Страница 152 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Почему при сжигании органических веществ всегда выделяется теплота?

Что полезнее — сжигать горючие вещества или перерабатывать их?

Почему при сжигании органических веществ всегда выделяется теплота?

Выделение теплоты при сжигании органических веществ — это фундаментальное свойство химических реакций горения, которое объясняется законами термодинамики и разницей в энергии химических связей. Процесс можно разложить на несколько ключевых этапов:

1. Исходные вещества. Органические вещества состоят в основном из атомов углерода (C) и водорода (H), связанных друг с другом и, часто, с атомами кислорода (O). Эти связи (например, C-C, C-H) содержат определённый запас химической энергии. Для горения также необходим окислитель, как правило, кислород ($O_2$) из воздуха.
2. Разрыв старых связей. Чтобы реакция началась, необходимо сообщить системе начальную энергию (энергию активации), например, поднести спичку. Эта энергия идет на разрыв менее прочных химических связей в молекулах исходных веществ — органического топлива и кислорода.
3. Образование новых связей. В ходе реакции атомы перегруппировываются и образуют новые, гораздо более прочные и энергетически выгодные связи в молекулах продуктов сгорания. Для большинства органических веществ это углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Связи C=O в углекислом газе и O-H в воде являются одними из самых прочных.
4. Энергетический баланс. Ключевой момент заключается в том, что энергия, которая выделяется при образовании новых, прочных связей в продуктах реакции, значительно превышает энергию, которая была затрачена на разрыв старых, менее прочных связей в реагентах. Этот избыток энергии и выделяется в окружающую среду в виде теплоты и света. Такие реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими.

Общее уравнение реакции горения, например метана, выглядит так: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Q$, где $Q$ — это выделившаяся теплота. Энергетический выигрыш происходит потому, что система переходит из менее стабильного состояния (реагенты с высокой энергией) в более стабильное (продукты с низкой энергией). Разница в энергиях и есть то тепло, которое мы ощущаем.

Ответ: При сжигании органических веществ выделяется теплота, потому что это экзотермическая реакция. В ходе горения разрываются относительно слабые химические связи в молекулах топлива и кислорода и образуются гораздо более прочные и энергетически стабильные связи в продуктах реакции (углекислом газе и воде). Энергии, выделившейся при образовании новых связей, больше, чем было затрачено на разрыв старых, и этот избыток энергии выделяется в виде тепла и света.

Что полезнее — сжигать горючие вещества или перерабатывать их?

Выбор между сжиганием и переработкой горючих веществ зависит от множества факторов, включая тип вещества, экономическую целесообразность и, что самое важное, экологические последствия. Однако в подавляющем большинстве случаев переработка является более предпочтительной стратегией.

Сжигание:

• Плюсы: Позволяет быстро сократить объём отходов и получить энергию (тепловую или электрическую), что снижает потребность в ископаемом топливе. Современные мусоросжигательные заводы (МСЗ) могут утилизировать неперерабатываемые отходы.
• Минусы: Это безвозвратное уничтожение ценных ресурсов. При сжигании, особенно пластиков и других сложных органических материалов, в атмосферу выбрасываются парниковые газы (в первую очередь $CO_2$), а также токсичные вещества: диоксины, фураны, оксиды азота и серы, тяжёлые металлы. Образующаяся зола также часто токсична и требует специального захоронения.

Переработка (рециклинг):

• Плюсы: Это основа экономики замкнутого цикла. Переработка позволяет сохранить природные ресурсы (нефть, древесину, руды), так как материалы используются повторно. Производство товаров из вторичного сырья, как правило, требует значительно меньше энергии и воды и сопровождается меньшими выбросами, чем производство из первичных ресурсов. Например, производство алюминия из лома экономит до 95% энергии. Переработка также создает рабочие места в сфере сбора, сортировки и обработки вторсырья.
• Минусы: Процесс переработки может быть технологически сложным и дорогим. Не все материалы поддаются переработке (например, композитные материалы или сильно загрязнённое сырьё). Качество материала может снижаться с каждым циклом переработки (даунсайклинг).

С точки зрения устойчивого развития и долгосрочной перспективы, иерархия обращения с отходами выглядит так:

1. Предотвращение образования отходов (сокращение потребления).
2. Повторное использование (reuse).
3. Переработка (recycling).
4. Энергетическая утилизация (сжигание для получения энергии).
5. Захоронение на полигонах.

Таким образом, сжигание стоит на ступень ниже переработки и должно применяться только к тем горючим отходам, которые невозможно или экономически нецелесообразно переработать.

Ответ: В подавляющем большинстве случаев перерабатывать горючие вещества гораздо полезнее, чем сжигать их. Переработка сохраняет природные ресурсы, экономит энергию и значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду по сравнению со сжиганием. Сжигание следует рассматривать как меру для утилизации неперерабатываемых отходов с целью получения энергии, но не как основную стратегию обращения с ценными материалами.

1. Перечислите важнейшие горючие полезные ископаемые. Какое из них преимущественно используют без дополнительной переработки?

К важнейшим горючим полезным ископаемым относятся:

• Природный газ (основной компонент — метан, $CH_4$)
• Нефть (сложная смесь углеводородов)
• Уголь (каменный и бурый)
• Торф
• Горючие сланцы

Из всех перечисленных видов ископаемого топлива преимущественно без дополнительной (глубокой) переработки используется природный газ.

После добычи природный газ проходит подготовку: его очищают от примесей, таких как сероводород ($H_2S$), диоксид углерода ($CO_2$), пары воды и другие углеводороды. Однако эта процедура является скорее очисткой, чем переработкой, так как она не изменяет химическую структуру основного компонента — метана. После очистки газ готов к транспортировке и использованию в качестве топлива на электростанциях, в котельных и в быту.

В отличие от природного газа, другие горючие ископаемые требуют более серьезной переработки. Нефть обязательно подвергается фракционной перегонке и крекингу для получения различных продуктов (бензина, керосина, мазута). Уголь перед сжиганием дробят, обогащают, а для металлургических нужд перерабатывают в кокс. Торф и горючие сланцы также требуют специальной обработки (сушки, брикетирования, термического разложения) перед использованием.

Ответ: Важнейшие горючие полезные ископаемые: природный газ, нефть, уголь. Преимущественно без дополнительной переработки используют природный газ.

2. Какие полезные вещества получают при переработке нефти? Где их применяют?

Переработка нефти — это сложный многостадийный процесс, в результате которого из сырой нефти получают широкий спектр полезных веществ. Основной метод первичной переработки — фракционная перегонка (ректификация), основанная на разделении нефти на фракции с разными температурами кипения. Далее эти фракции могут подвергаться вторичной переработке (например, крекингу, риформингу) для получения более ценных продуктов и сырья для химической промышленности.

Основные полезные вещества, получаемые из нефти, и сферы их применения:

• Нефтяные газы (пропан, бутан)

  Это самые легкие углеводороды, которые выделяются при переработке нефти первыми. Их сжижают и используют в качестве бытового газа в баллонах и газовых зажигалках, а также как автомобильное топливо (ГБО). Кроме того, это ценное сырье для химического синтеза, из которого получают, например, пластмассы и каучуки.

  Ответ: Нефтяные газы (пропан, бутан) используются как бытовое и автомобильное топливо, а также как сырье в нефтехимии.

• Бензин

  Это одна из самых известных и ценных фракций, состоящая из легких углеводородов. Основное его применение — топливо для двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей, мотоциклов и некоторых видов авиационной техники. Качество бензина определяется октановым числом, которое повышают в ходе вторичной переработки.

  Ответ: Бензин является основным топливом для автомобильных и некоторых авиационных двигателей внутреннего сгорания.

• Лигроин (нафта)

  Более тяжелая, чем бензин, фракция. Лигроин используется как топливо для некоторых типов дизельных двигателей и тракторов. Также он является важным сырьем для нефтехимической промышленности для производства ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола), которые, в свою очередь, служат основой для получения пластмасс, синтетических волокон и растворителей.

  Ответ: Лигроин (нафта) применяется как дизельное и тракторное топливо, а также является ключевым сырьем для нефтехимического синтеза.

• Керосин

  Керосиновая фракция применяется в первую очередь как топливо для реактивных двигателей самолетов и вертолетов. В прошлом его широко использовали в керосиновых лампах для освещения и в бытовых нагревательных приборах. Также используется как растворитель и компонент ракетного топлива.

  Ответ: Керосин — это основное топливо для авиационных реактивных двигателей, а также используется для освещения и отопления.

• Дизельное топливо (газойль)

  Эта фракция является основным топливом для дизельных двигателей, которые устанавливаются на грузовых автомобилях, автобусах, тепловозах, кораблях и сельскохозяйственной технике. Также используется в качестве котельного топлива.

  Ответ: Дизельное топливо служит топливом для дизельных двигателей различного транспорта и в качестве котельного топлива.

• Смазочные масла

  Их получают из тяжелых нефтяных фракций (мазута) путем вакуумной перегонки. Масла (моторные, трансмиссионные, индустриальные) необходимы для смазывания трущихся деталей в двигателях и механизмах, чтобы уменьшить износ и трение.

  Ответ: Смазочные масла используются для уменьшения трения и износа в двигателях и механизмах.

• Мазут

  Это тяжелый остаток после отгонки светлых фракций. Мазут широко используется как жидкое топливо для котлов на тепловых электростанциях, в промышленных печах и на судах. Кроме того, он является сырьем для дальнейшей переработки с целью получения масел, бензина (методом крекинга) и гудрона.

  Ответ: Мазут применяется как котельное и судовое топливо, а также как сырье для получения масел и бензина.

• Гудрон и битум

  Это самый тяжелый остаток переработки нефти. Из гудрона производят битумы, которые являются основным компонентом асфальтобетона для строительства дорог. Также битум используется для производства кровельных (рубероид) и гидроизоляционных материалов.

  Ответ: Гудрон и битум применяются в дорожном строительстве (асфальт) и для производства кровельных и гидроизоляционных материалов.

• Продукты нефтехимического синтеза

  Нефть и ее фракции являются основой для огромного количества химических продуктов. Из углеводородов, полученных из нефти, синтезируют пластмассы (полиэтилен, полипропилен, ПВХ), синтетические каучуки (для шин), синтетические волокна (нейлон, капрон, лавсан), моющие средства, растворители, лаки и краски, удобрения, ядохимикаты и даже компоненты для лекарств и косметики.

  Ответ: Продукты нефтехимии — это пластмассы, каучуки, волокна, моющие средства, лекарства и многие другие материалы, используемые во всех сферах жизни.

3. Какое расстояние может проехать автомобиль, заправленный бензином, полученным из 1 барреля нефти, если средний расход топлива составляет 7 л бензина на 100 км пути?

Дано:

Объем нефти = 1 баррель

Средний расход топлива = 7 л на 100 км

Справочная информация: из 1 барреля нефти (что составляет примерно 159 литров) в среднем получают около 74 литров бензина. Обозначим этот объем $V_{б}$.

Перевод данных в систему СИ:

Объем бензина: $V_{б} \approx 74 \text{ л} = 74 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 0,074 \text{ м}^3$.

Расход топлива (объем на расстояние): $R_{V/S} = \frac{7 \text{ л}}{100 \text{ км}} = \frac{7 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3}{100 \cdot 10^3 \text{ м}} = 7 \cdot 10^{-8} \text{ м}^2$.

Найти:

Расстояние $S$, которое может проехать автомобиль.

Решение:

Решение задачи состоит из двух основных этапов. Сначала мы используем справочную информацию, чтобы определить количество бензина, которое можно получить из одного барреля нефти. Затем, зная расход топлива автомобиля, мы вычисляем, какое расстояние можно проехать на этом количестве бензина.

Для удобства будем проводить вычисления в литрах и километрах.

1. Определяем объем доступного бензина.

Согласно справочным данным, из 1 барреля нефти можно получить примерно 74 литра бензина.

$V_{б} = 74 \text{ л}$

2. Рассчитываем расстояние, которое можно проехать.

Из условия известно, что расход составляет 7 литров на 100 км. Мы можем составить пропорцию, чтобы найти, какое расстояние $S$ автомобиль проедет на 74 литрах бензина:

$\frac{7 \text{ л}}{100 \text{ км}} = \frac{74 \text{ л}}{S}$

Теперь выразим $S$ из этой пропорции:

$S = \frac{74 \text{ л} \cdot 100 \text{ км}}{7 \text{ л}}$

$S = \frac{7400}{7} \text{ км} \approx 1057,14 \text{ км}$

Поскольку исходные данные (особенно объем бензина из барреля) являются приблизительными, целесообразно округлить полученный результат до целого числа.

$S \approx 1057 \text{ км}$

Ответ:

Автомобиль, заправленный бензином, полученным из 1 барреля нефти, может проехать примерно 1057 км.

4*. На поверхности воды разлилась нефть объёмом 1 л. Какую площадь займёт нефтяное пятно, если толщина нефтяной плёнки составляет 25 нм ($1 \text{ нм} = 10^{-9} \text{ м}$)?

Дано:

Объем нефти $V = 1 \text{ л} = 1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
Толщина нефтяной пленки $h = 25 \text{ нм} = 25 \cdot 10^{-9} \text{ м}$

Найти:

Площадь нефтяного пятна $S$

Решение:

Предположим, что разлившаяся нефть образует на поверхности воды тонкую пленку равномерной толщины, которую можно рассматривать как очень плоский цилиндр или параллелепипед. Объем $V$ такого тела равен произведению площади его основания $S$ на его высоту (в данном случае, толщину пленки $h$).

Математически это выражается формулой:
$V = S \cdot h$

Из этой формулы мы можем выразить искомую площадь $S$:
$S = \frac{V}{h}$

Подставим в формулу значения величин, переведенные в систему СИ:
$S = \frac{1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3}{25 \cdot 10^{-9} \text{ м}}$

Проведем вычисления:
$S = \frac{1}{25} \cdot \frac{10^{-3}}{10^{-9}} \text{ м}^2 = 0.04 \cdot 10^{-3 - (-9)} \text{ м}^2 = 0.04 \cdot 10^{6} \text{ м}^2$

Таким образом, площадь пятна составляет:
$S = 40000 \text{ м}^2$

Эту площадь можно также выразить в квадратных километрах для наглядности. Зная, что $1 \text{ км}^2 = 10^6 \text{ м}^2$, получаем:
$S = 0.04 \cdot 10^6 \text{ м}^2 = 0.04 \text{ км}^2$

Ответ: площадь нефтяного пятна займёт $40000 \text{ м}^2$ (или $0.04 \text{ км}^2$).

5. Что называют антрацитом; бурым углем? Для чего их применяют?

Что называют антрацитом

Антрацит — это ископаемый уголь, находящийся на высшей стадии углефикации (преобразования органических остатков). Он является самым древним и качественным видом угля. Антрацит представляет собой твёрдое, очень плотное полезное ископаемое чёрного цвета с выраженным металлическим блеском.

Ключевые характеристики антрацита:

• Очень высокое содержание углерода (92–98%).
• Низкое содержание влаги (менее 5%) и летучих веществ (менее 8%).
• Высокая удельная теплота сгорания, то есть он выделяет много тепла при горении (до 33 МДж/кг).
• Трудно воспламеняется, но горит практически без дыма и пламени, с высокой теплоотдачей.

Ответ: Антрацит — это самый качественный и древний вид ископаемого угля, который отличается максимальным содержанием углерода, высокой теплотворной способностью и минимальным количеством примесей.

Что называют бурым углём

Бурый уголь (или лигнит) — это твёрдый ископаемый уголь, который считается «самым молодым» из всех углей. Он образуется из торфа и представляет собой низшую стадию углефикации. По своим свойствам он занимает промежуточное положение между торфом и каменным углём. Бурый уголь имеет цвет от светло-бурого до чёрного и рыхлую, часто землистую структуру.

Основные характеристики бурого угля:

• Относительно низкое содержание углерода (60–70%).
• Высокое содержание влаги (от 20% до 60%), что сильно снижает его ценность как топлива.
• Большое количество летучих веществ, из-за чего он легко воспламеняется и горит длинным, сильно коптящим пламенем.
• Низкая удельная теплота сгорания (10–27 МДж/кг).
• На открытом воздухе быстро высыхает, растрескивается и превращается в пыль, а также склонен к самовозгоранию при хранении.

Ответ: Бурый уголь — это самый молодой вид ископаемого угля, характеризующийся высоким содержанием влаги и летучих веществ и, как следствие, низкой теплотой сгорания.

Для чего их применяют

Сферы применения антрацита и бурого угля кардинально различаются из-за их разных физико-химических свойств.

Применение антрацита:

• Энергетика и промышленность: Используется как высокоэффективное топливо в металлургии (может частично заменять кокс), на электростанциях, в цементной и химической промышленности.
• Коммунально-бытовой сектор: Применяется для отопления домов и зданий в специальных котлах, так как горит практически без дыма и запаха.
• Производство: Является сырьём для изготовления электродов, полупроводниковых материалов, адсорбентов (например, для фильтров очистки воды) и сажи.

Применение бурого угля:

• Энергетика: Основная сфера применения — сжигание на тепловых электростанциях (ТЭС) для выработки электроэнергии. Поскольку транспортировать бурый уголь на большие расстояния невыгодно из-за его низкой калорийности, ТЭС обычно строят вблизи мест его добычи.
• Химическая промышленность: Служит сырьём для получения горючего газа (методом газификации), синтетического жидкого топлива, а также таких ценных продуктов, как горный воск (монтан-воск) и гуминовые удобрения для сельского хозяйства.
• Производство брикетов: Бурый уголь часто перерабатывают в топливные брикеты. Это повышает его теплотворную способность, упрощает транспортировку и хранение.

Ответ: Антрацит используется как высококачественное топливо в металлургии, энергетике, для отопления, а также как сырьё в производстве электродов и фильтров. Бурый уголь в основном применяется как дешёвое топливо на ТЭС, а также в химической промышленности для получения газа, жидкого топлива и удобрений.