✔ вопрос (2), страница 106 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Глава 3. Вещества вокруг нас. §17. Воздух и кислород. Вопросы перед параграфом - страница 106.

Условие.

✓ Как разделить воздух на отдельные вещества?

Решение.

Решение 2.

Из чего состоит воздух?

Воздух, которым мы дышим, представляет собой не однородное вещество, а механическую смесь различных газов. Состав сухого и чистого воздуха у поверхности Земли относительно постоянен. Основные компоненты воздуха по объёму:

• Азот ($N_2$) — около 78,08%. Это самый распространенный газ в атмосфере. Он инертен и играет важную роль в разбавлении кислорода, делая его пригодным для дыхания.
• Кислород ($O_2$) — около 20,95%. Этот газ необходим для дыхания живых организмов и для процессов горения.
• Аргон ($Ar$) — около 0,93%. Это инертный (благородный) газ, третий по распространенности в атмосфере.

Помимо этих основных газов, в воздухе содержатся и другие вещества в значительно меньших количествах (около 0,04% в сумме):

• Углекислый газ ($CO_2$) — примерно 0,04%. Его концентрация может варьироваться и в последнее время растёт из-за деятельности человека. Он важен для фотосинтеза растений.
• Неон ($Ne$), гелий ($He$), метан ($CH_4$), криптон ($Kr$), водород ($H_2$) и другие газы в следовых количествах.

Кроме того, в воздухе всегда присутствует переменное количество водяного пара ($H_2O$), концентрация которого зависит от температуры и влажности (от 0,2% до 4%). Также в воздухе могут содержаться различные твёрдые и жидкие примеси (аэрозоли): пыль, пыльца, споры, сажа, промышленные выбросы и другие загрязнители.

Ответ: Воздух — это смесь газов, состоящая преимущественно из азота (около 78%), кислорода (около 21%) и аргона (около 0,9%), а также небольшого количества углекислого газа, других инертных газов, водяного пара и различных примесей.

Как разделить воздух на отдельные вещества?

Основным промышленным методом разделения воздуха на составляющие его газы (азот, кислород, аргон) является криогенная ректификация, или фракционная перегонка сжиженного воздуха. Этот метод основан на различии температур кипения компонентов воздуха. Процесс включает несколько этапов:

1. Очистка и сжатие. Воздух из атмосферы сначала фильтруется для удаления пыли и других твёрдых частиц. Затем его сжимают компрессорами под высоким давлением, в результате чего он нагревается.
2. Предварительное охлаждение и осушение. Сжатый воздух охлаждают в теплообменниках. Из него удаляют водяной пар и углекислый газ, так как при последующем сильном охлаждении они превратятся в твёрдое состояние (лёд и сухой лёд) и могут засорить тонкие каналы оборудования.
3. Сжижение. Очищенный и сжатый воздух подвергается глубокому охлаждению (до температур ниже -190 °C) в основных теплообменниках и турбодетандерах. В турбодетандере газ резко расширяется, совершая работу, что приводит к его сильному охлаждению (эффект Джоуля-Томсона). В результате воздух переходит в жидкое состояние.
4. Фракционная перегонка (ректификация). Жидкий воздух подается в ректификационную колонну. Это высокая вертикальная конструкция с множеством контактных устройств (тарелок) внутри. В колонне поддерживается градиент температур: внизу теплее, наверху холоднее. Поскольку компоненты жидкого воздуха имеют разные температуры кипения, происходит их разделение:
   • Азот, имеющий самую низкую температуру кипения (-195,8 °C), испаряется в первую очередь. Его пары поднимаются в верхнюю часть колонны, где отводятся в газообразном или сжиженном виде.
   • Кислород, с самой высокой температурой кипения (-183,0 °C), остаётся в жидком состоянии дольше и стекает в нижнюю часть колонны (куб колонны), где и собирается в виде жидкости.
   • Аргон, с температурой кипения (-185,9 °C), промежуточной между азотом и кислородом, концентрируется в средней части колонны, откуда его можно отобрать для дальнейшей очистки.

Данный метод позволяет получать газы очень высокой чистоты (до 99,999%) и в больших промышленных объёмах.

Ответ: Воздух разделяют на отдельные вещества методом криогенной ректификации. Для этого его сначала очищают, сжимают и охлаждают до жидкого состояния, а затем разделяют в ректификационной колонне, используя разницу в температурах кипения его компонентов (азота, кислорода, аргона).