Интересные и полезные химические явления в природе

Ручаюсь, вы не раз замечали что-нибудь вроде того, как мамино серебряное кольцо со временем темнеет. Или как ржавеет гвоздь. Или как сгорают до золы деревянные поленья. Ну ладно, если мама не любит серебро, а в походы вы не никогда не ходили, уж как заваривается чайный пакетик в чашке видели точно.

Что общего у всех этих примеров? А то, что все они относятся к химическим явлениям.

Химическое явление происходит тогда, когда одни вещества превращаются в другие: у новых веществ другой состав и новые свойства. Если припомнить еще и физику, то запомните, что химические явления происходят на молекулярном и атомарном уровне, но не затрагивают состав ядер атомов.

С точки же зрения химии это не что иное, как химическая реакция. А для каждой химической реакции обязательно возможно выделить характерные признаки:

• в ходе реакции может выпасть осадок;
• может измениться цвет вещества;
• следствием протекания реакции может стать выделение газа;
• может быть выделена либо поглощена теплота;
• также реакция может сопровождаться выделением света.

Мы дальше рассмотрим примеры различных химических явлений, так что этот момент станет понятнее.

Также давно определен список необходимых для протекания химической реакции условий:

• контакт: чтобы реагировать, вещества должны соприкасаться.
• измельчение: для успешного протекания реакции, вступающие в нее вещества должны быть как можно мельче измельчены, идеальный вариант – растворены;
• температура: очень многие реакции напрямую зависят от температуры веществ (чаще всего их требуется нагреть, но некоторые наоборот – охладить до определенной температуры).

Записывая буквами и цифрами уравнение химической реакции, вы тем самым описываете суть химического явления. А закон сохранения массы – одно и самых главных правил при составлении таких описаний.

Химические явления в природе

Вы, конечно, понимаете, что химия происходит не только в пробирках в школьной лаборатории. Самые впечатляющие химические явления вы можете наблюдать в природе. И значение их так велико, что не было бы никакой жизни на земле, если бы не некоторые из природных химических явлений.

Итак, первым делом поговорим про фотосинтез. Это процесс, во время которого растения поглощают углекислый газ из атмосферы и под воздействием солнечного света вырабатывают кислород. Этим кислородом мы и дышим.

Вообще фотосинтез протекает в две фазы, и освещение нужно только для одной. Ученые проводили различные опыты и выяснили, что фотосинтез протекает даже при слабом освещении. Но с увеличением количества света процесс значительно ускоряется. Также было замечено, что если одновременно увеличивать освещенность растения и повышать температуру, скорость фотосинтеза увеличивается еще больше. Происходит это до известного предела, по достижении которого дальнейшее увеличение освещенности перестает ускорять фотосинтез.

В процессе фотосинтеза задействованы фотоны, которые излучает солнце, и специальные пигментные молекулы растений – хлорофилл. В клетках растений он содержится в хлоропластах, именно благодаря которым листья зеленые.

С точки зрения химии при фотосинтезе происходит цепочка преобразований, результатом которой является кислород, вода и углеводы в качестве запаса энергии.

Первоначально считалось, что кислород образуется в результате расщепления углекислого газа. Однако позже Корнелиус Ван Ниль выяснил, что кислород образуется в результате фотолиза воды. Позднейшие исследования подтвердили эту гипотезу.

Описать суть фотосинтеза можно с помощью вот такого уравнения: 6СО2 + 12Н2О + свет = С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О.

Дыхание, наше с вами в том числе, – это тоже химическое явление. Мы вдыхаем выработанный растениями кислород, а выдыхаем углекислый газ.

Но не только углекислый газ образуется в результате дыхания. Главное в этом процессе то, что благодаря дыханию выделяется большое количество энергии, и этот способ ее получения очень эффективен.

Кроме того, промежуточным итогом разных этапов дыхания является большое число различных соединений. А те в свою очередь служат основой для синтеза аминокислот, белков, витаминов, жиров и жирных кислот.

Процесс дыхания сложный и разбит на несколько этапов. На каждом из которых в ход идет большое количество ферментов, выполняющих роль катализаторов. Схема химических реакций дыхания практически одинаковая у животных, растений и даже бактерий.

С точки зрения химии дыхание – это процесс окисления углеводов (как вариант: белков, жиров) с помощью кислорода, в результате реакции получаются вода, углекислый газ и энергия, которую клетки запасают в АТФ: С6Н12О6 + 6О2 = СО2 + 6Н2О + 2,87 * 106 Дж.

Кстати, мы говорили выше, что химические реакции могут сопровождаться излучением света. В случае с дыханием и сопутствующими ему химическими реакциями это тоже верно. Светиться (люминесцировать) могут некоторые микроорганизмы. Хотя при этом энергетическая эффективность дыхания снижается.

Горение тоже происходит при участии кислорода. В результате древесина (и другое твердое топливо) превращается в золу, а это вещество с совершенно другим составом и свойствами. Кроме того, в процессе горения выделяется большое количество теплоты и света, а также газа.

Горят, конечно, не только твердые вещества, просто с их помощью было удобнее привести пример в данном случае.

С химической точки зрения горение – это окислительная реакция, которая протекает с очень большой скоростью. А при очень-очень высокой скорости реакции может произойти взрыв.

Схематически реакцию можно записать так: вещество + О2 → оксиды + энергия.

Как природное химическое явление рассматриваем мы и гниение.

По сути, это тот же процесс, что и горение, только протекает он гораздо медленней. Гниение представляет собой взаимодействие сложных азотосодержащих веществ с кислородом при участии микроорганизмов. Наличие влаги является одним из факторов, способствующих возникновению гниения.

В результате химических реакций из белка образуется аммиак, жирные летучие кислоты, углекислота, оксикислоты, спирты, амины, скатол, индол, сероводород, меркаптаны. Часть из образованных в результате гниения азотосодержащих соединений ядовито.

Если снова обратимся к нашему списку признаков химической реакции, то многие из них обнаружим и в этом случае. В частности, имеется исходное вещество, реагент, продукты реакции. Из характерных признаков отметим выделение теплоты, газов (сильнопахнущих), изменение цвета.

Для круговорота веществ в природе гниение имеет очень большое значение: позволяет перерабатывать белки погибших организмов в соединения, пригодные к усвоению растениями. И круг начинается сначала.

Уверена, вы замечали, как летом легко дышится после грозы. И воздух тоже становится особенно свежим и приобретает характерный запах. Каждый раз после летней грозы вы можете наблюдать еще одно распространенное в природе химическое явление – образование озона.

Озон (О3) в чистом виде представляет собой газ синего цвета. В природе наибольшая концентрация озона – в верхних слоях атмосферы. Там он выполняет роль щита нашей планеты. Который защищает ее от солнечной радиации из космоса и не дает Земле остывать, поскольку поглощает и ее инфракрасное излучение.

В природе озон в большинстве своем образуется благодаря облучению воздуха ультрафиолетовыми лучами Солнца (3О2 + УФ свет → 2О3). А также при электрических разрядах молний во время грозы.

В грозу под воздействием молний часть молекул кислорода распадается на атомы, молекулярный и атомарный кислород соединяются, и образуется О3.

Вот почему мы ощущаем особую свежесть после грозы, нам легче дышится, воздух кажется более прозрачным. Дело в том, что озон гораздо более сильный окислитель, чем кислород. И в небольшой концентрации (как после грозы) безопасен. И даже полезен, поскольку разлагает вредные вещества в воздухе. По сути, дезинфицирует его.

Однако в больших дозах озон очень опасен для людей, животных и даже растений, для них он ядовит.

Кстати, дезинфицирующие свойства полученного лабораторным путем озона широко используются для озонирования воды, предохранения продуктов от порчи, в медицине и косметологии.

Разумеется, это далеко не полный список удивительных химических явлений в природе, которые делают жизнь на планете такой разнообразной и прекрасной. Вы сможете узнать о них больше, если будете внимательно смотреть по сторонам и держать уши открытыми. Вокруг полно удивительных явлений, которые только и ждут, чтобы вы ими заинтересовались.

Химические явления в быту

К ним относятся те, что можно наблюдать в повседневной жизни современного человека. Некоторые из них совсем простые и очевидные, любой может наблюдать их на своей кухне: например, заваривание чая. Нагретые кипятком чаинки меняют свои свойства, в результате меняется и состав воды: она приобретает другой цвет, вкус и свойства. То есть получается новое вещество.

Если в этот же чай насыпать сахар, в результате химической реакции получится раствор, который снова будет обладать набором новых характеристик. В первую очередь, новым, сладким, вкусом.

На примере крепкой (концентрированной) чайной заварки можете самостоятельно провести и еще один опыт: осветлить чай при помощи дольки лимона. Из-за кислот, содержащихся в лимонном соке, жидкость еще раз изменит свой состав.

Какие еще явления вы можете наблюдать в быту? Например, к химическим явлениям относится процесс сгорания топлива в двигателе.

Если упростить, реакцию сгорания топлива в двигателе можно описать так: кислород + топливо = вода + углекислый газ.

Вообще в камере двигателя внутреннего сгорания происходит несколько реакций, в которых задействованы топливо (углеводороды), воздух и искра зажигания. А точнее, не просто топливо – топливно-воздушная смесь из углеводородов, кислорода, азота. Перед зажиганием смесь сжимается и нагревается.

Сгорание смеси происходит в доли секунды, в итоге связь между атомами водорода и углерода разрушается. Благодаря этому высвобождается большое количество энергии, которая приводит в движение поршень, а тот – коленчатый вал.

В дальнейшем атомы водорода и углерода соединяются с атомами кислорода, образуется вода и углекислый газ.

В идеале реакция полного сгорания топлива должна выглядеть так: CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 = nCO2 + (n+1)H2O. В реальности же двигатели внутреннего сгорания не настолько эффективны. Предположим, если кислорода при реакции не хватает незначительно, в результате реакции образуется СО. А при большей нехватке кислорода образуется сажа (С).

Образование налета на металлах в результате окисления (ржавчина на железе, патина на меди, потемнение серебра) – тоже из категории бытовых химических явлений.

Возьмем железо для примера. Ржавление (окисление) происходит под воздействием влаги (влажность воздуха, прямой контакт с водой). Результатом этого процесса становится гидроксид железа Fe2O3 (точнее, Fe2O3 * H2O). Вы можете увидеть его в виде рыхлого, шероховатого, оранжевого или красно- коричневого налета на поверхности металлических изделий.

Другим примером может послужить зеленый налет (патина) на поверхности изделий из меди и бронзы. Он образуется со временем под воздействием атмосферного кислорода и влажности: 2Cu + O2 + H2O + CO2 = Cu2CO5H2 (или CuCO3 * Cu(OH)2). Полученный в итоге основной карбонат меди встречается и в природе – в виде минерала малахита.

И еще один пример медленной окислительной реакции металла в бытовых условиях – это образование темного налета сульфида серебра Ag2S на поверхности серебряных изделий: украшений, столовых приборов и т.п.

«Ответственность» за его возникновение несут частички серы, которые в виде сероводорода присутствуют в воздухе, которым мы с вами дышим. Потемнеть серебро может и при контакте с серосодержащими пищевыми продуктами (яйцами, например). Реакция же выглядит так: 4Ag + 2H2S + O2 = 2Ag2S + 2H2O.

Вернемся на кухню. Здесь можно рассмотреть еще несколько любопытных химических явлений: образование накипи в чайнике одно из них.

В бытовых условиях нет химически чистой воды, в ней всегда в различной концентрации растворены соли металлов и другие вещества. Если вода насыщена солями кальция и магния (гидрокарбонатами), ее называют жесткой. Чем выше концентрация солей, тем более жесткой является вода.

Когда такая вода нагревается, эти соли подвергаются разложению на углекислый газ и нерастворимый осадок (СаСО3 и MgСО3). Эти твердые отложения вы и можете наблюдать, заглянув в чайник (а также взглянув на нагревательные элементы стиральных и посудомоечных машинок, утюгов).

Кроме кальция и магния (из которых получается карбонатная накипь), в воде также часто присутствует железо. В ходе химических реакций гидролиза и окисления из него образуются гидроксиды.

Кстати, собравшись избавиться от накипи в чайнике, вы можете наблюдать еще один пример занимательной химии в быту: с отложениями хорошо справляются обычный столовый уксус и лимонная кислота. Чайник с раствором уксуса/лимонной кислоты и воды кипятят, после чего накипь исчезает.

А без другого химического явления не было бы вкусных маминых пирогов и булочек: речь о гашении соды уксусом.

Когда мама гасит соду в ложке уксусом, происходит вот такая реакция: NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + H2O + CO2. Полученный в ее результате углекислый газ стремится покинуть тесто – и тем самым изменяет его структуру, делает пористым и рыхлым.

Кстати, можете рассказать маме, что гасить соду вовсе не обязательно – она и так прореагирует, когда тесто попадет в духовку. Реакция, правда, будет проходить немного хуже, чем при гашении соды. Но при температуре от 60 градусов (а лучше 200) происходит разложение соды на карбонат натрия, воду и все тот же углекислый газ. Правда, вкус готовых пирогов и булочек может оказаться хуже.

Список бытовых химических явлений не менее впечатляющий, чем список таких явлений в природе. Благодаря им у нас есть дороги (изготовление асфальта – это химические явление), дома (обжиг кирпича), красивые ткани для одежды (окрашивание). Если задуматься об этом, становится отчетливо ясно, насколько многогранная и интересная наука химия. И сколько пользы можно извлечь из понимания ее законов.

Интересные химические явления

Среди многих и многих придуманных природой и человеком явлений есть особенные, которые сложно описать и объяснить. К ним относится и горение воды. Как такое, может быть, спросите вы, ведь вода не горит, ею тушат огонь? Как она может гореть? А дело вот в чем.

Горение воды – это химическое явление, при котором в воде с примесью солей под воздействием радиоволн разрываются кислородно-водородные связи. В результате образуется кислород и водород. И горит, конечно, не сама вода, а именно водород.

При этом он достигает очень высокой температуры горения (больше полутора тысяч градусов), плюс в ходе реакции снова образуется вода.

Это явление давно интересует ученых, мечтающих научиться использовать воду в качестве топлива. Например, для автомобилей. Пока это нечто из области фантастики, но кто знает, что ученые сумеют изобрести совсем скоро. Одна из главных загвоздок в том, чтобы при горении воды энергии выделялось больше, чем затрачивается на проведение реакции.

Кстати, нечто подобное можно наблюдать и в природе. Согласно одной из теорий, большие волны-одиночки, появляющиеся словно бы из ниоткуда, на самом деле являются следствием водородного взрыва. Электролиз воды, который к нему приводит, осуществляется благодаря попаданию электрических разрядов (молний) на поверхность соленой воды морей и океанов.

Но не только в воде, но и на суше можно наблюдать поражающие воображение химические явления. Если бы вам довелось побывать в природной пещере, наверняка вы смогли бы увидеть там причудливые, красивые природные «сосульки», свисающие с потолка – сталактиты. То, как и почему они появляются, объясняется еще одним интересным химическим явлением.

Химик, глядя на сталактит, видит, конечно, не сосульку, а карбонат кальция СаСО3. Основой для его образования служат сточные воды, природный известняк, а сам сталактит выстраивается благодаря осаждению карбоната кальция (рост вниз) и силе сцепления атомов в кристаллической решетке (рост вширь).

К слову, аналогичные образования могут подниматься от пола к потолку – их называют сталагмиты. А если сталактиты и сталагмиты встречаются и срастаются в цельные колонны, они получают название сталагнаты.

Заключение

В мире ежедневно происходит множество удивительных, прекрасных, а также опасных и пугающих химических явлений. Из многих человек научился извлекать пользу: создает строительные материалы, готовит пищу, заставляет транспорт перемещаться на огромные расстояния и многое другое.

Без многих химических явлений не было бы возможным существование жизни на земле: без озонового слоя люди, животные, растения не выжили бы из-за ультрафиолетовых лучей. Без фотосинтеза растений животным и людям нечем было бы дышать, а без химических реакций дыхания этот вопрос вообще не был бы актуальным.

Брожение позволяет готовить продукты питания, а сходное с ним химическое явление гниения разлагает белки на более простые соединения и возвращает те в круговорот веществ в природе.

Образование оксида при нагревании меди, сопровождающееся ярким свечением горение магния, плавление сахара и др. тоже считают химическими явлениями. И находят им полезное применение.

Будет здорово, если в комментариях вы расскажете нам, какие еще химические явления вы могли сами наблюдать в природе или у себя дома. И будет очень хорошо, если расскажете про эту статью своим друзьям – многие из них тоже могут захотеть поделиться своими наблюдениями.

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.