Страница 65 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Все ли вещества имеют три агрегатных состояния?

Решение

Нет, не все вещества могут существовать в трёх классических агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Эта концепция является упрощением и хорошо применима в основном к простым веществам, молекулы которых достаточно устойчивы к нагреванию.

Главная причина, по которой вещество может не иметь всех трёх состояний, — это химическое разложение при температуре, которая ниже его точки плавления или кипения. Многие сложные органические и неорганические соединения вместо фазового перехода претерпевают химические реакции, превращаясь в совершенно другие вещества. Вот несколько примеров:

• Древесина и бумага: при нагревании они не плавятся, а обугливаются и воспламеняются (процессы пиролиза и горения).
• Сахар (сахароза): при нагревании он плавится (около 186°C), но практически сразу начинает разлагаться, превращаясь в карамель, а затем в уголь и воду. Газообразного состояния в виде молекул сахарозы он не достигает.
• Пищевые продукты, содержащие белок (например, яйцо): при нагревании белки денатурируют — их сложная пространственная структура необратимо разрушается, что приводит к затвердеванию. Это химический процесс, а не фазовый переход типа замерзания.

Кроме того, наблюдение всех трёх состояний для некоторых веществ требует создания экстремальных условий (очень высокого или низкого давления и температуры), которые не встречаются в обыденной жизни:

• Твёрдый диоксид углерода ($CO_2$), или «сухой лёд»: при нормальном атмосферном давлении он не плавится, а сразу испаряется, переходя из твёрдого состояния в газообразное. Этот процесс называется сублимацией (или возгонкой). Чтобы получить жидкий $CO_2$, необходимо давление выше 5,1 атмосферы.
• Гелий ($He$): это единственное вещество, которое не затвердевает при нормальном давлении даже при температуре, стремящейся к абсолютному нулю ($0$ К или $-273.15$°C). Для получения твёрдого гелия требуется давление свыше 25 атмосфер.

Таким образом, утверждение о существовании трёх агрегатных состояний является полезной моделью, но она не универсальна и имеет множество исключений, обусловленных химической природой вещества и внешними условиями.

Нет, не все вещества имеют три агрегатных состояния. Основная причина в том, что многие сложные вещества химически разлагаются при нагревании раньше, чем успевают расплавиться или закипеть. Также для некоторых веществ переход в определённое состояние (например, жидкое или твёрдое) возможен только при экстремальных, отличных от нормальных, условиях давления.

1. В каких агрегатных состояниях вещество имеет:

а) собственный объём;

б) форму?

Решение

а) собственный объём

Собственный, то есть не зависящий от формы сосуда, объём имеют вещества в твёрдом и жидком агрегатных состояниях.
Твёрдые тела сохраняют свой объём, так как частицы (атомы, молекулы, ионы), из которых они состоят, жёстко связаны друг с другом и лишь совершают колебания около положений равновесия. Расстояние между частицами остаётся практически постоянным.
Жидкости также сохраняют свой объём. Хотя частицы в жидкости более подвижны, чем в твёрдых телах, силы межмолекулярного притяжения всё ещё достаточно велики, чтобы удерживать их на близком расстоянии друг от друга, не позволяя им разойтись по всему доступному пространству.
Газы не имеют собственного объёма и занимают весь объём сосуда, в котором находятся, так как расстояние между их частицами велико, а силы притяжения очень малы.
Ответ: в твёрдом и жидком состояниях.

б) форму

Собственную, постоянную форму имеют вещества только в твёрдом агрегатном состоянии.
В твёрдых телах частицы образуют упорядоченную структуру (кристаллическую решётку) или неупорядоченную, но жёсткую структуру (в аморфных телах). Сильное взаимодействие между частицами обеспечивает сохранение формы тела.
Жидкости не имеют собственной формы. Они текучи и принимают форму той части сосуда, которую занимают. Это связано с тем, что их частицы могут свободно перемещаться друг относительно друга.
Газы, как и жидкости, не имеют собственной формы и полностью заполняют весь предоставленный им объём, принимая его форму.
Ответ: в твёрдом состоянии.

2. Какое вещество на Земле существует во всех трёх агрегатных со-

стояниях?

Вещество, которое в естественных условиях на Земле существует одновременно во всех трёх агрегатных состояниях — это вода (химическая формула $H_2O$). Диапазон температур и давлений на нашей планете создаёт уникальные условия, при которых вода может находиться в твёрдом, жидком и газообразном виде в разных частях мира.

Твёрдое состояние (лёд): Вода в твёрдой фазе встречается в виде льда, снега, инея и града. Огромные массы льда сосредоточены в полярных шапках (ледники Антарктиды и Гренландии), в высокогорных ледниках и в слоях вечной мерзлоты. Также лёд покрывает реки и озёра в зимний период и дрейфует в океанах в виде айсбергов.

Жидкое состояние (вода): Это самое распространённое состояние воды на поверхности Земли. Жидкая вода формирует океаны, моря, озёра, реки, болота и подземные воды. В виде дождя она выпадает из атмосферы. Мировой океан покрывает около 71% земной поверхности.

Газообразное состояние (водяной пар): Вода в газообразном состоянии присутствует в атмосфере в виде невидимого водяного пара. Он образуется в результате процесса испарения с поверхности водоёмов, почвы и растений. Хотя водяной пар невидим, его наличие становится явным при конденсации, когда он образует видимые капельки воды или кристаллики льда, формируя облака, туман и росу.

Таким образом, вода является уникальным веществом, которое мы можем наблюдать в природе во всех трёх его состояниях.

Ответ: вода.

3. Приведите примеры явлений испарения, сублимации, кристаллизации и конденсации, которые можно наблюдать в природе.

Испарение

Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Это явление играет ключевую роль в круговороте воды в природе. Примеры испарения, которые можно наблюдать:

• Испарение воды с поверхности океанов, морей, озер и рек под действием солнечного тепла. Образующийся водяной пар поднимается в атмосферу.
• Высыхание луж на асфальте или земле после дождя.
• Транспирация — испарение воды растениями через листья.

Ответ: Примерами испарения в природе являются испарение воды с поверхности водоемов, высыхание луж и испарение влаги растениями.

Сублимация

Сублимация (или возгонка) — это переход вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую фазу. В природе это явление можно наблюдать в следующих случаях:

• "Испарение" снега и льда в морозную погоду. Даже при температуре ниже $0^\circ\text{C}$ твердая вода (лед, снег) постепенно переходит в водяной пар, из-за чего сугробы могут уменьшаться в размере даже без таяния.
• Образование хвоста кометы. Когда комета приближается к Солнцу, лед и другие замерзшие вещества на ее поверхности сублимируют под действием солнечного излучения, образуя газопылевое облако вокруг ядра и вытянутый хвост.

Ответ: Примеры сублимации в природе — это испарение снега и льда зимой при отрицательных температурах и образование хвоста у комет.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс образования кристаллов из газа, раствора или расплава. В природе это может быть как переход из жидкого состояния в твердое (замерзание), так и из газообразного в твердое (десублимация).

• Замерзание воды в водоемах с образованием льда. Лед — это кристаллическое состояние воды.
• Образование снежинок в облаках. Водяной пар или переохлажденные капли воды в атмосфере кристаллизуются, формируя уникальные по своей форме ледяные кристаллы — снежинки.
• Появление инея на траве, ветках деревьев и других поверхностях. Это результат кристаллизации водяного пара из воздуха на холодных предметах.

Ответ: Примеры кристаллизации в природе — замерзание воды с образованием льда, формирование снежинок и появление инея.

Конденсация

Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, обратный испарению. Примеры в природе:

• Образование облаков и тумана. Когда теплый влажный воздух поднимается и охлаждается, водяной пар в нем конденсируется, превращаясь в мельчайшие капельки воды, из которых и состоят облака и туман.
• Выпадение росы. Ночью поверхность земли и растения остывают. Водяной пар, содержащийся в приземном слое воздуха, при соприкосновении с этими холодными поверхностями конденсируется, образуя капли воды — росу.

Ответ: Примерами конденсации в природе являются образование облаков, тумана и выпадение росы.

4. На рисунке 48 изображено строение одного и того же вещества в трёх агрегатных состояниях. Какие агрегатные состояния обозначены буквами а, б и в?

Рис. 48. Агрегатное состояние вещества

Решение

На рисунках изображены модели молекулярного строения вещества в трёх агрегатных состояниях. Агрегатное состояние определяется характером движения и взаимного расположения частиц вещества (молекул, атомов, ионов).

а) На этом рисунке частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, без строгого порядка. Они колеблются и могут перемещаться друг относительно друга, меняя своё положение. Такое расположение частиц характерно для жидкостей, которые сохраняют свой объём, но легко меняют форму.

Ответ: жидкое состояние.

б) Здесь частицы находятся на больших расстояниях друг от друга, которые значительно превышают размеры самих частиц. Они движутся беспорядочно и с большими скоростями, почти не взаимодействуя между собой. Такое строение характерно для газов, которые не имеют ни собственной формы, ни объёма и занимают весь предоставленный им сосуд.

Ответ: газообразное состояние.

в) На данном рисунке частицы упакованы плотно и расположены в строго определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. Частицы не могут свободно перемещаться, а лишь совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Такое строение характерно для твёрдых тел, которые сохраняют и свою форму, и объём.

Ответ: твёрдое состояние.

5. В термометрах для измерения температуры на улице используют ртуть или подкрашенный спирт. Используя данные текста параграфа, определите, какой из них (или оба) можно использовать:

а) в тропиках;

б) в Арктике. Объясните.

Для того чтобы определить, какой термометр подходит для использования в определенных климатических условиях, необходимо знать рабочий диапазон температур для каждой из жидкостей (ртути и подкрашенного спирта). Жидкость в термометре должна оставаться в жидком состоянии, то есть ее температура не должна опускаться ниже температуры замерзания или подниматься выше температуры кипения.

Рабочие диапазоны температур для ртути и спирта (этанола) определяются их физическими свойствами:

• Для ртути температура замерзания составляет примерно $t_{зам} \approx -39$ °C, а температура кипения $t_{кип} \approx 357$ °C.
• Для спирта температура замерзания составляет примерно $t_{зам} \approx -114$ °C, а температура кипения $t_{кип} \approx 78$ °C.

а) в тропиках;

В тропиках климат жаркий, температура воздуха обычно высокая, но редко превышает $50$ °C. Температура кипения спирта ($ \approx 78$ °C) и тем более ртути ($ \approx 357$ °C) выше, чем максимальные температуры в тропиках. Температуры замерзания обеих жидкостей намного ниже, чем минимально возможные температуры в этой зоне. Таким образом, и ртуть, и спирт будут находиться в жидком состоянии. Это означает, что для измерения температуры в тропиках подходят оба вида термометров.

Ответ: в тропиках можно использовать как ртутные, так и спиртовые термометры.

б) в Арктике.

Для Арктики характерны очень низкие зимние температуры, которые могут опускаться до $-60$ °C и ниже. Температура замерзания ртути составляет около $-39$ °C. Это означает, что в условиях сильного арктического мороза ртуть затвердеет, и ртутный термометр не сможет показывать температуру. Спирт же замерзает при гораздо более низкой температуре ($ \approx -114$ °C), которая практически не встречается в природных условиях на Земле. Следовательно, спиртовой термометр сохранит работоспособность даже в самые суровые морозы.

Ответ: в Арктике можно использовать только спиртовые термометры.

6. Воздух на 99% состоит из двух газов — азота (температура кипения $-196 \text{ °C}$) и кислорода (температура кипения $-183 \text{ °C}$). Опишите, что будет происходить при охлаждении воздуха от комнатной температуры до температуры:

a) $-180 \text{ °C}$

б) $-190 \text{ °C}$

в) $-200 \text{ °C}$

Дано:

Температура кипения (конденсации) азота: $t_{кип(N_2)} = -196\ ^{\circ}C$
Температура кипения (конденсации) кислорода: $t_{кип(O_2)} = -183\ ^{\circ}C$
Конечные температуры для охлаждения воздуха: $t_{а} = -180\ ^{\circ}C$, $t_{б} = -190\ ^{\circ}C$, $t_{в} = -200\ ^{\circ}C$

Найти:

Описать агрегатное состояние воздуха при охлаждении до каждой из указанных температур.

Решение:

Воздух является смесью газов, в основном азота и кислорода. При охлаждении смеси газов каждый компонент переходит из газообразного состояния в жидкое (конденсируется) при достижении своей индивидуальной температуры конденсации, которая равна температуре кипения. У кислорода температура конденсации выше ($-183\ ^{\circ}C$), чем у азота ($-196\ ^{\circ}C$), поэтому при постепенном охлаждении воздуха кислород начнет сжижаться первым.

а) -180 °С;

Конечная температура охлаждения $-180\ ^{\circ}C$ выше, чем температуры конденсации и кислорода ($-183\ ^{\circ}C$), и азота ($-196\ ^{\circ}C$). Поскольку $ -180\ ^{\circ}C > -183\ ^{\circ}C $ и $ -180\ ^{\circ}C > -196\ ^{\circ}C $, ни один из основных компонентов воздуха не изменит своего агрегатного состояния. Воздух останется газовой смесью, только очень холодной.
Ответ: Воздух останется в газообразном состоянии.

б) -190 °С;

При охлаждении воздуха его температура пройдет отметку $-183\ ^{\circ}C$, при которой кислород начнет конденсироваться. Конечная температура $-190\ ^{\circ}C$ ниже температуры конденсации кислорода ($ -190\ ^{\circ}C < -183\ ^{\circ}C $), но все еще выше температуры конденсации азота ($ -190\ ^{\circ}C > -196\ ^{\circ}C $). Это означает, что кислород перейдет в жидкое состояние, а азот продолжит оставаться газом.
Ответ: Кислород сконденсируется и станет жидкостью, а азот останется в газообразном состоянии. В результате образуется смесь жидкого кислорода и газообразного азота.

в) -200 °С.

Конечная температура $-200\ ^{\circ}C$ находится ниже температур конденсации обоих основных компонентов воздуха. В процессе охлаждения сначала при $-183\ ^{\circ}C$ сконденсируется кислород, а затем, при дальнейшем понижении температуры до $-196\ ^{\circ}C$, сконденсируется и азот. Так как $ -200\ ^{\circ}C < -183\ ^{\circ}C $ и $ -200\ ^{\circ}C < -196\ ^{\circ}C $, оба газа перейдут в жидкое состояние.
Ответ: И кислород, и азот перейдут в жидкое состояние. Весь воздух превратится в жидкость (жидкий воздух).