Страница 123 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

✓ Каковы свойства углекислого газа?

Углекислый газ, или диоксид углерода ($CO_2$), обладает характерными физическими и химическими свойствами.

Физические свойства

В нормальных условиях углекислый газ — это бесцветный газ, не имеющий запаха, но обладающий слабовыраженным кисловатым вкусом (вкус газированной воды). Его молярная масса составляет $44.01 \text{ г/моль}$, что делает его примерно в 1.5 раза тяжелее воздуха (средняя молярная масса воздуха ~ $29 \text{ г/моль}$). Из-за большей плотности он может скапливаться в непроветриваемых помещениях, подвалах и шахтах, вытесняя кислород.

Углекислый газ умеренно растворяется в воде. Его растворимость зависит от температуры и давления: при повышении температуры она уменьшается, а при повышении давления — увеличивается. При растворении в воде он частично вступает в химическую реакцию, образуя угольную кислоту.

$CO_2$ не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях.

Одной из уникальных особенностей углекислого газа является отсутствие у него жидкой фазы при атмосферном давлении. При температуре $-78.5^\circ C$ твердый углекислый газ, известный как «сухой лед», не плавится, а сублимирует — переходит непосредственно в газообразное состояние. Жидкий $CO_2$ можно получить только при давлении выше $5.11$ атмосферы.

Ответ: Углекислый газ — бесцветный, без запаха, кисловатый на вкус газ, который тяжелее воздуха, растворяется в воде, не поддерживает горение и в твердом состоянии («сухой лед») способен к сублимации.

Химические свойства

Диоксид углерода ($CO_2$) является типичным кислотным оксидом, в котором углерод находится в своей высшей степени окисления +4.

1. Взаимодействие с водой. При растворении в воде $CO_2$ обратимо реагирует с ней, образуя слабую и нестабильную угольную кислоту ($H_2CO_3$), которая придает воде кисловатый вкус.

   $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

2. Взаимодействие со щелочами и основными оксидами. Как кислотный оксид, $CO_2$ реагирует с основаниями (щелочами) и основными оксидами с образованием солей — карбонатов и гидрокарбонатов.
   • С избытком щелочи образуется средняя соль (карбонат): $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
   • С избытком $CO_2$ образуется кислая соль (гидрокарбонат): $CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3$
   • С основными оксидами: $CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$
   Качественной реакцией на углекислый газ является его пропускание через известковую воду (раствор $Ca(OH)_2$). Раствор мутнеет из-за образования белого осадка карбоната кальция:

   $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

3. Окислительно-восстановительные свойства. Так как углерод находится в максимальной степени окисления, $CO_2$ проявляет свойства окислителя, но только при взаимодействии с очень сильными восстановителями, например, с активными металлами при высокой температуре. Так, магний продолжает гореть в атмосфере углекислого газа:

   $2Mg + CO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + C$

4. Участие в фотосинтезе. Углекислый газ играет важнейшую биологическую роль, являясь исходным веществом для фотосинтеза. Растения и другие фотосинтезирующие организмы используют энергию света для превращения углекислого газа и воды в органические вещества (глюкозу) и кислород.

   $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Ответ: Углекислый газ — это кислотный оксид, который реагирует с водой, щелочами и основными оксидами. Он может быть окислителем в реакциях с активными металлами и является ключевым реагентом в процессе фотосинтеза.

✓ Как в природе образуется $CO_2$ и во что он превращается?

Диоксид углерода ($CO_2$), или углекислый газ, является неотъемлемой частью биосферы Земли и участвует в глобальном углеродном цикле. Его образование и превращение в природе происходят в результате множества биологических, геологических и химических процессов.

Как в природе образуется CO₂

Углекислый газ поступает в атмосферу из различных природных и антропогенных источников.

• Дыхание живых организмов: Все аэробные организмы — животные, растения, грибы и микроорганизмы — выделяют $CO_2$ в процессе клеточного дыхания. Они окисляют органические вещества (например, глюкозу) для получения энергии, а углекислый газ является побочным продуктом этого процесса. Общее уравнение дыхания: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$.
• Разложение органического вещества (гниение): После гибели организмов микроорганизмы (бактерии и грибы) разлагают их останки. В ходе этого процесса, который по сути является дыханием деструкторов, углерод, содержавшийся в органике, высвобождается в виде $CO_2$.
• Горение: Природные пожары (лесные, степные) приводят к быстрому окислению органического вещества (древесины, травы) и выделению огромного количества углекислого газа.
• Вулканическая деятельность: Вулканы и гейзеры выбрасывают в атмосферу газы из недр Земли, в том числе и $CO_2$. Этот процесс является важным источником углерода в геологических масштабах времени.
• Выделение из Мирового океана: Океан содержит в 50-60 раз больше углерода, чем атмосфера. В результате обмена газами между океаном и атмосферой, особенно в теплых экваториальных водах, $CO_2$ выделяется из воды в воздух.
• Антропогенные источники: Деятельность человека значительно увеличила концентрацию $CO_2$ в атмосфере. Основные источники — сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа), промышленные процессы (например, производство цемента) и сведение лесов.

Ответ: В природе $CO_2$ образуется в результате дыхания живых организмов, разложения органических остатков, горения (природных пожаров), вулканической активности и выделения из Мирового океана. Значительный вклад вносит также деятельность человека.

Во что он превращается

Углекислый газ не только выделяется, но и активно поглощается и преобразуется в ходе природных процессов, которые выводят его из атмосферы.

• Фотосинтез: Это ключевой процесс, в ходе которого растения, водоросли и цианобактерии поглощают $CO_2$ из атмосферы и с помощью энергии солнечного света синтезируют из него и воды органические вещества (углеводы), выделяя кислород. Углерод, таким образом, переходит из газообразного состояния в состав биомассы. Упрощенное уравнение фотосинтеза: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.
• Растворение в Мировом океане: Океан является главным поглотителем (стоком) углекислого газа. $CO_2$ растворяется в воде, образуя угольную кислоту ($H_2CO_3$), которая затем диссоциирует на бикарбонат-ионы ($HCO_3^−$) и карбонат-ионы ($CO_3^{2−}$). Этот химический процесс позволяет океану поглощать большие объемы $CO_2$.
• Образование осадочных пород: Морские организмы (кораллы, моллюски, планктон) используют растворенные в воде карбонат-ионы для построения своих раковин и скелетов из карбоната кальция ($CaCO_3$). После их смерти эти останки оседают на дно, формируя мощные слои известняка и других карбонатных пород. Таким образом, углерод на миллионы лет выводится из круговорота.
• Химическое выветривание горных пород: Дождевая вода, содержащая растворенный $CO_2$, образует слабую угольную кислоту, которая медленно разрушает силикатные породы. В ходе этих реакций углекислый газ связывается, и образовавшиеся ионы с речным стоком попадают в океан, где в конечном итоге также участвуют в образовании карбонатных отложений.

Ответ: В природе $CO_2$ превращается в органические вещества (в процессе фотосинтеза), переходит в растворенную форму в водах Мирового океана и связывается в виде карбонатных осадочных пород (известняк, мел) на дне водоемов.

✓ Опасен ли углекислый газ для человека?

Решение

Углекислый газ (диоксид углерода, $CO_2$) является неотъемлемой частью атмосферы Земли и продуктом метаболизма живых организмов, включая человека. В нормальных концентрациях он не представляет опасности. Однако при повышении его содержания во вдыхаемом воздухе он становится опасным и даже смертельным для человека.

Опасность углекислого газа зависит от его концентрации в воздухе и продолжительности воздействия. Можно выделить несколько уровней воздействия на организм:

• Нормальная концентрация (около 0.04%): Это типичное содержание $CO_2$ в атмосфере. Оно абсолютно безопасно и необходимо для фотосинтеза растений.
• Повышенная концентрация (0.1% - 1%): Такие уровни часто встречаются в непроветриваемых помещениях, офисах, учебных классах. Длительное пребывание в таких условиях может вызывать симптомы, известные как "синдром больного здания": головную боль, сонливость, слабость, снижение концентрации внимания и работоспособности.
• Высокая концентрация (2% - 4%): Вдыхание воздуха с такой концентрацией $CO_2$ приводит к возбуждению дыхательного центра. Появляются учащенное дыхание и сердцебиение, шум в ушах, сильная головная боль, головокружение.
• Токсическая и смертельная концентрация (более 5%): При концентрации 5-7% $CO_2$ оказывает прямое токсическое действие на нервную систему. Это приводит к нарушению сознания, мышечной дрожи, расстройству зрения и слуха. При концентрации свыше 10% быстро наступает потеря сознания и смерть от остановки дыхания (асфиксии) в течение нескольких минут.

Механизм опасного воздействия $CO_2$ на человека двоякий:

1. Гиперкапния и ацидоз. Углекислый газ является главным естественным регулятором дыхания. Его избыток во вдыхаемом воздухе приводит к накоплению $CO_2$ в крови (гиперкапния). Это вызывает изменение кислотно-щелочного баланса крови в кислую сторону (газовый ацидоз), что нарушает работу ферментов, центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы.
2. Асфиксия (удушье). Углекислый газ примерно в 1.5 раза тяжелее воздуха, поэтому он может скапливаться в низко расположенных, непроветриваемых пространствах, таких как погреба, колодцы, шахты или силосные ямы. Накапливаясь, он вытесняет кислород. Человек, попавший в такую среду, страдает от острой нехватки кислорода (гипоксии), что быстро приводит к потере сознания и смерти.

Таким образом, углекислый газ, несмотря на свою естественную роль в природе и физиологии, в повышенных концентрациях является опасным удушающим и токсичным веществом.

Ответ: Да, углекислый газ опасен для человека. В повышенных концентрациях он вызывает отравление (гиперкапнию), а в высоких — удушье (асфиксию) и может привести к смерти.

Формула этилена — $C_2H_4$. Напишите уравнение горения этого газа в кислороде.

Решение

Реакция горения этилена ($C_2H_4$) представляет собой его полное окисление кислородом ($O_2$). Продуктами полного сгорания любого углеводорода, к которым относится и этилен, являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

1. Составим схему химической реакции, записав исходные вещества (реагенты) и продукты реакции:
$C_2H_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

2. Чтобы превратить схему в уравнение, необходимо расставить коэффициенты, уравняв число атомов каждого элемента в левой и правой частях.

• Уравниваем углерод (C):В левой части уравнения в молекуле этилена ($C_2H_4$) находятся 2 атома углерода. Чтобы уравнять их количество, ставим коэффициент 2 перед формулой углекислого газа ($CO_2$) в правой части.
  $C_2H_4 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + H_2O$
• Уравниваем водород (H):В левой части в молекуле $C_2H_4$ есть 4 атома водорода. Чтобы в правой части также было 4 атома водорода, ставим коэффициент 2 перед формулой воды ($H_2O$), так как $2 \times 2 = 4$.
  $C_2H_4 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$
• Уравниваем кислород (O):Теперь подсчитаем общее число атомов кислорода в правой части. В двух молекулах $CO_2$ содержится $2 \times 2 = 4$ атома кислорода, а в двух молекулах $H_2O$ — $2 \times 1 = 2$ атома кислорода. Суммарное количество атомов кислорода справа: $4 + 2 = 6$. Чтобы в левой части также было 6 атомов кислорода, нужно поставить коэффициент 3 перед молекулой $O_2$, так как $3 \times 2 = 6$.
  $C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$

3. Проводим проверку. Сравниваем количество атомов каждого элемента слева и справа:
Слева: C - 2, H - 4, O - 6.
Справа: C - 2, H - 4, O - $(2 \times 2) + (2 \times 1) = 6$.
Количества атомов совпадают, уравнение сбалансировано.

Ответ: $C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$.