Страница 29 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие агрегатные состояния веществ вы знаете? Приведите примеры веществ в газообразном, жидком и твёрдом агрегатных состояниях при обычных условиях.

Вещества могут существовать в различных агрегатных состояниях, основными из которых являются твёрдое, жидкое и газообразное. Существует также четвёртое состояние — плазма. Агрегатное состояние определяется силами взаимодействия между частицами вещества (атомами, молекулами) и их кинетической энергией, которые, в свою очередь, зависят от температуры и давления.

Твёрдое агрегатное состояние

В твёрдом состоянии частицы вещества плотно упакованы и совершают лишь небольшие колебания около фиксированных положений. Благодаря сильному взаимному притяжению частиц, твёрдые тела сохраняют как свой объём, так и форму. Различают кристаллические (с упорядоченной структурой, например, соль) и аморфные (с неупорядоченной структурой, например, стекло) твёрдые тела.

Примеры веществ в твёрдом состоянии при обычных условиях (комнатная температура и атмосферное давление): железо, поваренная соль, сахар, дерево, медь, алюминий, камень.

Жидкое агрегатное состояние

В жидкостях частицы расположены близко друг к другу, но могут свободно перемещаться. Поэтому жидкости сохраняют свой объём, но не имеют постоянной формы и принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкости обладают свойством текучести и практически не сжимаемы.

Примеры веществ в жидком состоянии при обычных условиях: вода, ртуть, этиловый спирт, молоко, растительное масло, нефть.

Газообразное агрегатное состояние

В газах расстояние между частицами значительно больше их размеров, и они движутся хаотично и с большими скоростями. Силы притяжения между ними очень малы. Газы не имеют ни собственной формы, ни постоянного объёма; они стремятся занять весь предоставленный им объём и легко сжимаются.

Примеры веществ в газообразном состоянии при обычных условиях: кислород, азот (основные составляющие воздуха), углекислый газ, водяной пар, гелий, неон.

Ответ:

Основные агрегатные состояния веществ — твёрдое, жидкое и газообразное. Также существует плазма.
Примеры веществ в различных агрегатных состояниях при обычных условиях:
• в газообразном: кислород, азот, углекислый газ;
• в жидком: вода, ртуть, спирт;
• в твёрдом: железо, соль, сахар.

2. Чем различаются агрегатные состояния вещества с точки зрения расстояния между частицами?

Агрегатные состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное — фундаментально различаются по среднему расстоянию между составляющими их частицами (атомами, молекулами) и, как следствие, по характеру их движения и взаимодействия.

Твердое состояние

В твердых телах частицы упакованы очень плотно и расположены в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Расстояние между соседними частицами минимально и сопоставимо с размерами самих частиц. Из-за сильного взаимного притяжения частицы не могут свободно перемещаться, а лишь совершают колебательные движения около своих фиксированных положений. Это обусловливает сохранение твердыми телами формы и объема.

Жидкое состояние

В жидкостях частицы также находятся близко друг к другу, и расстояние между ними лишь незначительно больше, чем в твердых телах. Однако, в отличие от твердых тел, у них нет строгого порядка в расположении (так называемый «ближний порядок»). Частицы могут перемещаться относительно друг друга, «перескакивая» с места на место. Благодаря этому жидкости текучи и принимают форму сосуда, но сохраняют практически постоянный объем.

Газообразное состояние

В газах среднее расстояние между частицами во много раз (в десятки, сотни и более раз) превышает их собственные размеры. Частицы движутся хаотично, с большими скоростями и почти не взаимодействуют друг с другом, за исключением коротких моментов столкновений. Из-за этого газы не имеют ни собственной формы, ни постоянного объема и стремятся занять все доступное им пространство.

Ответ: Агрегатные состояния различаются средним расстоянием между частицами: в твердом состоянии оно минимально (сопоставимо с размером частиц), в жидком — ненамного больше, а в газообразном — во много раз превышает размеры частиц.

3. Как называются взаимные переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое?

Решение

Взаимные переходы веществ из одного агрегатного состояния (твёрдого, жидкого, газообразного) в другое называются фазовыми переходами или фазовыми превращениями. Эти процессы всегда сопровождаются поглощением или выделением определённого количества теплоты.

Существуют следующие основные виды фазовых переходов:

• Плавление — это переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. Процесс происходит при постоянной температуре (температуре плавления) и требует подвода энергии.
  Твёрдое тело $ \rightarrow $ Жидкость

• Кристаллизация (или отвердевание) — это процесс, обратный плавлению, то есть переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Он сопровождается выделением энергии.
  Жидкость $ \rightarrow $ Твёрдое тело

• Парообразование — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс может протекать двумя способами:
  - Испарение — парообразование, которое происходит с поверхности жидкости при любой температуре.
  - Кипение — интенсивное парообразование, происходящее по всему объёму жидкости при определённой температуре (температуре кипения).
  Жидкость $ \rightarrow $ Газ

• Конденсация — это процесс, обратный парообразованию, то есть переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При конденсации энергия выделяется.
  Газ $ \rightarrow $ Жидкость

• Сублимация (или возгонка) — это переход вещества из твёрдого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую фазу. Этот процесс требует поглощения энергии.
  Твёрдое тело $ \rightarrow $ Газ

• Десублимация — это процесс, обратный сублимации, то есть переход вещества из газообразного состояния непосредственно в твёрдое. Сопровождается выделением энергии.
  Газ $ \rightarrow $ Твёрдое тело

Ответ: Взаимные переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое называются фазовыми переходами. К ним относятся: плавление, кристаллизация (отвердевание), парообразование (испарение и кипение), конденсация, сублимация (возгонка) и десублимация.

4. Среди перечисленных явлений укажите лишнее:

а) плавление льда;

б) кипение воды;

в) разложение воды на водород и кислород;

г) конденсация водяного пара;

д) кристаллизация жидкой воды.

Поясните свой выбор.

Лишним в данном перечне является явление в) разложение воды на водород и кислород.

Пояснение:
Все перечисленные явления, кроме одного, относятся к физическим явлениям, а именно к изменению агрегатного состояния воды. При физических явлениях изменяется форма тела или агрегатное состояние вещества, но само вещество не превращается в другое.

Рассмотрим каждый пункт:
а) плавление льда – это переход воды из твердого состояния в жидкое.
б) кипение воды – это интенсивный переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар).
г) конденсация водяного пара – это переход воды из газообразного состояния в жидкое.
д) кристаллизация жидкой воды – это переход воды из жидкого состояния в твердое (замерзание).
Во всех этих случаях вещество остается водой, химическая формула которой $H_2O$.

Пункт в) разложение воды на водород и кислород описывает химическое явление (химическую реакцию). В ходе этого процесса молекулы воды ($H_2O$) разрушаются и образуются молекулы новых веществ – водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$). Уравнение этой реакции: $2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$. Таким образом, одно вещество превращается в другие.

Следовательно, разложение воды является химическим явлением, в отличие от остальных, которые являются физическими, и поэтому оно является лишним в списке.

Ответ: в) разложение воды на водород и кислород.

1. Приведите примеры практического использования процесса десублимации воды.

Десублимация воды — это фазовый переход вещества из газообразного состояния (водяного пара) непосредственно в твёрдое (лёд), минуя жидкую фазу. Этот процесс широко распространён в природе и используется в различных технологиях.

Примеры практического использования десублимации воды:

• Образование инея и изморози. В холодную, ясную и безветренную погоду водяной пар из воздуха десублимирует на поверхностях, температура которых ниже точки замерзания ($0^\circ C$). Так на земле, траве, автомобилях образуется иней — тонкий слой ледяных кристаллов. Изморозь — более рыхлое кристаллическое отложение льда, которое нарастает на проводах и ветвях деревьев.

• Формирование снежинок. В верхних слоях атмосферы при отрицательных температурах молекулы водяного пара кристаллизуются на мельчайших частицах пыли (центрах кристаллизации), образуя снежинки. Это классический пример природной десублимации.

• Сублимационная сушка (лиофилизация). Это технология консервации, применяемая для пищевых продуктов (например, кофе), фармацевтических препаратов и биологических образцов. В ходе процесса замороженная вода из продукта удаляется путём сублимации (перехода из льда в пар) в вакууме. Полученный водяной пар затем улавливается и удаляется из системы путём его десублимации на специальных, сильно охлаждённых поверхностях (конденсаторах или «холодных ловушках»).

• Использование холодных ловушек в вакуумной технике. Для создания высокого вакуума в лабораторных и промышленных установках применяются холодные ловушки. Это устройства, охлаждаемые до очень низких температур (например, с помощью жидкого азота). Водяной пар, всегда присутствующий в откачиваемом объёме, десублимирует на холодной поверхности ловушки, что позволяет эффективно его удалять и достигать более глубокого вакуума.

• Получение чистых веществ и нанесение покрытий. В промышленности и научных исследованиях метод физического осаждения из газовой фазы (PVD) использует десублимацию для создания тонких плёнок и покрытий. Хотя это касается не только воды, принцип тот же: вещество испаряют, а затем его пар осаждается (десублимирует) на холодной подложке, образуя тонкий твёрдый слой высокой чистоты.

Ответ: Практическими примерами использования процесса десублимации воды являются: природные явления (образование инея, изморози, снежинок); технологические процессы, такие как сбор водяного пара в установках для сублимационной сушки (лиофилизации) продуктов и медикаментов; работа холодных ловушек для создания глубокого вакуума; методы получения сверхчистых веществ и нанесения тонких плёнок.

2. Приведите примеры взаимных переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое, которые происходят в природе, в быту.

Взаимные переходы веществ между агрегатными состояниями (твердым, жидким и газообразным) постоянно происходят вокруг нас. Рассмотрим основные пары таких переходов с примерами из природы и быта.

Переходы между твердым и жидким состоянием (плавление и кристаллизация)

Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое при нагревании. Кристаллизация (или затвердевание) — это обратный процесс перехода из жидкого состояния в твердое при охлаждении.

• Примеры плавления в природе: таяние снегов и ледников весной; расплавление горных пород до состояния лавы при извержении вулкана.
• Примеры плавления в быту: таяние кубика льда в напитке; плавление сливочного масла на горячей сковороде; плавление воска свечи.
• Примеры кристаллизации в природе: замерзание рек и озер с образованием льда зимой; застывание вулканической лавы.
• Примеры кристаллизации в быту: получение пищевого льда в морозильнике; застывание расплавленного шоколада.

Ответ: Примерами взаимных переходов между твердым и жидким состояниями в природе являются таяние снега (плавление) и замерзание воды в реках (кристаллизация); в быту — таяние масла на сковороде (плавление) и замораживание воды в лёд (кристаллизация).

Переходы между жидким и газообразным состоянием (парообразование и конденсация)

Парообразование — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Оно может происходить в виде испарения (с поверхности жидкости) или кипения (по всему объему). Конденсация — это обратный процесс перехода из газообразного состояния в жидкое.

• Примеры парообразования в природе: испарение воды с поверхности океанов, морей и озер (ключевой этап круговорота воды); высыхание луж после дождя.
• Примеры парообразования в быту: кипение воды в чайнике; высыхание выстиранного белья; испарение духов с кожи.
• Примеры конденсации в природе: образование облаков и тумана; выпадение росы на траве по утрам.
• Примеры конденсации в быту: запотевание зеркала в ванной комнате; появление капель воды на холодной бутылке, вынутой из холодильника; капли на крышке кипящей кастрюли.

Ответ: Примерами взаимных переходов между жидким и газообразным состояниями в природе являются испарение воды из океанов (парообразование) и образование облаков (конденсация); в быту — кипение воды в чайнике (парообразование) и запотевание зеркала в ванной (конденсация).

Переходы между твердым и газообразным состоянием (сублимация и десублимация)

Сублимация (или возгонка) — это процесс перехода вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Десублимация — это обратный процесс перехода из газа непосредственно в твердое состояние.

• Примеры сублимации в природе: испарение снега и льда в морозный солнечный день без образования воды.
• Примеры сублимации в быту: "испарение" сухого льда (твердого диоксида углерода); использование твердых освежителей воздуха или нафталиновых шариков от моли.
• Примеры десублимации в природе: образование инея на траве и ветках деревьев; формирование снежинок в облаках; появление морозных узоров на стеклах окон.
• Примеры десублимации в быту: образование налета ("снеговой шубы") на стенках морозильной камеры.

Ответ: Примерами взаимных переходов между твердым и газообразным состояниями в природе являются испарение снега на морозе (сублимация) и образование инея (десублимация); в быту — испарение сухого льда (сублимация) и нарастание инея в морозилке (десублимация).

Сформулируйте свою точку зрения на утверждение о том, что существует только три агрегатных состояния вещества. Аргументируйте её, укажите источники своих аргументов.

Моя точка зрения заключается в том, что утверждение о существовании только трех агрегатных состояний вещества — твердого, жидкого и газообразного — является значительным упрощением, корректным лишь в рамках базового школьного образования. Современная физика и химия описывают значительно большее число состояний вещества. Классическая тройка состояний действительно описывает большинство явлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни на Земле, но она не охватывает всего многообразия материи во Вселенной.

В качестве аргументов можно привести существование других, научно признанных агрегатных состояний:

1. Плазма. Часто именуемое четвертым состоянием вещества. Это ионизированный газ, состоящий из ионов и электронов. В отличие от нейтрального газа, плазма хорошо проводит электрический ток и сильно взаимодействует с магнитными полями. Именно в состоянии плазмы находится подавляющее большинство вещества во Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда.

2. Конденсат Бозе — Эйнштейна. Это состояние вещества, получаемое при охлаждении газа из атомов-бозонов до температур, предельно близких к абсолютному нулю ($T \approx 0$ К). В этом состоянии все атомы переходят на один, самый низкий, энергетический уровень и начинают вести себя как единый макроскопический квантовый объект, проявляя свойства, не наблюдаемые в обычных условиях.

3. Жидкие кристаллы. Это промежуточное состояние, обладающее свойствами как жидкости (текучесть), так и твердого тела (анизотропия свойств, то есть их зависимость от направления, обусловленная упорядоченным расположением молекул). Это свойство широко используется в производстве дисплеев (LCD).

Существуют и другие, более экзотические состояния, такие как сверхтекучая жидкость (обладает нулевой вязкостью), кварк-глюонная плазма (состояние, в котором находилась Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва), вырожденный газ (внутри белых карликов и нейтронных звезд) и другие. Каждое из этих состояний описывается своими уникальными физическими законами и моделями.

Источниками этих аргументов являются фундаментальные труды и учебники по физике (например, "Курс теоретической физики" Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, "Физическая химия" П. Эткинса), научные статьи в рецензируемых журналах (например, публикации об экспериментальном получении конденсата Бозе — Эйнштейна в журнале Science в 1995 году), а также материалы авторитетных научных организаций, таких как NASA и CERN.

Ответ: Утверждение о существовании только трех агрегатных состояний вещества является неполным и устаревшим. Современная наука признает наличие множества состояний материи, включая, помимо твердого, жидкого и газообразного, также плазму, конденсат Бозе — Эйнштейна, жидкие кристаллы и другие, которые проявляются в различных физических условиях и дополняют классическую картину.