Страница 114 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

3. Сколько миллилитров углекислого газа содержится в одном кубо- метре воздуха?

Для решения этой задачи необходимо знать объемную долю углекислого газа ($CO_2$) в составе воздуха. Это значение может незначительно колебаться в зависимости от места и времени, но для расчетов обычно используют среднее значение, которое на сегодняшний день составляет около 0.04%.

Дано:

Объем воздуха, $V_{\text{воздуха}} = 1 \text{ м}^3$.

Объемная доля $CO_2$ в воздухе, $\phi(CO_2) \approx 0.04\%$.

Найти:

Объем углекислого газа $V(CO_2)$ в миллилитрах (мл).

Решение:

1. Сначала найдем объем, который занимает углекислый газ в данном объеме воздуха. Для этого необходимо умножить общий объем воздуха на объемную долю углекислого газа. Предварительно переведем проценты в десятичную дробь:

$\phi(CO_2) = 0.04\% = \frac{0.04}{100} = 0.0004$

Теперь вычислим объем $CO_2$ в кубических метрах:

$V(CO_2) = V_{\text{воздуха}} \times \phi(CO_2) = 1 \text{ м}^3 \times 0.0004 = 0.0004 \text{ м}^3$.

2. Далее необходимо перевести полученный объем из кубических метров ($м^3$) в миллилитры (мл). Воспользуемся известными соотношениями единиц объема:

$1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ литров (л)}$

$1 \text{ л} = 1000 \text{ миллилитров (мл)}$

Отсюда следует, что в одном кубическом метре содержится миллион миллилитров:

$1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л} \times 1000 \frac{\text{мл}}{\text{л}} = 1,000,000 \text{ мл} = 10^6 \text{ мл}$.

3. Наконец, найдем искомый объем углекислого газа в миллилитрах:

$V(CO_2) = 0.0004 \text{ м}^3 \times 1,000,000 \frac{\text{мл}}{\text{м}^3} = 400 \text{ мл}$.

Ответ: в одном кубометре воздуха содержится примерно 400 мл углекислого газа.

4. Составьте уравнение окисления глюкозы в организме.

Решение

Окисление глюкозы в живых организмах — это сложный многостадийный биохимический процесс, называемый клеточным дыханием. Он является главным источником энергии для жизнедеятельности клеток. Процесс можно суммировать одним общим уравнением, которое показывает исходные вещества (реагенты) и конечные продукты реакции.

В качестве реагентов выступают глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), которая поступает в организм с пищей, и кислород ($O_2$), поступающий в процессе дыхания. В результате их взаимодействия образуются конечные продукты: углекислый газ ($CO_2$), который выводится из организма, вода ($H_2O$) и энергия. Эта энергия запасается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата) и используется клетками для всех жизненных процессов.

Суммарное уравнение полного аэробного (с участием кислорода) окисления глюкозы выглядит следующим образом:

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия (АТФ)}$

Это уравнение сбалансировано: количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения одинаково.

Ответ: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия}$

5. Взаимодействуя с аммиаком, кислород превращает его в азот и воду. Составьте уравнение этой реакции.

Дано:

Реагенты: аммиак ($NH_3$) и кислород ($O_2$).
Продукты: азот ($N_2$) и вода ($H_2O$).

Найти:

Уравнение химической реакции.

Решение:

Для составления уравнения реакции необходимо записать химические формулы исходных веществ (реагентов) в левой части и продуктов реакции в правой части. Затем нужно уравнять количество атомов каждого химического элемента в обеих частях уравнения с помощью стехиометрических коэффициентов.

1. Запишем схему реакции, используя химические формулы веществ, указанных в условии:
$NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

2. Уравняем количество атомов каждого элемента (подберем коэффициенты).

а) В правой части уравнения находятся 2 атома азота (в молекуле $N_2$), а в левой — только 1 (в молекуле $NH_3$). Чтобы уравнять их, поставим коэффициент 2 перед формулой аммиака:
$2NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + H_2O$

б) Теперь в левой части стало $2 \times 3 = 6$ атомов водорода. Чтобы в правой части было такое же количество, поставим коэффициент 3 перед формулой воды ($H_2O$), так как $3 \times 2 = 6$:
$2NH_3 + O_2 \rightarrow N_2 + 3H_2O$

в) Осталось уравнять атомы кислорода. В правой части их $3 \times 1 = 3$. В левой части кислород представлен двухатомной молекулой $O_2$. Чтобы получить 3 атома кислорода слева, необходимо взять $\frac{3}{2}$ молекул кислорода:
$2NH_3 + \frac{3}{2}O_2 \rightarrow N_2 + 3H_2O$

г) В уравнениях химических реакций принято использовать целые коэффициенты. Чтобы избавиться от дробного коэффициента $\frac{3}{2}$, умножим все коэффициенты в уравнении на 2:
$2 \times (2NH_3) + 2 \times (\frac{3}{2}O_2) \rightarrow 2 \times (N_2) + 2 \times (3H_2O)$
В результате получаем итоговое сбалансированное уравнение:
$4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$

3. Проверим правильность расстановки коэффициентов, подсчитав число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения:
- Азот (N): слева $4 \times 1 = 4$; справа $2 \times 2 = 4$.
- Водород (H): слева $4 \times 3 = 12$; справа $6 \times 2 = 12$.
- Кислород (O): слева $3 \times 2 = 6$; справа $6 \times 1 = 6$.
Количество атомов всех элементов одинаково в обеих частях. Уравнение составлено верно.

Ответ: $4NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2N_2 + 6H_2O$

6. Различия в каком свойстве позволяют разделить воздух на азот и кислород?

Разделение воздуха на его основные компоненты, азот и кислород, возможно благодаря различию в их физическом свойстве — температуре кипения. Основным промышленным методом разделения воздуха является фракционная перегонка (ректификация) сжиженного воздуха, которая целиком основана на этом различии.

Процесс разделения включает несколько этапов. Сначала воздух очищают от примесей (пыли, водяного пара, углекислого газа), сжимают и охлаждают до перехода в жидкое агрегатное состояние (примерно до $-200$ °C). Полученный жидкий воздух, представляющий собой смесь в основном жидкого азота и жидкого кислорода, подают в ректификационную колонну.

В колонне жидкость медленно нагревается. У азота и кислорода разные температуры кипения при атмосферном давлении:
- Температура кипения жидкого азота ($N_2$): $T_{кип} \approx -196$ °C.
- Температура кипения жидкого кислорода ($O_2$): $T_{кип} \approx -183$ °C.

Поскольку азот имеет более низкую температуру кипения, он испаряется интенсивнее и в первую очередь. Пары азота поднимаются в верхнюю часть колонны, где их отводят и конденсируют. Кислород, как более высококипящий компонент, дольше остается в жидкой фазе и концентрируется в нижней части колонны. Таким образом, различие в летучести, обусловленное разницей температур кипения, позволяет эффективно разделить компоненты воздуха.

Ответ: Различия в температурах кипения.

7. В каких областях промышленности применяют кислород?

Кислород находит широкое применение в различных отраслях промышленности и других сферах деятельности благодаря своим сильным окислительным свойствам. Основные области его использования:

• Металлургия

  Это крупнейшая отрасль-потребитель технического кислорода. В черной металлургии кислород используется для интенсификации процессов выплавки чугуна и стали. Вдувание кислорода в конвертеры (кислородно-конвертерный процесс) и мартеновские печи позволяет значительно ускорить окисление примесей (углерода, кремния, фосфора), повысить температуру процесса и, как следствие, увеличить производительность агрегатов и улучшить качество стали. В цветной металлургии кислород применяется при производстве никеля, меди, цинка и свинца. Также газопламенная резка и сварка металлов с использованием кислородно-ацетиленового или кислородно-пропанового пламени является неотъемлемой частью металлообработки.

• Химическая промышленность

  Кислород является важнейшим реагентом для производства многих крупнотоннажных химических продуктов. Его используют в качестве окислителя при синтезе:

  • азотной кислоты (каталитическое окисление аммиака);

  • серной кислоты (окисление диоксида серы в триоксид);

  • оксида этилена, винилацетата, акриловой кислоты и других продуктов органического синтеза;

  • синтез-газа методом парциального окисления углеводородов (например, метана).

  Применение чистого кислорода вместо воздуха позволяет интенсифицировать процессы, увеличить выход целевых продуктов и уменьшить размеры оборудования.

• Ракетно-космическая техника

  Жидкий кислород (в криогенном состоянии) — один из самых распространенных и эффективных окислителей для жидкостных ракетных двигателей. В сочетании с горючим, таким как керосин или жидкий водород, он создает мощную тягу для запуска ракет-носителей и космических кораблей.

• Энергетика

  Кислород используется в процессах газификации твердого топлива (угля, торфа) для получения энергетического газа (синтез-газа). Обогащение воздуха кислородом при сжигании топлива на ТЭС позволяет повысить температуру горения, полноту сгорания и снизить образование вредных выбросов (оксидов азота).

• Стекольная промышленность

  Применение кислородного дутья в стекловаренных печах вместо воздушного позволяет значительно поднять температуру факела, что ускоряет процесс варки стекла, улучшает его качество, экономит топливо и снижает выбросы в атмосферу.

• Экология и коммунальное хозяйство

  Кислород применяется для биологической очистки сточных вод, насыщая воду для поддержания жизнедеятельности аэробных бактерий, которые разлагают органические загрязнители. Также из кислорода производят озон ($O_3$), мощный окислитель, используемый для обеззараживания питьевой воды и детоксикации промышленных газовых выбросов.

• Целлюлозно-бумажная промышленность

  Кислород используется в процессе отбелки целлюлозы (кислородно-щелочная делигнификация) как более экологичная альтернатива хлорсодержащим отбеливателям.

Помимо промышленности, кислород широко применяется в медицине (для кислородной терапии, в наркозных аппаратах, в барокамерах), в авиации (в системах жизнеобеспечения на больших высотах), для подводных работ (в составе дыхательных смесей), а также в рыбоводстве (аквакультуре) для обогащения воды в бассейнах.

Ответ:
Кислород применяют в таких отраслях промышленности, как металлургия (производство стали и цветных металлов, сварка и резка), химическая промышленность (синтез кислот, оксидов), ракетно-космическая техника (окислитель ракетного топлива), энергетика (газификация угля), стекольная и целлюлозно-бумажная промышленность. Также он используется в экологии для очистки воды и в медицине для поддержания дыхания.

8. При разложении перекиси водорода $H_2O_2$ образуются кислород $O_2$ и вода $H_2O$. Составьте уравнение этой реакции.

Решение

Согласно условию, перекись водорода ($H_2O_2$) разлагается на кислород ($O_2$) и воду ($H_2O$). Запишем схему этой химической реакции, где реагент (исходное вещество) находится слева, а продукты — справа:

$H_2O_2 \rightarrow H_2O + O_2$

Далее необходимо уравнять число атомов каждого химического элемента в левой и правой частях схемы, чтобы она стала уравнением. Это делается с помощью подбора коэффициентов в соответствии с законом сохранения массы.

1. Подсчитаем количество атомов каждого элемента в начальной схеме:

• Слева: 2 атома водорода (H), 2 атома кислорода (O).
• Справа: 2 атома водорода (H), 3 атома кислорода (O) (1 атом в $H_2O$ и 2 атома в $O_2$).

Число атомов водорода сбалансировано, а кислорода — нет. В правой части нечетное число атомов кислорода (3). Чтобы это исправить, удвоим количество молекул воды, поставив коэффициент 2 перед формулой $H_2O$:

$H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

2. Снова подсчитаем количество атомов после этого изменения:

• Слева: 2 атома водорода (H), 2 атома кислорода (O).
• Справа: $2 \times 2 = 4$ атома водорода (H), $(2 \times 1) + 2 = 4$ атома кислорода (O).

Теперь в правой части 4 атома водорода и 4 атома кислорода, а в левой по-прежнему по 2. Чтобы сбалансировать уравнение, нужно удвоить количество атомов в левой части. Поставим коэффициент 2 перед формулой перекиси водорода $H_2O_2$:

$2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

3. Выполним финальную проверку:

• Слева: $2 \times 2 = 4$ атома водорода (H), $2 \times 2 = 4$ атома кислорода (O).
• Справа: $2 \times 2 = 4$ атома водорода (H), $(2 \times 1) + 2 = 4$ атома кислорода (O).

Теперь число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения одинаково. Уравнение составлено верно.

Ответ: $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

9. Какие газы являются наиболее токсичными для организма? Откуда они берутся в атмосфере?

Какие газы являются наиболее токсичными для организма?

К наиболее токсичным для живых организмов газам, которые в значительных количествах присутствуют в загрязненной атмосфере, относятся:

• Угарный газ ($CO$): Чрезвычайно ядовитый газ без цвета и запаха. Он блокирует перенос кислорода кровью, связываясь с гемоглобином намного прочнее, чем кислород (примерно в 200-300 раз). Это вызывает кислородное голодание (гипоксию), поражающее в первую очередь мозг и сердце.
• Оксиды азота ($NO_x$, в частности диоксид азота $NO_2$): Диоксид азота — токсичный газ бурого цвета с резким запахом. Он поражает дыхательные пути, может вызвать отек легких и снижает устойчивость организма к респираторным заболеваниям.
• Диоксид серы ($SO_2$): Бесцветный газ с резким запахом. Вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательной системы, может провоцировать спазм бронхов, особенно у людей с астмой. Является одной из главных причин кислотных дождей.
• Приземный озон ($O_3$): Сильный окислитель, являющийся высокотоксичным веществом (в отличие от защитного озонового слоя в стратосфере). Повреждает ткани легких, вызывает кашель, обостряет хронические респираторные заболевания и наносит вред растениям.
• Аммиак ($NH_3$): Газ с резким удушливым запахом. В высоких концентрациях токсичен, вызывает ожоги слизистых оболочек и отек легких.

Откуда они берутся в атмосфере?

Источники этих газов в атмосфере можно разделить на природные и антропогенные (связанные с деятельностью человека), причем последние часто преобладают в промышленных и густонаселенных районах.

• Угарный газ ($CO$): Основной антропогенный источник — неполное сгорание ископаемого топлива (в двигателях автомобилей, на ТЭС, в промышленности). Природные источники — лесные пожары, извержения вулканов.
• Оксиды азота ($NO_x$): Образуются при высокотемпературном сгорании топлива, когда азот из воздуха реагирует с кислородом. Главные антропогенные источники — выхлопы транспорта, ТЭС, промышленные предприятия. Природные источники — грозовые разряды, деятельность почвенных микроорганизмов.
• Диоксид серы ($SO_2$): Антропогенные источники — сжигание угля и мазута с высоким содержанием серы на электростанциях и в металлургии. Основной природный источник — вулканическая деятельность.
• Приземный озон ($O_3$): Является вторичным загрязнителем. Он не выбрасывается напрямую, а образуется в атмосфере в результате фотохимических реакций между оксидами азота ($NO_x$) и летучими органическими соединениями (ЛОС) под действием солнечного света. Источники его предшественников — транспорт и промышленность.
• Аммиак ($NH_3$): Главный антропогенный источник — сельское хозяйство (разложение удобрений и отходов животноводства). Природный источник — гниение органических веществ.

Ответ: Наиболее токсичными для организма газами являются угарный газ ($CO$), оксиды азота ($NO_x$), диоксид серы ($SO_2$), приземный озон ($O_3$) и аммиак ($NH_3$). Они появляются в атмосфере как из-за природных процессов (вулканы, пожары, молнии), так и, в основном, в результате деятельности человека — сжигания топлива на транспорте и в промышленности, а также в сельском хозяйстве.