Страница 106 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

✓ Из чего состоит воздух?

Воздух — это природная смесь газов, которая формирует земную атмосферу. Состав воздуха не является абсолютно постоянным и может незначительно варьироваться в зависимости от географического положения, высоты над уровнем моря и других факторов. Однако, принято рассматривать усредненный состав чистого сухого воздуха у поверхности Земли.

• Азот ($N_2$): составляет около 78,08% по объему. Этот газ относительно инертен, он разбавляет кислород, делая дыхание возможным и замедляя процессы горения и окисления.

• Кислород ($O_2$): занимает примерно 20,95% объема. Кислород необходим для дыхания подавляющего большинства живых организмов и для поддержания горения.

• Аргон (Ar): является третьим по распространенности компонентом, его доля — около 0,93%. Это инертный (благородный) газ.

• Углекислый газ ($CO_2$): его содержание составляет приблизительно 0,04%. Несмотря на малую концентрацию, он играет важнейшую роль в процессе фотосинтеза у растений и является значимым парниковым газом, влияющим на климат Земли.

• Прочие газы: в следовых количествах присутствуют неон (Ne), гелий (He), метан ($CH_4$), криптон (Kr), водород ($H_2$) и ксенон (Xe).

• Водяной пар ($H_2O$): это переменный компонент, содержание которого может колебаться от 0,1% до 4% в зависимости от температуры и влажности. Он играет ключевую роль в формировании погоды.

• Аэрозоли (примеси): в воздухе всегда содержатся взвешенные твердые и жидкие частицы, такие как пыль, сажа, пыльца растений, споры грибов, кристаллы морской соли и промышленные загрязнители. Их количество сильно зависит от местных условий.

Ответ: Воздух — это смесь газов, в которой основную долю (по объему) составляют азот (около 78%) и кислород (около 21%). Примерно 1% приходится на аргон и другие инертные газы. В воздухе также содержится небольшое количество углекислого газа (около 0,04%), а также переменное количество водяного пара и различных твердых и жидких примесей (пыль, сажа, пыльца и т.д.).

✓ Как разделить воздух на отдельные вещества?

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).

✓ Чем воздух по свойствам отличается от чистого кислорода?

Воздух и чистый кислород, несмотря на то, что кислород является составной частью воздуха, значительно отличаются по своим свойствам. Эти различия обусловлены прежде всего их составом.

1. Состав

Основное отличие заключается в том, что воздух — это смесь газов, а кислород — это чистое вещество.

• Воздух представляет собой механическую смесь газов. Его примерный состав у поверхности Земли: азот ($N_2$) — около 78%, кислород ($O_2$) — около 21%, аргон ($Ar$) — около 0,9%, углекислый газ ($CO_2$) — около 0,04%, а также незначительные примеси других газов (неон, гелий, криптон, водород и др.) и водяной пар. Состав воздуха может незначительно меняться в зависимости от места и высоты.

• Чистый кислород — это простое химическое вещество, состоящее только из молекул кислорода ($O_2$).

2. Физические свойства

Различия в составе приводят к различиям в физических свойствах, в первую очередь в плотности и молярной массе.

• Молярная масса и плотность. Средняя молярная масса воздуха составляет примерно $29$ г/моль, в то время как молярная масса кислорода — $32$ г/моль. Из-за этого при одинаковых условиях (температуре и давлении) чистый кислород немного тяжелее и плотнее воздуха.

3. Химические свойства

Это наиболее существенная область различий.

• Реакционная способность. Чистый кислород гораздо более химически активен, чем воздух. Азот, составляющий большую часть воздуха, является малоактивным газом и выступает в роли "разбавителя", замедляя реакции окисления.

• Поддержание горения. Воздух поддерживает горение, так как содержит кислород. Однако в чистом кислороде процессы горения происходят намного интенсивнее, ярче и при более высокой температуре. Вещества, которые в воздухе горят медленно или просто тлеют (например, древесная лучинка), в чистом кислороде вспыхивают и сгорают очень быстро. Некоторые вещества, не горящие в воздухе, могут гореть в кислороде.

4. Биологическое действие

• Дыхание. Для дыхания живых организмов необходим кислород, который они получают из воздуха. Концентрация кислорода в воздухе (21%) оптимальна для большинства живых существ на Земле.

• Токсичность. Дыхание чистым кислородом в течение длительного времени, особенно под повышенным давлением, является токсичным для человека и животных. Это может привести к повреждению легочной ткани, центральной нервной системы и другим проблемам со здоровьем (кислородное отравление). Азот в воздухе выполняет важную функцию, разбавляя кислород до безопасной для дыхания концентрации.

Ответ: Воздух отличается от чистого кислорода по следующим ключевым свойствам:
1. Состав: Воздух — это смесь газов (в основном азота и кислорода), а кислород — чистое вещество.
2. Плотность: Воздух легче чистого кислорода.
3. Химическая активность: Чистый кислород значительно активнее, процессы горения в нем протекают гораздо интенсивнее, чем в воздухе.
4. Биологическое действие: Воздух идеален для дыхания, тогда как длительное вдыхание чистого кислорода токсично для организма.

✓ Как в атмосфере появился кислород?

Появление кислорода в атмосфере Земли — это сложный и длительный процесс, который кардинально изменил планету и ход эволюции. Его можно разделить на несколько ключевых этапов.

Первичная атмосфера и первые организмы

Изначально, более 4 миллиардов лет назад, атмосфера Земли была практически лишена свободного кислорода ($O_2$). Она состояла в основном из газов, выделявшихся в результате вулканической активности: водяного пара ($H_2O$), углекислого газа ($CO_2$), метана ($CH_4$), аммиака ($NH_3$) и азота ($N_2$). Такая атмосфера называется восстановительной. Первые живые организмы, появившиеся в таких условиях, были анаэробными, то есть им не требовался кислород для жизни.

Появление оксигенного фотосинтеза

Революционным событием стало появление цианобактерий (также известных как сине-зелёные водоросли) примерно 2,7–3,5 миллиарда лет назад. Эти микроорганизмы первыми в истории планеты развили способность к оксигенному фотосинтезу. В процессе фотосинтеза они использовали энергию солнечного света, чтобы преобразовывать воду и углекислый газ в органические вещества (глюкозу) для своего питания. Побочным продуктом этой реакции был молекулярный кислород.

Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:
$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Великое кислородное событие (Кислородная катастрофа)

Первоначально весь выделяемый цианобактериями кислород не накапливался в атмосфере. Будучи химически активным элементом, он сразу вступал в реакции с другими веществами. В первую очередь, он окислял растворенное в океанах железо, что привело к образованию огромных отложений оксидов железа на дне — так называемых полосчатых железистых руд. Кислород также реагировал с метаном и другими газами в атмосфере.

Примерно 2,4 миллиарда лет назад, когда большинство "поглотителей" кислорода (таких как железо в океанах) были насыщены, кислород начал накапливаться сначала в воде, а затем и в атмосфере. Этот период известен как "Великое кислородное событие" или "Кислородная катастрофа". Для большинства существовавших тогда анаэробных организмов кислород был смертельным ядом, что привело к первому массовому вымиранию в истории Земли.

Формирование современной атмосферы и эволюция жизни

Накопление кислорода в атмосфере открыло путь для эволюции новых форм жизни, способных использовать кислород для дыхания (аэробное дыхание). Этот процесс значительно эффективнее анаэробного, что позволило появиться более сложным, многоклеточным организмам. Кроме того, в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения из молекул кислорода ($O_2$) начал образовываться озон ($O_3$). Сформировавшийся озоновый слой стал защищать поверхность планеты от губительной ультрафиолетовой радиации, что позволило жизни выйти из океана на сушу.

Ответ: Кислород в атмосфере Земли появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов — цианобактерий. Около 2,4 миллиарда лет назад они начали в огромных количествах выделять кислород как побочный продукт фотосинтеза. Изначально кислород расходовался на окисление горных пород и растворенных в океане веществ, но затем, после насыщения этих "поглотителей", он начал накапливаться в атмосфере, что привело к глобальным изменениям климата, биосферы и позволило развиться аэробным формам жизни.