Страница 70 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Снежинки — это кристаллы льда. Почему не бывает двух одинаковых снежинок?

Утверждение о том, что не бывает двух одинаковых снежинок, является общепринятым и основывается на невероятной сложности и случайности процесса их формирования. Хотя на микроскопическом уровне, в самом начале своего зарождения, все снежинки действительно похожи и представляют собой крошечные шестиугольные призмы, их дальнейший рост делает каждую из них уникальной.

Вот ключевые факторы, объясняющие это явление:

1. Структура молекулы воды. Снежинки — это кристаллы льда, состоящие из молекул воды ($H_2O$). Из-за особенностей строения этих молекул они при замерзании выстраиваются в упорядоченную структуру — гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решетку. Именно поэтому почти все снежинки имеют шесть лучей или шесть углов.
2. Условия роста. Форма кристалла льда очень чувствительна к малейшим изменениям температуры и влажности (пересыщения водяного пара) в атмосфере. Падая сквозь облако, зародыш снежинки проходит через слои воздуха с разными характеристиками. Например:
   • При температуре от 0 до -3 °C растут плоские шестиугольные пластинки.
   • В диапазоне от -3 до -8 °C образуются столбики и иглы.
   • При температуре от -12 до -16 °C формируются самые красивые и сложные ветвистые кристаллы — дендриты.
   Влажность воздуха, в свою очередь, влияет на скорость роста и сложность ветвления лучей.
3. Уникальный путь. Каждая снежинка совершает свой собственный, неповторимый путь с верхних слоев атмосферы к земле. Этот путь занимает от 20 минут до нескольких часов. Во время своего "путешествия" она постоянно перемещается, вращается и сталкивается с уникальной последовательностью температур и уровней влажности. Даже соседние снежинки, падающие в нескольких миллиметрах друг от друга, проходят через немного разные микроусловия.

Таким образом, конечная форма снежинки является точной "записью" всех атмосферных условий, которые она испытала на своем пути. Количество возможных комбинаций этих условий астрономически велико. Типичная снежинка состоит примерно из $10^{18}$ молекул воды, и число возможных вариантов их расположения в сложную структуру практически бесконечно. Вероятность того, что две снежинки пройдут абсолютно идентичный путь и все $10^{18}$ молекул в них выстроятся одинаково, настолько мала, что ею можно пренебречь.

Ответ: Не бывает двух одинаковых снежинок, потому что каждая из них формируется, падая сквозь атмосферу по уникальной траектории. Форма снежинки чрезвычайно чувствительна к малейшим колебаниям температуры и влажности. Поскольку каждая снежинка проходит через свою неповторимую последовательность атмосферных условий, её конечная структура, являющаяся "записью" этого пути, становится уникальной.

1. Какие тела называют кристаллами? Приведите примеры.

Кристаллами называют твердые тела, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены строго упорядоченно, образуя периодически повторяющуюся в пространстве трехмерную структуру — кристаллическую решетку. Такое внутреннее строение является главным отличительным признаком кристаллов от аморфных тел, у которых частицы расположены хаотично.

Вследствие упорядоченной внутренней структуры монокристаллы (одиночные кристаллы) при росте в свободных условиях приобретают правильную внешнюю форму многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами. Еще одним важным свойством кристаллов является анизотропия — зависимость их физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления внутри кристалла. Например, прочность кристалла может быть разной при приложении силы вдоль разных осей.

Примеры кристаллов можно найти повсюду:

• Природные минералы: кварц, алмаз, графит, поваренная соль (галит), слюда, гипс, кальцит.
• Драгоценные камни: рубин, сапфир, изумруд, топаз (все они являются кристаллами определенных минералов).
• Кристаллы, встречающиеся в природе и быту: снежинки и лед (кристаллы воды), кристаллы сахара, лимонной кислоты.
• Металлы и их сплавы: в твердом состоянии все металлы имеют кристаллическое строение (хотя обычно они поликристаллические, то есть состоят из множества мелких сросшихся кристаллитов).
• Искусственно выращенные кристаллы: кремний и германий для полупроводниковой электроники, искусственные алмазы, рубины для лазеров.

Ответ: Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых расположены в строгом порядке, образуя правильную пространственную структуру (кристаллическую решетку). Примеры: поваренная соль, сахар, кварц, алмаз, снежинки, все металлы в твердом состоянии.

2. Найдите в интернете фотографии кристаллов медного купороса, калийной селитры, алюмокалиевых квасцов. Сравните их.

Для сравнения кристаллов медного купороса, калийной селитры и алюмокалиевых квасцов рассмотрим их внешний вид, форму и химический состав.

Кристаллы медного купороса. Медный купорос (пентагидрат сульфата меди(II), $CuSO_4 \cdot 5H_2O$) легко узнать по его характерному ярко-синему цвету, который обусловлен гидратированными ионами меди. Его кристаллы принадлежат к триклинной сингонии, из-за чего они имеют асимметричную форму, часто в виде наклонных призм или параллелепипедов. Кристаллы прозрачны или полупрозрачны и обладают стекловидным блеском.

Кристаллы калийной селитры. Калийная селитра (нитрат калия, $KNO_3$), в отличие от медного купороса, образует бесцветные (белые в мелкокристаллическом виде) кристаллы. Они кристаллизуются в ромбической сингонии и обычно имеют удлиненную, игольчатую или призматическую форму. Кристаллы прозрачные, со стекловидным блеском. В отличие от двух других веществ, это соединение не является кристаллогидратом.

Кристаллы алюмокалиевых квасцов. Алюмокалиевые квасцы (гидрат сульфата калия-алюминия, $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$) также образуют бесцветные прозрачные кристаллы со стекловидным блеском. Их отличительная черта — очень красивая и правильная форма. Они принадлежат к кубической сингонии и растут в виде правильных октаэдров (восьмигранников). Это двойная соль и кристаллогидрат, содержащий 12 молекул воды.

Таким образом, при сравнении этих веществ можно выделить следующие ключевые различия и сходства:

• Цвет: Наиболее очевидное различие. Медный купорос — синий, в то время как калийная селитра и алюмокалиевые квасцы — бесцветные.
• Форма кристаллов: Все три вещества имеют кристаллы кардинально разной формы, так как принадлежат к разным кристаллическим системам. У медного купороса — асимметричные призмы (триклинная сингония), у калийной селитры — игольчатые призмы (ромбическая сингония), а у алюмокалиевых квасцов — правильные октаэдры (кубическая сингония).
• Химический состав: Медный купорос и алюмокалиевые квасцы являются кристаллогидратами, то есть их кристаллическая решетка содержит молекулы воды. Калийная селитра не содержит кристаллизационной воды.
• Общие свойства: Все три вещества в виде чистых монокристаллов прозрачны и обладают стекловидным блеском.

Ответ: Кристаллы медного купороса, калийной селитры и алюмокалиевых квасцов различаются по цвету (синие у медного купороса, бесцветные у остальных), форме (асимметричные призмы у медного купороса, игольчатые у селитры, правильные октаэдры у квасцов) и по наличию кристаллизационной воды в составе (есть у медного купороса и квасцов, отсутствует у селитры). Общим свойством для них является прозрачность и стекловидный блеск в виде чистых кристаллов.

3. Какие известные вам продукты питания состоят из отдельных кристаллов?

Многие продукты питания, которые мы используем ежедневно, в своей основе являются кристаллическими веществами. Кристаллы — это твердые тела, в которых атомы, молекулы или ионы расположены в строго упорядоченной, повторяющейся структуре, образуя кристаллическую решетку. Вот несколько примеров таких продуктов:

Поваренная соль. Это, пожалуй, самый известный пример. Обычная столовая соль представляет собой хлорид натрия ($NaCl$). В пачке с солью крупного помола мы можем видеть отдельные кристаллы кубической формы. Мелкая соль также состоит из множества крошечных кристалликов.

Сахар. Сахар-песок, который мы добавляем в чай или выпечку, состоит из отдельных кристаллов сахарозы ($C_{12}H_{22}O_{11}$). Эти кристаллы имеют моноклинную форму (похожи на скошенные параллелепипеды). Отличным примером крупных кристаллов сахара является леденцовый сахар.

Лимонная кислота. Часто используется в кулинарии как консервант и регулятор кислотности. Продается в виде белого порошка, который является совокупностью мелких бесцветных кристаллов.

Пищевой лёд. Замороженная вода, или лёд, является кристаллическим веществом. Молекулы воды ($H_2O$) в твердом состоянии образуют упорядоченную гексагональную кристаллическую решетку. Кубики льда для напитков, снег и иней — всё это кристаллы воды.

Сода (гидрокарбонат натрия). Пищевая сода, используемая в выпечке, также является кристаллическим порошком, состоящим из моноклинных кристаллов.

Глутамат натрия. Это известный усилитель вкуса, который также представляет собой кристаллическое вещество, состоящее из кристаллов в форме вытянутых призм.

Ответ: Продукты питания, состоящие из отдельных кристаллов, включают поваренную соль, сахар, лимонную кислоту, пищевой лёд, пищевую соду, глутамат натрия.

4. Речной песок тоже состоит из кристаллов вещества, называемого кварцем. Песок добывают не только в реках, но и в карьерах. Если в две литровые банки положить речной и карьерный песок равной массы, то окажется, что карьерный песок занимает меньший объём. Выскажите предположение, чем это может быть вызвано.

Решение

Это явление объясняется различием в так называемой насыпной плотности речного и карьерного песка. Насыпная плотность — это отношение массы сыпучего материала ко всему занимаемому им объёму, который включает в себя как объём самих частиц (песчинок), так и объём пустот (промежутков) между ними.

Разница в насыпной плотности в данном случае вызвана, главным образом, формой и распределением частиц по размерам.

Речной песок

Частицы речного песка в течение долгого времени подвергаются воздействию текучей воды. Этот процесс, называемый абразией, сглаживает их, придавая им округлую или овальную форму. Кроме того, вода сортирует частицы по размеру, поэтому речной песок обычно состоит из песчинок примерно одинакового размера. Когда такие гладкие и однородные частицы насыпают в ёмкость, они укладываются друг с другом не очень плотно, оставляя между собой довольно большие пустоты. Это можно сравнить с тем, как укладываются в коробке стеклянные шарики.

Карьерный песок

Карьерный песок получают путём механического дробления горных пород. Поэтому его частицы имеют неправильную, угловатую форму с острыми краями. Самое важное отличие заключается в том, что карьерный песок содержит частицы самых разных размеров — от относительно крупных до очень мелких, пылевидных. При заполнении ёмкости такая разнородная смесь укладывается гораздо плотнее: мелкие частицы заполняют пустое пространство (поры) между крупными частицами. Это приводит к значительному уменьшению общего объёма пустот.

Вывод

Поскольку в одинаковой массе карьерного песка объём пустот между частицами значительно меньше, чем в той же массе речного песка, его общий (насыпной) объём оказывается меньшим. Это также означает, что насыпная плотность ($ρ_{нас}$) карьерного песка выше, чем у речного. Исходя из формулы плотности $ρ = m/V$, при одинаковой массе ($m$) тот материал, у которого объём ($V$) меньше, обладает большей плотностью.

Ответ: Карьерный песок занимает меньший объём по сравнению с речным песком той же массы, так как его частицы имеют угловатую форму и, что более важно, сильно различаются по размеру. Мелкие частицы заполняют пустоты между крупными, что обеспечивает более плотную укладку и уменьшает общий объём воздушных промежутков. У речного песка частицы более округлые и однородные по размеру, поэтому они укладываются менее плотно, оставляя больше пустого пространства.

✓ Как классифицируют вещества по составу?

Все вещества по составу в первую очередь делят на чистые вещества и смеси. Чистые вещества, в свою очередь, имеют постоянный состав и свойства. Их классификация основана на том, из атомов каких химических элементов они состоят. В рамках этой классификации чистые вещества делят на простые и сложные.

Простые вещества

Это химические вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента. Простые вещества не могут быть разложены на более простые компоненты химическими методами. Примерами служат кислород ($O_2$), состоящий только из атомов кислорода, и железо ($Fe$), состоящее только из атомов железа.

В зависимости от свойств, простые вещества подразделяются на:

• Металлы: для них характерны металлический блеск, ковкость, высокая электро- и теплопроводность. Например: натрий ($Na$), медь ($Cu$), золото ($Au$).
• Неметаллы: не обладают типичными свойствами металлов. Например: сера ($S$), углерод ($C$), азот ($N_2$).
• Полуметаллы (металлоиды): проявляют свойства, промежуточные между металлами и неметаллами. Например: кремний ($Si$), мышьяк ($As$).

Ответ: Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента и делятся на металлы, неметаллы и полуметаллы.

Сложные вещества (химические соединения)

Это химические вещества, состоящие из атомов двух или более различных химических элементов, которые связаны между собой химическими связями в определенных соотношениях (закон постоянства состава). Сложные вещества можно разложить химическими методами на составляющие их простые вещества. Примерами являются вода ($H_2O$), состоящая из атомов водорода и кислорода, и поваренная соль ($NaCl$), состоящая из атомов натрия и хлора.

Сложные вещества делят на две большие категории:

• Неорганические вещества: все соединения, за исключением большинства соединений углерода. Их классифицируют по составу и химическим свойствам на основные классы:
  • Оксиды: соединения элементов с кислородом в степени окисления -2. Например: оксид кальция ($CaO$), оксид серы(VI) ($SO_3$).
  • Кислоты: состоят из атомов водорода, способных замещаться на атомы металла, и кислотного остатка. Например: соляная кислота ($HCl$), серная кислота ($H_2SO_4$).
  • Основания: состоят из атомов металла (или иона аммония $NH_4^+$) и гидроксогрупп ($-OH$). Например: гидроксид натрия ($NaOH$), гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$).
  • Соли: рассматриваются как продукты взаимодействия кислот и оснований. Состоят из катионов металла (или аммония) и анионов кислотного остатка. Например: хлорид натрия ($NaCl$), сульфат меди(II) ($CuSO_4$).
• Органические вещества: класс соединений, основу которых составляет углеродный скелет. Это огромный класс веществ, включающий углеводороды, спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, эфиры, амины, аминокислоты, белки, жиры и углеводы. Например: метан ($CH_4$), этанол ($C_2H_5OH$), уксусная кислота ($CH_3COOH$).

Ответ: Сложные вещества состоят из атомов разных химических элементов и делятся на неорганические (оксиды, кислоты, основания, соли и др.) и органические.

✓ Каковы основные классы неорганических веществ?

Все неорганические вещества делятся на простые и сложные. Простые состоят из атомов одного элемента, а сложные – из атомов нескольких элементов. Существует четыре основных класса сложных неорганических веществ, которые тесно взаимосвязаны.

Оксиды

Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2. Общая формула оксидов — $Э_xО_y$, где $Э$ — химический элемент.

Оксиды классифицируют на:

• Основные оксиды: образуются металлами с низкой степенью окисления (обычно +1, +2). Им соответствуют основания. Примеры: оксид натрия $Na_2O$, оксид кальция $CaO$, оксид меди(II) $CuO$.
• Кислотные оксиды: образуются неметаллами или металлами с высокой степенью окисления (от +4 до +7). Им соответствуют кислоты. Примеры: оксид серы(VI) $SO_3$, оксид углерода(IV) $CO_2$, оксид фосфора(V) $P_2O_5$.
• Амфотерные оксиды: проявляют свойства и основных, и кислотных оксидов в зависимости от условий. Образуются переходными металлами. Примеры: оксид цинка $ZnO$, оксид алюминия $Al_2O_3$, оксид бериллия $BeO$.
• Несолеобразующие (безразличные) оксиды: оксиды, которые не взаимодействуют с кислотами и щелочами с образованием солей. Примеры: оксид углерода(II) $CO$, оксид азота(I) $N_2O$.

Ответ: Оксиды — это бинарные соединения химических элементов с кислородом в степени окисления -2.

Основания

Основания (гидроксиды) — это сложные вещества, которые состоят из атомов металла (или иона аммония $NH_4^+$) и одной или нескольких гидроксогрупп ($-OH$). С точки зрения теории электролитической диссоциации, основания — это электролиты, которые при диссоциации в воде образуют в качестве анионов только гидроксид-ионы $OH^-$. Общая формула оснований — $M(OH)_n$, где $M$ — металл, а $n$ — его степень окисления.

Основания классифицируют по растворимости в воде:

• Растворимые (щелочи): гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Сильные электролиты. Примеры: гидроксид натрия $NaOH$, гидроксид калия $KOH$, гидроксид бария $Ba(OH)_2$.
• Нерастворимые: гидроксиды большинства других металлов. Являются слабыми электролитами. Примеры: гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$, гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$.
• Амфотерные гидроксиды: в зависимости от условий могут проявлять как основные, так и кислотные свойства. Примеры: гидроксид цинка $Zn(OH)_2$, гидроксид алюминия $Al(OH)_3$.

Ответ: Основания — это сложные вещества, состоящие из катионов металла и гидроксид-анионов $OH^-$.

Кислоты

Кислоты — это сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на атомы металла, и кислотного остатка. С точки зрения теории электролитической диссоциации, кислоты — это электролиты, которые при диссоциации в воде образуют в качестве катионов только ионы водорода $H^+$. Общая формула кислот — $H_n(Кисл.ост.)$, где $n$ — число атомов водорода.

Кислоты классифицируют по разным признакам:

• По содержанию кислорода: кислородсодержащие ($H_2SO_4$ — серная, $HNO_3$ — азотная) и бескислородные ($HCl$ — соляная, $H_2S$ — сероводородная).
• По основности (числу атомов H): одноосновные ($HCl$), двухосновные ($H_2SO_4$), трехосновные ($H_3PO_4$ — ортофосфорная).
• По силе: сильные (почти полностью диссоциируют в воде, например, $HCl, H_2SO_4, HNO_3$) и слабые (диссоциируют незначительно, например, $H_2CO_3$ — угольная, $H_2S$).

Ответ: Кислоты — это сложные вещества, молекулы которых содержат атомы водорода и кислотный остаток, и которые в водных растворах диссоциируют с образованием катионов водорода $H^+$.

Соли

Соли — это сложные вещества, состоящие из катионов металла (или иона аммония $NH_4^+$) и анионов кислотного остатка. Их можно рассматривать как продукты полного или частичного замещения атомов водорода в кислоте на атомы металла, или гидроксогрупп в основании на кислотные остатки.

Соли бывают нескольких типов:

• Средние (нормальные): продукты полного замещения атомов водорода в кислоте на металл. Примеры: хлорид натрия $NaCl$, сульфат калия $K_2SO_4$.
• Кислые: продукты неполного замещения атомов водорода в многоосновной кислоте на металл (содержат ионы $H^+$ в составе аниона). Примеры: гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$, гидросульфат калия $KHSO_4$.
• Основные: продукты неполного замещения гидроксогрупп в многокислотном основании на кислотный остаток (содержат группы $OH^-$ в составе катиона). Примеры: гидроксокарбонат меди(II) $(CuOH)_2CO_3$.
• Двойные: содержат два разных катиона и один анион. Пример: алюмокалиевые квасцы $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$.
• Комплексные: содержат комплексный ион (катион или анион), который заключается в квадратные скобки. Пример: гексацианоферрат(III) калия $K_3[Fe(CN)_6]$.

Ответ: Соли — это класс химических соединений, которые в водном растворе диссоциируют на катионы металла (или аммония) и анионы кислотного остатка.