Страница 24 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Как узнали состав Вселенной; земной коры?

Как узнали состав Вселенной

Основным методом определения химического состава Вселенной является спектральный анализ, или спектроскопия. Этот метод основан на том, что каждый химический элемент имеет уникальный спектр — набор линий поглощения или испускания света на определённых длинах волн.

Когда свет от далёких звёзд или галактик проходит через призму или дифракционную решётку спектрографа, он раскладывается в спектр. В этом спектре видны тёмные линии (линии поглощения) или, в случае светящихся газовых туманностей, яркие линии (линии испускания). Положение этих линий точно соответствует «отпечаткам пальцев» определённых химических элементов. Сравнивая наблюдаемый спектр со спектрами элементов, полученными в лабораториях на Земле, учёные могут определить, какие элементы присутствуют в атмосфере звезды или в составе галактики.

Интенсивность и ширина этих спектральных линий позволяют оценить и количественное содержание каждого элемента. Дополнительную информацию дают анализ состава метеоритов (прямые образцы вещества Солнечной системы) и изучение реликтового излучения — эха Большого взрыва, которое несёт информацию о составе ранней Вселенной. Все эти методы в совокупности позволили составить картину химического состава Вселенной.

Ответ: Состав Вселенной определили в основном с помощью спектрального анализа света от звёзд и галактик. Каждый элемент оставляет уникальный след в спектре (линии поглощения или испускания), что позволяет идентифицировать его и оценить его количество. Подавляющая часть обычной материи во Вселенной — это водород (около 75%) и гелий (около 24%).

Как узнали состав земной коры

Состав земной коры изучается в первую очередь прямыми методами. Геологи отбирают образцы горных пород и минералов с поверхности, из шахт и скважин, пробуренных на разную глубину. Эти образцы затем подвергаются тщательному химическому и минералогическому анализу в лабораториях. Используются такие методы, как рентгенофлуоресцентный анализ, масс-спектрометрия и другие, которые позволяют точно определить, из каких химических элементов и в каких пропорциях состоит порода.

Поскольку прямое изучение всей толщи коры невозможно, используются и косвенные методы. Например, сейсмология: анализируя скорость и характер прохождения сейсмических волн от землетрясений, можно судить о плотности и составе пород на большой глубине. Также изучается состав лавы и пепла при извержениях вулканов, так как они выносят на поверхность вещество из недр Земли.

Чтобы получить средний состав земной коры, учёные обобщают и усредняют данные тысяч анализов различных пород (магматических, осадочных, метаморфических) со всех континентов и дна океанов, учитывая их предполагаемую распространённость.

Ответ: Состав земной коры определили путём прямого химического анализа образцов горных пород и минералов, взятых с поверхности и из скважин. Эти данные дополняются косвенными методами, такими как сейсмические исследования. В отличие от Вселенной, в земной коре преобладают кислород (около 47%) и кремний (около 28%), которые вместе составляют основу большинства минералов (например, силикатов на основе $SiO_2$). Также в больших количествах присутствуют алюминий, железо, кальций и другие элементы.

1. Назовите самый распространённый элемент:

а) во Вселенной;

б) на Земле;

в) в человеческом организме.

а) во Вселенной
Самым распространённым химическим элементом во Вселенной является водород (H). По современным оценкам, на его долю приходится около 75% всей барионной массы Вселенной и более 90% от общего числа атомов. Водород является основным компонентом звёзд и межзвёздного газа. Он образовался в первые минуты после Большого взрыва в процессе первичного нуклеосинтеза.
Ответ: водород.

б) на Земле
Ответ на этот вопрос зависит от того, какую часть Земли рассматривать. Если говорить о планете в целом, включая ядро, мантию и кору, то самым распространённым элементом по массе является железо (Fe), составляющее около 32% массы планеты. Если же рассматривать только земную кору, то здесь преобладает кислород (O), на который приходится около 47% массы.
Ответ: железо (для Земли в целом), кислород (для земной коры).

в) в человеческом организме
Самым распространённым элементом в человеческом организме по массе является кислород (O). Он составляет примерно 65% массы тела. Кислород входит в состав воды ($H_2O$), которая является основной средой организма, а также является ключевым компонентом всех основных органических молекул: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот.
Ответ: кислород.

2. Почему в Солнечной системе содержание гелия выше, чем во Вселенной в целом?

Решение

Повышенное содержание гелия в Солнечной системе по сравнению со средним значением по Вселенной объясняется процессами звёздной эволюции, которые происходили ещё до её образования, а также продолжаются в нашем Солнце.

Изначально, в первые минуты после Большого взрыва, в ходе так называемого первичного нуклеосинтеза, во Вселенной установилось базовое соотношение лёгких элементов: примерно 75% водорода и 25% гелия по массе. Это первичное вещество стало строительным материалом для первых звёзд и галактик.

Звёзды являются "фабриками" по производству новых химических элементов. В их недрах протекают термоядерные реакции, в ходе которых из лёгких элементов синтезируются более тяжёлые. Основной процесс, идущий в звёздах главной последовательности, таких как Солнце, – это синтез гелия из водорода. Например, в рамках протон-протонного цикла:

$4^1\text{H} \rightarrow ^4\text{He} + 2e^+ + 2\nu_e + \text{энергия}$

Когда звёзды предыдущих поколений завершали свой жизненный цикл (например, взрываясь как сверхновые), они выбрасывали в межзвёздное пространство вещество, обогащённое не только гелием, но и другими, более тяжёлыми элементами. Солнечная система сформировалась около 4,6 млрд лет назад именно из такого обогащённого газопылевого облака. Следовательно, вещество, из которого образовались Солнце и планеты, изначально содержало больше гелия, чем в среднем по Вселенной, где огромные объёмы межгалактического пространства до сих пор заполнены в основном первичным, необогащённым веществом.

Вдобавок к этому, само Солнце, на которое приходится более 99,8% массы всей Солнечной системы, является активным производителем гелия. За миллиарды лет своего существования оно уже преобразовало в гелий значительную часть водорода в своём ядре, тем самым ещё больше увеличивая общую долю этого элемента в нашей системе.

Ответ: Содержание гелия в Солнечной системе выше, чем в среднем по Вселенной, потому что она сформировалась из межзвёздного облака, которое уже было обогащено гелием в результате термоядерных реакций в звёздах предыдущих поколений. К этому добавляется гелий, который непрерывно синтезируется в недрах самого Солнца.

3. Атомов какого элемента больше всего:

а) в ядре Земли;

б) в земной коре?

а) в ядре Земли

Ядро Земли, согласно современным геофизическим моделям, состоит преимущественно из железо-никелевого сплава. Основным компонентом по массе является железо ($Fe$), его доля составляет около 85-90%. На долю никеля ($Ni$) приходится около 5-10%. Также в ядре присутствуют в небольших количествах более легкие элементы, такие как сера, кислород, кремний и углерод.

Поскольку массовая доля железа значительно превосходит долю любого другого элемента, а его молярная масса ($≈55.8$ г/моль) не является аномально высокой (она сопоставима с молярной массой никеля, $≈58.7$ г/моль), то и по количеству атомов железо является абсолютно доминирующим элементом в ядре Земли.

Ответ: Железо ($Fe$).

б) в земной коре

Земная кора состоит из множества химических элементов, но несколько из них являются преобладающими. Самым распространенным элементом по массе в земной коре является кислород ($O$), его содержание оценивается примерно в 47-49%. На втором месте находится кремний ($Si$) с долей около 27-28%. Далее следуют алюминий ($Al$), железо ($Fe$), кальций ($Ca$) и другие.

Чтобы определить, атомов какого элемента больше всего, необходимо учесть не только массовую долю, но и атомную массу элемента. Количество атомов (или мольная доля) пропорционально отношению массовой доли к молярной массе. Кислород имеет не только самую большую массовую долю, но и относительно низкую атомную массу ($≈16$ а.е.м.) по сравнению с другими распространенными элементами, например, кремнием ($≈28$ а.е.м.) или алюминием ($≈27$ а.е.м.). Благодаря этому сочетанию, на долю атомов кислорода приходится более 60% от общего числа всех атомов в земной коре, что делает его самым многочисленным.

Ответ: Кислород ($O$).

4. Химическая формула одного из минералов, входящих в состав мантии Земли, $Mg_2SiO_4$. Во сколько раз число атомов кислорода в этом минерале превышает число атомов:

а) магния;

б) кремния?

Дано:
Химическая формула минерала: $Mg_2SiO_4$

Найти:
Во сколько раз число атомов кислорода ($N(O)$) превышает число атомов:
а) магния ($N(Mg)$)
б) кремния ($N(Si)$)

Решение:
Химическая формула показывает количественное соотношение атомов химических элементов в веществе. В данном случае формула минерала (форстерита) - $Mg_2SiO_4$.
Индексы в формуле указывают на число атомов каждого элемента в одной формульной единице:
- Число атомов магния ($N(Mg)$) равно 2.
- Число атомов кремния ($N(Si)$) равно 1 (индекс 1 обычно не пишется).
- Число атомов кислорода ($N(O)$) равно 4.

а) Чтобы определить, во сколько раз число атомов кислорода превышает число атомов магния, необходимо найти отношение их количеств.
Вычислим отношение: $\frac{N(O)}{N(Mg)} = \frac{4}{2} = 2$.
Следовательно, число атомов кислорода в 2 раза больше числа атомов магния.
Ответ: в 2 раза.

б) Чтобы определить, во сколько раз число атомов кислорода превышает число атомов кремния, необходимо найти отношение их количеств.
Вычислим отношение: $\frac{N(O)}{N(Si)} = \frac{4}{1} = 4$.
Следовательно, число атомов кислорода в 4 раза больше числа атомов кремния.
Ответ: в 4 раза.

5. Шпинель — минерал, входящий в состав земной коры. Шпинель состоит из магния, алюминия и кислорода. Атомов магния в 2 раза меньше, чем атомов алюминия, а последних — в 2 раза меньше, чем атомов кислорода. Напишите химическую формулу шпинели.

Дано:

Минерал шпинель состоит из магния (Mg), алюминия (Al) и кислорода (O).

Число атомов магния в 2 раза меньше, чем число атомов алюминия.

Число атомов алюминия в 2 раза меньше, чем число атомов кислорода.

Найти:

Химическую формулу шпинели.

Решение:

Для определения химической формулы вещества необходимо найти соотношение числа атомов каждого элемента в его составе. Это соотношение выражается целыми числами, которые записываются в виде индексов в формуле.

Обозначим количество атомов магния, алюминия и кислорода как $N(Mg)$, $N(Al)$ и $N(O)$ соответственно.

Из условия задачи мы имеем следующие соотношения:

$N(Mg) = \frac{N(Al)}{2}$

$N(Al) = \frac{N(O)}{2}$

Чтобы найти простейшее целочисленное соотношение, примем количество атомов магния (элемента, которого в соединении меньше всего) за $x$.

Пусть $N(Mg) = x$.

Тогда, исходя из первого соотношения, число атомов алюминия будет в 2 раза больше:

$N(Al) = 2 \times N(Mg) = 2x$

Исходя из второго соотношения, число атомов кислорода будет в 2 раза больше, чем число атомов алюминия:

$N(O) = 2 \times N(Al) = 2 \times (2x) = 4x$

Теперь мы можем записать соотношение числа атомов всех трех элементов:

$N(Mg) : N(Al) : N(O) = x : 2x : 4x$

Для нахождения простейшей формулы, мы сокращаем это соотношение на $x$, получая наименьшие целые числа:

$1 : 2 : 4$

Это означает, что в составе шпинели на 1 атом магния приходится 2 атома алюминия и 4 атома кислорода. Записываем химическую формулу, используя эти числа в качестве индексов (индекс 1 не пишется).

Ответ: $MgAl_{2}O_{4}$

6. Используя свои знания по биологии, назовите по одному веществу в человеческом организме, в состав которых входят атомы элементов $C$, $N$, $P$, $S$, $Fe$.

C (углерод): Углерод — основной структурный элемент всех органических молекул в живых организмах. Он формирует углеродный "скелет" для важнейших классов соединений: белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот. В качестве примера можно привести глюкозу, которая является главным источником энергии для клеток человека.
Ответ: глюкоза ($C_6H_{12}O_6$).

N (азот): Азот является ключевым элементом аминокислот, которые служат строительными блоками для всех белков в организме. Белки выполняют множество функций: строительную, ферментативную, транспортную и другие. Также азот входит в состав азотистых оснований — структурных компонентов ДНК и РНК.
Ответ: белки (например, коллаген или альбумин).

P (фосфор): Фосфор играет центральную роль в энергетическом обмене, поскольку входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — универсальной энергетической "валюты" клетки. Кроме того, фосфор является неотъемлемой частью фосфолипидов, формирующих клеточные мембраны, и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), где он связывает нуклеотиды в единую цепь.
Ответ: аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

S (сера): Сера входит в состав двух важных аминокислот — метионина и цистеина. Эти аминокислоты участвуют в синтезе белков. Например, белок кератин, из которого состоят волосы и ногти, богат серосодержащими аминокислотами, которые образуют дисульфидные мостики, придающие ему прочность.
Ответ: аминокислота метионин.

Fe (железо): Железо является жизненно важным микроэлементом, который входит в состав гемоглобина — сложного белка, находящегося в эритроцитах (красных кровяных тельцах). Атом железа в составе гемоглобина обратимо связывает кислород в легких и транспортирует его ко всем тканям и органам.
Ответ: гемоглобин.

7. Используя приведённый ниже перечень, заполните таблицу, описывающую содержание элементов в организме человека.

«Элементы жизни»

Макроэлементы

Микроэлементы

Отсутствует в организме

Элементы: $H$, $He$, $C$, $N$, $O$, $Na$, $Mg$, $Si$, $P$, $S$, $K$, $Zn$, $I$.

Для того чтобы заполнить таблицу, необходимо классифицировать каждый элемент из предложенного списка в соответствии с его содержанием и биологической ролью в организме человека.

Макроэлементы

К макроэлементам относятся химические элементы, содержание которых в организме превышает 0,01% от массы тела. Они являются основным строительным материалом для клеток и тканей, а также участвуют в важнейших физиологических процессах. Из предложенного списка к этой группе относятся: H (Водород), C (Углерод), N (Азот) и O (Кислород) — это элементы-органогены, составляющие основу всех органических веществ. Также к макроэлементам относятся Na (Натрий), K (Калий), Mg (Магний), P (Фосфор) и S (Сера), которые выполняют ключевые функции в поддержании водно-солевого баланса, проведении нервных импульсов, формировании костной ткани и синтезе белков.

Ответ: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, K.

Микроэлементы

К микроэлементам относятся элементы, которые содержатся в организме в очень малых, «следовых» количествах (менее 0,01%), но при этом являются жизненно необходимыми. Они часто входят в состав ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Из предложенного списка к микроэлементам относятся: Si (Кремний), участвующий в формировании соединительной и костной ткани; Zn (Цинк), который является компонентом сотен ферментов и важен для иммунной системы; и I (Йод), необходимый для синтеза гормонов щитовидной железы.

Ответ: Si, Zn, I.

Отсутствует в организме

В эту категорию входят элементы, которые не выполняют известных биологических функций и в норме не являются постоянными компонентами человеческого тела. Из предложенного списка таким элементом является He (Гелий). Это инертный газ, который не вступает в химические реакции в условиях живого организма и не накапливается в нем.

Ответ: He.