Отвечаем на свой вопрос: новый, химический взгляд на этот процесс.
Цель работы состоит в том, чтобы выявить в привычном с младенчества, совершенно бытовом объекте и действиях с ним химическую природу и общие химические закономерности, изученные пока лишь теоретически.
Но не лучше и не проще ли взять для иллюстрации этих закономерностей обычные химические вещества, реакции и приборы? Так, зависимость растворимости от температуры удобно изучать на окрашенных веществах: медном купоросе, бихромате калия и т.п. Зависимость скорости реакции от температуры хорошо видна на примере реакции разложения тиосерной кислоты. Осмотическое давление наглядно демонстрируется с помощью U-образной трубки с полупроницаемой мембраной. Конечно, в определенных случаях лучше использовать традиционные методики. Например, когда речь идет об обучении будущих химиков, которые должны уметь работать с химическими приборами и реактивами (так, учащиеся химического класса нашей школы выполняют специальный практикум на базе химического факультета МГУ). Но для большинства учеников химия при таком подходе так и остается чем-то сторонним, не имеющим касательства к жизни. Если они и будут смутно помнить, как меняется растворимость бихромата калия при изменении температуры, то вряд ли смогут применить это знание на практике. “Мухи – отдельно, компот – отдельно”. В роли мух выступает химия. А если вдруг речь заходит о химических взаимодействиях в стакане с компотом, первая реакция: такой компот пить опасно! И уже не втолкуешь, что сахар или, к примеру, лимонная кислота – тоже химические вещества и что при нагревании они претерпевают превращения…
Поэтому вопрос о том, что лучше, спорный и должен решаться в каждом конкретном случае. Но вот вопрос о том, что проще, решается однозначно. Если в вашей школе есть бихромат калия, то вам здорово повезло и учколлектору вашего района можно поставить пять с плюсом. Если у вас есть U-образная трубка с полупроницаемой мембраной, примите наше восхищение и почтение: у школы на базе МГУ такого нет. Не секрет, что снабжение школ приборами и химическими реактивами становится все хуже. А пачку чая можно купить в любом сельском магазине. И сахар нынче, к счастью, не по карточкам. А материал, который позволяет активизировать чашка чая, весьма широк.
Кстати, если выйти за рамки химии, то с помощью этого нехитрого “приборчика” можно проиллюстрировать массу физических явлений: конвекцию, теплопроводность фарфора и металла (потрогайте ручку чашки и находящуюся в чашке ложку), отражение и преломление света и т.д. Ну а если ограничиться материалом, традиционно рассматриваемым химией?
Мы используем два варианта данной практической работы – для 10-го и 11-го классов. В программе 10-го класса – органическая химия, в 11-м классе больше вопросов по физической химии. Вполне возможно составить вопросы, учитывающие программу и возрастные особенности, для учеников 8-го и 9-го классов. Такую практическую работу можно проводить c несколькими классами одновременно, что особенно ценно для сельских школ с малой наполняемостью классов и нехваткой учителей.
Задания для десятиклассников
1. Распределите, кто из вашей группы любит пить холодный чай, а кто – горячий. Одновременно положите одинаковое количество ложек сахара в чай. Один из стаканов (с горячим чаем) отставьте, в остальных стаканах одновременно начните размешивать сахар. В каком чае сахар растворяется быстрее – в холодном или горячем? Почему? Когда растворение происходит быстрее – при перемешивании или без него? Почему?
Комментарий. Группа, выполняющая работу, состоит из трех-четырех человек. Конечно, каждому полагается индивидуальный стакан с чаем. Группы составляются так, чтобы в одной оказались те, кто пьет чай с одним и тем же количеством сахара (например, любители класть три ложки попадают в одну группу, а кому достаточно одной ложки – в другую; не заставлять же их давиться переслащенным чаем вместе с первыми!). Это нужно для “стандартизации” условий опыта. Ответы на вопросы ученики записывают в тетрадь.
2. Изобразите молекулярную и структурную формулы сахарозы. Чем объясняется хорошая растворимость сахара в воде? Нарисуйте (схематично), как молекулы сахарозы взаимодействуют с водой. Здесь ожидается ответ о высокой полярности гидроксильных групп и об образовании водородных связей между гидроксилами сахарозы и молекулами воды.
3. Чем может объясняться сладкий вкус сахара? На предыдущем уроке при объяснении свойств углеводов рассуждаем о многообразии сахаров и вспоминаем о многоатомных спиртах (например, о глицерине): присутствие рядом нескольких гидроксильных групп обусловливает сладкий вкус вещества. По-видимому, это и есть характерная “активная группа”, воздействующая на вкусовые рецепторы. Однако из этого не следует, что все сладкие вещества – многоатомные спирты, влиять на рецепторы сходным образом могут и вещества другого строения.
4. Какие химические превращения могут происходить в горячем чае с сахаром? Напишите уравнения реакций. Здесь имеется в виду частичный гидролиз сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы и равновесие между циклической и линейной формами этих моносахаридов.
5. Как ускорить эти превращения? Вопрос открытый: принимаются любые верные ответы. Для ускорения гидролиза можно предложить добавить ионы Н+ (тут вспоминают о лимоне и лимонной кислоте), увеличить температуру (класть сахар не в холодный чай, а в горячий). На полном серьезе принимается и ответ “плюнуть в стакан”: в слюне содержатся расщепляющие ферменты.
6. Примерная масса одной чайной ложки сахара – 10 г. Сколько калорий вы употребили, выпив чай, если калорийность 100 г сахара равна 374 ккал? (Считайте, что “заварка” калорий не содержит). Конечно, 10 г – весьма условная масса: чайные ложки бывают разные, да и насыпать можно “с горкой” и “по кромке”. Это, скажем так, усредненная кондитерская величина. Если имеется достаточное количество весов и (что еще важнее) если их состояние позволяет отвешивать пищевые продукты, можно дать задание определить точную массу сахара, положенного в чай.
7. На уроке вы расходуете около 120 ккал. Хватит ли вам выпитого чая, чтобы компенсировать расход энергии? Какой практический вывод можно из этого сделать? Будьте внимательны: ответы различаются в зависимости от того, сколько сахара потреблено. Одна-две ложки не компенсируют расхода энергии, и практические выводы следуют очень эмоциональные: “Надо пить не один стакан, а много!”, “К чаю надо выдавать тортик!”. Встречаются и очень практичные ученики: “Правильно, надо худеть”. Три ложки сахара – это почти то, что надо. Выводы удовлетворительные: “Надо почаще пить чай на уроках, тогда мы не будем так от них уставать”, “Побольше таких лабораторных работ!” и даже “Давайте проведем практическую работу “Гуляш с гречкой”!” – хорошо еще, что не “Спирт с колбасой”.
1. Распределите, кто из вашей группы любит пить холодный чай, а кто – горячий. Одновременно положите одинаковое количество ложек сахара в чай. Один из стаканов (с горячим чаем) отставьте, в остальных стаканах одновременно начните размешивать сахар. В каком чае сахар растворяется быстрее – в холодном или горячем? Почему? Когда растворение происходит быстрее – при перемешивании или без него? Почему? Сравните с зависимостью скорости химической реакции от температуры и перемешивания. Является ли растворение твердого вещества гомогенным или гетерогенным процессом? Какой из упомянутых факторов особенно влияет на скорость гетерогенного процесса?
При разборе этой работы можно поговорить о том, что химические реакции – это лишь часть процессов, происходящих в природе и технике, но природа-то одна, и закономерности общие… Можно также вспомнить, что при растворении сахара происходит и химическое взаимодействие с образованием водородных связей.
2. Формула сахарозы С12Н14О3(ОН)8. Чем объясняется хорошая растворимость сахара в воде? Нарисуйте (схематично), как молекулы сахарозы взаимодействуют с водой. Если у десятиклассников, которые находятся “в разгаре” изучения органической химии, мы спрашиваем формулу сахарозы, то одиннадцатиклассникам приходится ее напоминать.
3. Примерная масса одной чайной ложки сахара 10 г. Примерный объем стакана – 200 мл. Запишите, сколько ложек сахара вы положили в стакан, и рассчитайте процентную и молярную концентрации раствора. Одна чайная ложка дает молярную концентрацию сахарозы 0,15 М, или процентную – 4,8%.
4. При какой температуре будет кипеть ваш чай (танином и другими веществами из “заварки” пренебречь)? А замерзать? (Криоскопическая константа воды 1,86; эбулиоскопическая константа 0,52). При решении этой задачи возникает или укрепляется (у кого как) понимание, что сахар в чае – это частный случай растворенного вещества в растворе. Добавление сахара к воде будет так же понижать температуру замерзания, как добавление распространенного антифриза – этиленгликоля. Полезно также сравнить реальные масштабы изменения температур кипения и замерзания: так, если повышение температуры кипения практически незаметно, то понижение температуры замерзания составляет около 0,30 при растворении всего одной ложки сахара. Можно отметить, что, хотя абсолютные масштабы изменений могут быть разными в зависимости от количества растворенного вещества, соотношение их характерно для воды при любом растворенном веществе, и обратить внимание на значения констант. Решая задачу, ученики переходят к мольной доле – новому выражению концентрации раствора.
5. Какое осмотическое давление создает ваш чай за счет растворенного сахара? Чтобы рассчитать осмотическое давление, нужно измерить температуру чая (требуются термометры) или, если термометров нет, оценить ее органолептически. При 300 К одна чайная ложка сахара обеспечивает осмотическое давление 3,75 атм. При расчете надо обратить внимание на размерности величин: концентрация вещества берется в моль/л, но привычное для школьников значение R = 8,31 относится к м3 (система СИ), значит, нужно привести размерности в одну систему.
6. Среднее осмотическое давление крови при 300 К составляет 7,7 атм. Что произойдет с красным кровяным тельцем, если бросить его в остывший чай?
Это, конечно, не руководство к действию, а описание мысленного эксперимента. Тем не менее практика показывает, что хотя бы один человек на класс спрашивает: “А где взять кровяное тельце?” Бурное оживление, смех и т.п. Со всех сторон дают советы: от “проколоть палец” до “по горлышку”… Что ж, смех продлевает жизнь. Откуда взялся такой странный вопрос? На уроке, посвященном осмосу, мы беседуем о тяжелобольном, которому для поддержания сил необходим раствор глюкозы, а для восполнения недостатка жидкости – физиологический раствор NaCl. Подробно разбираем, почему растворы должны быть строго определенной концентрации (глюкозы 0,31 М, хлорида натрия 0,155 М). Если внутривенно вливать слишком концентрированный раствор, то его осмотическое давление будет превышать осмотическое давление крови, и кровяные тельца съеживаются (этот процесс называется кренацией). Если же вливать разбавленный раствор или тем более дистиллированную воду, то тельца разбухают и лопаются (гемолиз). Обсуждаем и различие необходимых концентраций глюкозы и соли (1 моль хлорида натрия дает в растворе 2 моля частиц – ионов, поэтому его концентрация должна быть в 2 раза меньше). Такая привязка к жизни позволяет понять, что осмос – не специфическое “лабораторное” явление, а необходимый физиологический процесс, без которого, в полном смысле слова, никуда.
7. Сколько калорий вы получили, выпив чай, если калорийность 100 г сахара равна 374 ккал? (Считайте, что “заварка” калорий не содержит). Сравните с энергетическим эффектом образования водородной связи в воде (25 кДж/моль). Сколько водородных связей может разорваться в вашем организме за счет поглощенной вами энергии?
Для ответа на новые по сравнению с 10-м классом вопросы придется перевести калории в джоули. Число калорий предстает здесь не как количественный показатель похудения или наоборот, а сравнивается с затратами на реальный химический процесс, протекающий в организме. Можно поговорить о значении водородных связей для живых организмов, о том, что разрывать их вовсе не всегда вредно, а порой необходимо (например, во время репликации ДНК водородные связи между нуклеотидами комплементарных цепей должны быть разорваны). При расчете числа разрывающихся связей надо обратить внимание, что 25 кДж требуется для разрыва не одной связи, а 6*1023.
Наталья МОРОЗОВА,
ассистент СУНЦ МГУ
Москва
Выбор читателей
Комментарии