Страница 148 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

✓ Что образуется при сжигании горючих органических веществ?

Сжигание (горение) горючих органических веществ — это сложный физико-химический процесс, представляющий собой экзотермическую реакцию окисления. Продукты сгорания напрямую зависят от химического состава исходного вещества и условий, в которых происходит горение, в первую очередь, от количества доступного кислорода.

Процесс горения можно условно разделить на два основных типа.

Полное сгорание

Этот тип горения происходит при избытке или достаточном количестве кислорода ($O_2$). В этом случае все горючие компоненты органического вещества окисляются до своих высших оксидов. Если органическое вещество состоит из углерода и водорода (углеводород), основными продуктами являются:

1. Диоксид углерода (углекислый газ, $CO_2$) — образуется в результате полного окисления атомов углерода ($C$).

2. Вода ($H_2O$) — образуется в результате окисления атомов водорода ($H$).

Общее уравнение реакции полного сгорания для углеводорода с формулой $C_xH_y$ выглядит так:

$C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

Например, полное сгорание пропана ($C_3H_8$), который используется в газовых плитах и зажигалках:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

Если в составе органического вещества присутствуют и другие химические элементы, они также окисляются. Например, сера ($S$) окисляется до диоксида серы ($SO_2$), а азот ($N$) чаще всего образует нейтральный молекулярный азот ($N_2$).

Неполное сгорание

Этот тип горения происходит при недостатке кислорода. В этом случае окисление происходит не до конца, и наряду с продуктами полного сгорания образуются и другие вещества, являющиеся продуктами частичного окисления. Основные продукты неполного сгорания:

1. Оксид углерода(II) (угарный газ, $CO$) — очень токсичное вещество без цвета и запаха, образующееся вместо или вместе с $CO_2$.

2. Элементарный углерод (сажа, $C$) — твёрдые частицы, которые делают пламя коптящим и придают ему жёлто-оранжевый цвет.

3. Вода ($H_2O$) — по-прежнему является одним из главных продуктов.

Примеры реакций неполного сгорания того же пропана ($C_3H_8$):

$2C_3H_8 + 7O_2 \rightarrow 6CO + 8H_2O$ (с образованием угарного газа)

$C_3H_8 + 2O_2 \rightarrow 3C + 4H_2O$ (с образованием сажи)

В реальности при горении на воздухе часто происходит смешанный процесс, и в дыме присутствуют все перечисленные продукты в разных пропорциях.

Ответ: при сжигании горючих органических веществ в условиях достаточного количества кислорода (полное сгорание) образуются диоксид углерода ($CO_2$) и вода ($H_2O$). При недостатке кислорода (неполное сгорание) дополнительно образуются оксид углерода(II) (угарный газ, $CO$) и элементарный углерод (сажа, $C$). Если в исходном веществе содержатся другие элементы (например, сера, азот, галогены), то в продуктах сгорания также будут присутствовать их оксиды (например, $SO_2$) или другие соединения ($N_2$, $HCl$).

✓ Какие вещества получают из природного газа, нефти, угля?

Природный газ, нефть и уголь являются основными видами ископаемого топлива и ценнейшим сырьем для химической промышленности. Путем их переработки получают огромное разнообразие веществ, которые используются во всех сферах жизни человека.

Природный газ

Природный газ состоит в основном из метана ($CH_4$) с примесями его гомологов: этана ($C_2H_6$), пропана ($C_3H_8$), бутана ($C_4H_{10}$), а также инертных газов (гелий, азот) и примесей (сероводород, углекислый газ). Его переработка позволяет получить следующие продукты:

Топливо:
Очищенный от примесей метан является основным компонентом бытового и промышленного газа, используется на теплоэлектростанциях для выработки энергии. Сжиженные пропан и бутан (LPG) применяются в качестве топлива для автомобилей и для бытовых нужд там, где нет магистрального газопровода.

Химическое сырье:
- Из метана ($CH_4$) получают синтез-газ (смесь оксида углерода(II) и водорода, $CO + H_2$), который является основой для производства метанола, аммиака и синтетических топлив. Также из метана производят водород ($H_2$), ацетилен ($C_2H_2$) для сварки и химического синтеза, и сажу (технический углерод), необходимую для производства шин и как черный пигмент.
- Из этана ($C_2H_6$) и пропана ($C_3H_8$) путем дегидрирования получают этилен ($C_2H_4$) и пропилен ($C_3H_6$). Это важнейшие мономеры для производства самых массовых полимеров – полиэтилена и полипропилена, из которых изготавливают пленки, трубы, упаковку, детали бытовой техники и автомобилей.
- Из сопутствующих газов извлекают гелий и серу (из сероводорода $H_2S$).

Ответ: Из природного газа получают различные виды топлива (метан, пропан-бутан), полимеры (полиэтилен, полипропилен), водород, аммиак, ацетилен, сажу, метанол, гелий и серу.

Нефть

Нефть – это сложная природная смесь тысяч различных углеводородов. Первичная переработка нефти заключается в ее фракционной перегонке (ректификации), при которой ее разделяют на фракции по температурам кипения. Вторичная переработка (крекинг, риформинг) позволяет изменять структуру углеводородов, получая более ценные продукты.

Продукты прямой перегонки:
- Бензин – топливо для легковых автомобилей.
- Лигроин (нафта) – сырье для нефтехимии, компонент бензинов.
- Керосин – топливо для реактивных двигателей самолетов, осветительное и бытовое топливо.
- Дизельное топливо (газойль) – топливо для дизельных двигателей грузовиков, судов, тепловозов.
- Мазут – котельное и судовое топливо, сырье для получения масел.
- Смазочные масла – для уменьшения трения в механизмах.
- Парафин и вазелин – используются в косметике, медицине, для изготовления свечей.
- Битум (асфальт) – используется для покрытия дорог и в строительстве.

Продукты нефтехимического синтеза:
Из продуктов переработки нефти (в основном из бензиновых фракций и газов крекинга) получают базовые органические вещества, которые служат сырьем для производства практически всей органической химии: пластмасс, синтетических каучуков, синтетических волокон (нейлон, капрон, лавсан), растворителей, моющих средств, лекарств, пестицидов и многого другого.

Ответ: Из нефти получают моторные топлива (бензин, керосин, дизель), мазут, смазочные масла, битум, парафин, а также она является основным сырьем для производства пластмасс, каучуков, волокон, моющих средств и лекарств.

Уголь

Уголь – твердое ископаемое топливо, представляющее собой сложную смесь высокомолекулярных соединений с высоким содержанием углерода. Основные направления его переработки – сжигание и коксование.

Прямое использование:
Основная масса добываемого угля сжигается на тепловых электростанциях для производства электроэнергии и тепла.

Продукты коксования (нагрев без доступа воздуха до ~1000°C):
- Кокс – твердый пористый продукт, состоящий почти из чистого углерода. Является незаменимым топливом и восстановителем в доменном процессе при выплавке чугуна.
- Каменноугольная смола – вязкая черная жидкость, состоящая из сотен органических веществ. Является источником ценных ароматических углеводородов: бензола, толуола, ксилолов, нафталина, фенолов. Эти вещества – сырье для производства красителей, лекарств, пластмасс, взрывчатых веществ.
- Коксовый газ – смесь горючих газов ($H_2, CH_4, CO$), используется как топливо в самой металлургии.
- Аммиачная вода – водный раствор аммиака, из которого получают азотные удобрения (например, сульфат аммония).

Газификация и гидрирование:
Современные технологии позволяют превращать уголь в синтез-газ (газификация), из которого затем можно получать синтетическое жидкое топливо (синтетический бензин) и другие химические продукты.

Ответ: Из угля получают электроэнергию, кокс для металлургии, ароматические углеводороды (бензол, нафталин), азотные удобрения, а также синтетические виды топлива.

✓ Как образовались нефть и каменный уголь?

Нефть и каменный уголь являются ископаемыми видами топлива, образовавшимися из органических остатков миллионы лет назад в результате сложных геологических и биохимических процессов. Хотя оба ресурса имеют органическое происхождение, исходный материал и условия их формирования различны.

Основной научной теорией происхождения нефти является биогенная (органическая) теория. Согласно этой теории, нефть образовалась из остатков микроскопических живых организмов, преимущественно морского планктона (как фитопланктона, так и зоопланктона), обитавших в древних морях и океанах сотни миллионов лет назад.

Процесс формирования можно разделить на несколько этапов:

1. Накопление органического вещества. После гибели микроорганизмы опускались на дно водоемов. В условиях недостатка кислорода (анаэробных условиях) их останки не разлагались полностью, а смешивались с илом и глиной, образуя богатые органикой осадочные породы.
2. Образование керогена. Со временем эти слои покрывались новыми наносами. Под действием растущего давления и температуры (до 50-60 °C) на глубине нескольких сотен метров органическое вещество преобразовывалось в воскоподобное вещество — кероген. Это основное материнское вещество для нефти.
3. Катагенез (нефтеобразование). При дальнейшем погружении на глубину от 1,5 до 6 км температура и давление продолжали расти. В так называемом «нефтяном окне» (при температурах примерно от 65 до 150 °C) происходит термическое разложение керогена на более простые жидкие и газообразные углеводороды. Так образуются нефть и природный газ.
4. Миграция и аккумуляция. Будучи легче воды и окружающих пород, нефть и газ начинали перемещаться (мигрировать) вверх через пористые слои горных пород (коллекторы), такие как песчаники или известняки. Этот процесс продолжался до тех пор, пока на их пути не встречался непроницаемый слой (покрышка), например, из глины или соли. Под этой «ловушкой» углеводороды скапливались, образуя месторождения нефти и газа.

Ответ: Нефть образовалась из остатков морских микроорганизмов (планктона), которые накапливались на дне древних водоемов и в течение миллионов лет под воздействием высокого давления и температуры преобразовывались в жидкие углеводороды, впоследствии скопившиеся в геологических ловушках.

Каменный уголь, в отличие от нефти, имеет растительное происхождение. Он сформировался из остатков древних растений — гигантских папоротников, хвощей и деревьев, которые росли в обширных болотистых лесах, в основном в каменноугольный период (около 360–300 млн лет назад).

Процесс его образования также проходил в несколько стадий:

1. Формирование торфа. Отмершие растения падали в болотистую воду. Из-за высокой влажности и недостатка кислорода в воде древесина и другие растительные ткани не сгнивали полностью. Вместо этого они накапливались, уплотнялись и образовывали толстые слои торфа — рыхлой массы, состоящей из частично разложившихся растительных остатков.
2. Углефикация. С течением времени торфяные болота покрывались слоями песка, глины и других осадков. Под весом этих наносов торф погружался все глубже в земную кору. Возрастающее давление вытесняло из него воду и летучие компоненты, а повышенная температура вызывала сложные химические реакции. Этот процесс, называемый углефикацией, приводил к постепенному увеличению концентрации углерода в исходном веществе.
3. Стадии превращения. В зависимости от степени углефикации последовательно образуются разные виды угля:
   • Торф — начальная стадия.
   • Лигнит (бурый уголь) — первая стадия ископаемого угля, с содержанием углерода 65–70%.
   • Каменный уголь (битуминозный уголь) — более плотный и твердый, с содержанием углерода 75–92%.
   • Антрацит — высшая степень углефикации, наиболее твердый уголь с содержанием углерода до 98%.

Таким образом, каменный уголь представляет собой осадочную горную породу — результат глубокого разложения и преобразования древней растительной массы без доступа кислорода под действием геологических факторов.

Ответ: Каменный уголь образовался из остатков древних наземных растений, произраставших в болотистой местности. Эти остатки накапливались в виде торфа, который со временем под действием высокого давления и температуры в недрах Земли превращался в различные виды угля, включая каменный.