Страница 119 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• На какие две группы принято разделять все элементы?

Все химические элементы принято разделять на две большие группы по их физическим и химическим свойствам: металлы и неметаллы. Эта классификация является одной из фундаментальных в химии и основана на различиях в строении их атомов и, как следствие, в их поведении.

Металлы составляют подавляющее большинство известных элементов. Их характерные физические свойства включают металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, а также пластичность (способность изменять форму без разрушения, то есть ковкость и тягучесть). За исключением ртути, все металлы при нормальных условиях являются твёрдыми веществами. С точки зрения химических свойств, атомы металлов обычно имеют на внешнем электронном слое небольшое число электронов (1-3), которые они легко отдают в химических реакциях, образуя положительно заряженные ионы (катионы). Их оксиды и гидроксиды чаще всего проявляют основные или амфотерные свойства. В Периодической системе Д.И. Менделеева металлы занимают левую и нижнюю части таблицы, а также все побочные подгруппы.

Неметаллы образуют вторую группу элементов. Их свойства во многом противоположны свойствам металлов. Физические свойства неметаллов разнообразны: они не имеют металлического блеска (за некоторыми исключениями, как йод), плохо проводят электрический ток и тепло, а в твёрдом состоянии они хрупкие. При нормальных условиях неметаллы могут быть газами (например, водород, кислород, фтор), жидкостью (бром) или твёрдыми веществами (например, углерод, сера). Химически неметаллы более активны в роли окислителей: их атомы, имеющие на внешнем слое от 4 до 8 электронов, склонны принимать электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы (анионы), или образовывать общие электронные пары (ковалентные связи). Их оксиды, как правило, имеют кислотный характер. В Периодической системе неметаллы расположены в правом верхнем углу (а также водород в левом верхнем).

Граница между этими двумя группами не является абсолютно резкой. Существуют элементы, называемые металлоидами или полуметаллами (например, бор, кремний, мышьяк), которые по одним свойствам похожи на металлы, а по другим — на неметаллы. Тем не менее, фундаментальное деление на две основные группы — металлы и неметаллы — является общепринятым и ключевым для понимания химии.

Ответ: Все элементы принято разделять на две основные группы: металлы и неметаллы.

• Какие способы получения металлов вам известны?

Какие способы получения металлов вам известны?

Все промышленные способы получения металлов из природного сырья (руд) объединяются под общим названием металлургия. В зависимости от характера используемых химических процессов и температурных условий, металлургию принято делить на три основные отрасли: пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

1. Пирометаллургия

Пирометаллургические процессы (от греч. pyr — огонь) основаны на восстановлении металлов из их соединений при высоких температурах. Это самая древняя и распространенная группа методов. В качестве восстановителей используют углерод (кокс, уголь), оксид углерода(II), водород, а также более активные металлы.

• Восстановление углеродом (коксом) и оксидом углерода(II) (карботермия). Этим способом получают металлы средней активности, такие как железо, медь, цинк, свинец, олово. Самый масштабный пример – доменное производство чугуна (сплава железа с углеродом) из железной руды ($Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$).
  Пример: Восстановление железа в доменной печи.
  $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$
  Пример: Получение цинка.
  $ZnO + C \xrightarrow{t^\circ} Zn + CO$

• Восстановление более активными металлами (металлотермия). Этот метод применяют, когда углерод не может восстановить металл или образует с ним нежелательные соединения (карбиды).

  • Алюмотермия (восстановитель — алюминий). Используется для получения марганца, хрома, ванадия, титана и др. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла.
    Пример: Получение хрома.
    $Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^\circ} 2Cr + Al_2O_3$

  • Магниетермия (восстановитель — магний или кальций). Применяется для получения редких и тугоплавких металлов, таких как титан, уран, цирконий.
    Пример: Получение титана из его тетрахлорида.
    $TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} Ti + 2MgCl_2$

• Восстановление водородом. Используется для получения некоторых чистых металлов, в основном тугоплавких (вольфрам, молибден) и некоторых цветных металлов (медь, свинец).
  Пример: Получение вольфрама.
  $WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t^\circ} W + 3H_2O$

2. Гидрометаллургия

Гидрометаллургические процессы (от греч. hydor — вода) основаны на химических реакциях, протекающих в водных растворах. Этот метод позволяет перерабатывать бедные руды и получать металлы высокой чистоты (медь, цинк, золото, серебро, уран). Процесс включает две основные стадии:

1. Выщелачивание: избирательное растворение металла или его соединения из руды с помощью химических реагентов (растворов кислот, щелочей, солей).
   Пример: Выщелачивание оксида меди серной кислотой.
   $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

2. Выделение металла из раствора: из полученного раствора металл извлекают либо вытеснением более активным металлом, либо электролизом.

   • Цементация: вытеснение целевого металла из раствора его соли более активным металлом.
     Пример: Выделение меди из раствора сульфата меди железным порошком.
     $CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu\downarrow$

   • Электролиз раствора (электроэкстракция): осаждение металла на катоде при пропускании через раствор электрического тока.

3. Электрометаллургия

Электрометаллургические процессы основаны на использовании электрической энергии, чаще всего — на электролизе. Этот метод является основным для получения наиболее активных металлов.

• Электролиз расплавов солей или оксидов. Таким способом получают щелочные (Na, K), щелочноземельные (Ca, Mg) металлы, а также алюминий. Эти металлы настолько активны, что их невозможно выделить из водных растворов.
  Пример: Получение натрия электролизом расплава хлорида натрия.
  $2NaCl \xrightarrow{электролиз} 2Na + Cl_2\uparrow$
  Пример: Получение алюминия электролизом раствора оксида алюминия $Al_2O_3$ в расплавленном криолите $Na_3AlF_6$.
  $2Al_2O_3 \xrightarrow{электролиз, \thicksim 950^\circ C} 4Al + 3O_2\uparrow$

• Электролиз водных растворов солей. Применяется для получения металлов, стоящих в ряду активности после алюминия (например, цинка), а также для глубокой очистки (рафинирования) металлов, таких как медь, никель, серебро.

Ответ:

Существуют три основные группы способов получения металлов:

• Пирометаллургия — методы, основанные на высокотемпературном восстановлении металлов из руд. Примеры: получение железа в доменной печи с помощью кокса (карботермия), получение хрома с помощью алюминия (алюмотермия).
• Гидрометаллургия — методы, включающие растворение металла из руды (выщелачивание) и последующее его выделение из раствора. Пример: получение меди путем ее выщелачивания серной кислотой с последующим вытеснением железом (цементация).
• Электрометаллургия — методы, основанные на применении электрического тока, главным образом электролиза. Пример: получение активных металлов (алюминия, натрия) электролизом расплавов их соединений.

• Какие способы получения металлов был изв

Как устроены металлические кристаллы?

Металлические кристаллы представляют собой упорядоченную трехмерную структуру, называемую кристаллической решеткой. Особенность строения металлических кристаллов заключается в том, какие частицы находятся в узлах этой решетки и как они связаны между собой.

Ключевыми компонентами металлического кристалла являются:

1. Положительно заряженные ионы металла (катионы). Атомы металлов, особенно те, что находятся в I-III группах главной подгруппы периодической системы, легко отдают свои валентные электроны. В результате атом превращается в положительно заряженный ион (катион), например, $Na^+$, $Mg^{2+}$, $Al^{3+}$. Эти ионы и располагаются в строго определенных точках пространства — узлах кристаллической решетки.
2. "Электронный газ". Валентные электроны, оторвавшись от своих атомов, не принадлежат больше какому-то одному иону, а становятся общими для всего кристалла. Они свободно и хаотично перемещаются по всему объему металла, образуя так называемый "электронный газ" или "электронное море". Этот газ из свободных электронов ($e^-$) является отрицательно заряженным.

Связь, которая удерживает вместе положительные ионы и свободные электроны в металлическом кристалле, называется металлической связью. Это электростатическое притяжение между совокупностью положительных ионов $Me^{n+}$ и отрицательно заряженным "электронным газом". Электроны, двигаясь между ионами, действуют как цементирующее вещество, не давая одноименно заряженным ионам оттолкнуться друг от друга и разрушить кристалл.

Такое строение определяет характерные физические свойства металлов:

• Электро- и теплопроводность. Наличие свободных, подвижных электронов обеспечивает перенос заряда (электрический ток) и энергии (теплоты) по всему объему кристалла.
• Пластичность (ковкость и тягучесть). При механическом воздействии слои ионов в кристаллической решетке могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи, так как "электронный газ" мгновенно перераспределяется, продолжая удерживать ионы вместе.
• Металлический блеск. Поверхность металла хорошо отражает световые лучи, так как свободные электроны поглощают кванты света и тут же переизлучают их.

В зависимости от металла, его ионы могут упаковываться в решетки разного типа. Наиболее распространены три типа кристаллических решеток:

• Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — характерна для щелочных металлов, хрома, вольфрама.
• Гранецентрированная кубическая (ГЦК) — характерна для алюминия, меди, серебра, золота.
• Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — характерна для магния, цинка, титана.

Ответ: Металлические кристаллы состоят из упорядоченной кристаллической решетки, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы металла. Эти ионы погружены в "море" обобществленных валентных электронов, называемое "электронным газом". Вся структура удерживается вместе за счет электростатического притяжения между положительными ионами и отрицательным "электронным газом", что формирует металлическую связь.

• Что такое полиморфизм?

Слово «полиморфизм» происходит от греческих слов πολύς (поли) — «много» и μορφή (морфе) — «форма». В общем смысле это явление существования чего-либо в нескольких различных формах, состояниях или вариантах. Конкретное значение термина зависит от научной области.

Полиморфизм в биологии

В биологии полиморфизмом называют наличие двух или более четко различающихся форм (морф) особей в одной и той же популяции одного вида. Эти формы сосуществуют в одном месте и в одно время. Для того чтобы явление считалось полиморфизмом, а не просто редкой мутацией, частота встречаемости самой редкой формы должна быть не менее 1-2%. Различия между морфами могут быть внешними (окраска, размер), физиологическими или поведенческими, и они обусловлены генетически.

Примеры полиморфизма в биологии:

• Группы крови у человека: в человеческой популяции одновременно существуют индивиды с группами крови O(I), A(II), B(III) и AB(IV), которые определяются разными аллелями одного гена.
• Половой диморфизм: ярко выраженные различия во внешнем виде между самцами и самками у многих видов животных (например, у павлинов или оленей).
• Индустриальный меланизм у бабочек: классический пример — березовая пяденица, у которой существуют светлая и темная (меланистическая) формы. Частота темной формы резко возросла в промышленных районах Англии из-за загрязнения, так как она стала менее заметна для хищников на темных стволах деревьев.

Ответ: В биологии полиморфизм — это генетически обусловленное разнообразие форм (фенотипов) внутри одной популяции вида, при котором эти формы сосуществуют в устойчивом соотношении.

Полиморфизм в объектно-ориентированном программировании (ООП)

В информатике и программировании полиморфизм является одним из трех столпов объектно-ориентированного программирования (наряду с инкапсуляцией и наследованием). Он означает способность объектов с разным внутренним устройством (принадлежащих к разным классам) отвечать на один и тот же вызов метода. Другими словами, это возможность работать с разными типами данных через единый интерфейс.

Например, есть базовый класс «Животное» с методом издатьЗвук(). Классы-наследники «Собака», «Кошка» и «Корова» могут переопределить этот метод. Тогда при вызове метода издатьЗвук() для объекта «Собака» мы услышим «гав», а для объекта «Кошка» — «мяу». Код, вызывающий метод, при этом остается одинаковым и не зависит от конкретного типа животного. Это делает программу более гибкой и расширяемой.

Основные типы полиморфизма в ООП:

• Полиморфизм подтипов (истинный): основан на наследовании, когда объекты дочерних классов могут использоваться там, где ожидаются объекты родительского класса.
• Ad-hoc полиморфизм (мнимый): реализуется через перегрузку функций и методов, когда в одном классе существует несколько методов с одинаковым именем, но разным набором параметров.

Ответ: В программировании полиморфизм — это свойство системы, позволяющее использовать единый интерфейс для работы с объектами различных классов, которые могут по-разному реализовывать этот интерфейс.

Полиморфизм в химии и материаловедении

В химии, кристаллографии и материаловедении полиморфизм — это способность твердого вещества существовать в двух или более кристаллических структурах. Такие различные структуры называются полиморфными модификациями. Они имеют одинаковый химический состав, но разное строение кристаллической решетки, что приводит к различиям в их физических свойствах, таких как плотность, твердость, температура плавления, растворимость и цвет. Для простых веществ (состоящих из атомов одного элемента) это явление чаще называют аллотропией.

Примеры полиморфизма в химии:

• Углерод (C): его аллотропные модификации — алмаз (очень твердый, с тетраэдрической кристаллической решеткой) и графит (мягкий, со слоистой структурой).
• Карбонат кальция ($CaCO_3$): существует в виде двух разных минералов — кальцита и арагонита, которые отличаются кристаллической структурой.
• Диоксид кремния ($SiO_2$): имеет множество полиморфных модификаций, таких как кварц, кристобалит и тридимит, устойчивых при разных температурах и давлениях.

Ответ: В химии полиморфизм — это способность твердого вещества с одинаковым химическим составом образовывать различные кристаллические структуры.