Страница 38 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Почему неверно выражение «молекула природного газа»?

1. Выражение «молекула природного газа» является неверным с химической точки зрения, потому что природный газ представляет собой не чистое вещество, а механическую смесь различных газов. Понятие «молекула» применимо к индивидуальному химическому веществу — это его наименьшая частица, сохраняющая его химические свойства. Например, вода состоит из молекул $H_2O$, а кислород — из молекул $O_2$.

Природный газ же имеет сложный и непостоянный состав, который зависит от месторождения. Его основными компонентами являются:

• Метан ($CH_4$) — его содержание обычно составляет от 70% до 98%.
• Гомологи метана (более тяжелые углеводороды): этан ($C_2H_6$), пропан ($C_3H_8$), бутан ($C_4H_{10}$) и другие.
• Неуглеводородные примеси: углекислый газ ($CO_2$), азот ($N_2$), сероводород ($H_2S$) и инертные газы, например, гелий ($He$).

Таким образом, природный газ состоит из множества разных типов молекул: молекул метана, молекул этана, молекул углекислого газа и т.д. Не существует единой, универсальной молекулы, которую можно было бы назвать «молекулой природного газа». Это так же некорректно, как говорить о «молекуле воздуха», поскольку воздух тоже является смесью газов (азота, кислорода, аргона и др.).

Ответ: Выражение «молекула природного газа» неверно, так как природный газ является смесью различных веществ, а не одним химическим соединением. Он состоит из молекул своих компонентов (метана, этана, пропана и др.), а не из единой «молекулы природного газа».

2. Что называют объёмной долей компонента газовой смеси?

2. Что называют объёмной долей компонента газовой смеси?

Объёмной долей компонента газовой смеси (обозначается греческой буквой фи $\phi_i$ или иногда $r_i$) называют отношение парциального объёма данного компонента к общему объёму всей смеси при одинаковых температуре и давлении.

Формула для расчёта объёмной доли имеет вид:

$\phi_i = \frac{V_i}{V_{общ}}$

где $\phi_i$ – объёмная доля i-го компонента, $V_i$ – парциальный объём i-го компонента, а $V_{общ}$ – общий объём газовой смеси.

Под парциальным объёмом компонента понимают объём, который занимал бы этот газ, если бы он один находился в сосуде при тех же давлении и температуре, что и вся смесь (в соответствии с законом Амага).

Объёмная доля является безразмерной величиной. Её часто выражают в процентах (%), для этого полученное значение умножают на 100.

Сумма объёмных долей всех компонентов, входящих в состав газовой смеси, всегда равна единице (или 100%):

$\sum_{i=1}^{N} \phi_i = 1$

Для смесей идеальных газов, согласно закону Авогадро, объёмная доля компонента численно равна его мольной доле ($x_i$):

$\phi_i = x_i = \frac{n_i}{n_{общ}}$

где $n_i$ – количество вещества (число молей) i-го компонента, а $n_{общ}$ – общее количество вещества всех компонентов смеси.

Ответ: Объёмной долей компонента газовой смеси называют безразмерную величину, равную отношению парциального объёма этого компонента (объёма, который бы он занимал, находясь один при температуре и давлении смеси) к общему объёму всей смеси. Для идеальных газов объёмная доля равна мольной доле.

3. Каков объёмный состав воздуха? Как изменяется состав воздуха в закрытом кабинете во время проведения урока?

Каков объёмный состав воздуха?

Воздух, которым мы дышим, представляет собой сложную смесь газов. Его усреднённый объёмный состав в сухом состоянии у поверхности Земли следующий:

• Азот ($N_2$) — 78,084%
• Кислород ($O_2$) — 20,946%
• Аргон ($Ar$) — 0,934%
• Углекислый газ ($CO_2$) — около 0,04%
• Неон ($Ne$), гелий ($He$), метан ($CH_4$), криптон ($Kr$), водород ($H_2$) и другие инертные газы — в сумме составляют менее 0,01%.

Помимо этих газов, в атмосфере всегда присутствует водяной пар ($H_2O$), концентрация которого сильно варьируется в зависимости от местоположения, времени года и погодных условий (обычно от 0,2% до 4% по объёму).

Ответ: Объёмный состав сухого воздуха: приблизительно 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа и незначительное количество других газов. Также в воздухе всегда содержится переменное количество водяного пара.

Как изменяется состав воздуха в закрытом кабинете во время проведения урока?

В закрытом, непроветриваемом кабинете, где находятся люди (ученики и учитель), состав воздуха существенно изменяется в результате их жизнедеятельности, в первую очередь — дыхания. Происходят следующие изменения:

• Уменьшается содержание кислорода ($O_2$): В процессе дыхания люди вдыхают воздух, и кислород из него используется организмом для окислительных процессов (метаболизма). В выдыхаемом воздухе содержится меньше кислорода (около 16%), чем во вдыхаемом (около 21%).
• Увеличивается содержание углекислого газа ($CO_2$): Углекислый газ является конечным продуктом обмена веществ и выводится из организма с выдыхаемым воздухом. Его концентрация в выдыхаемом воздухе (около 4%) в 100 раз выше, чем в атмосфере, поэтому его содержание в воздухе помещения быстро растёт.
• Увеличивается влажность и температура: С дыханием и потом люди выделяют в окружающую среду водяной пар, что повышает относительную влажность воздуха. Также каждое человеческое тело выделяет тепло, что приводит к повышению общей температуры в замкнутом помещении.

Накопление углекислого газа и уменьшение кислорода приводят к ухудшению самочувствия, появлению сонливости, головной боли и снижению работоспособности. Поэтому для поддержания здорового микроклимата необходимо регулярно проветривать учебные помещения.

Ответ: В закрытом кабинете во время урока из-за дыхания находящихся в нём людей уменьшается процентное содержание кислорода ($O_2$), а процентное содержание углекислого газа ($CO_2$) и водяного пара ($H_2O$) увеличивается. Также повышается температура воздуха.

4. Объемная доля аргона в воздухе $0,9 \%$. Какой объем воздуха необходим для получения $125 \text{ м}^3$ аргона?

Дано:

Объёмная доля аргона в воздухе, $\phi_{Ar} = 0,9\%$

Объём аргона, $V_{Ar} = 125 \, \text{м}^3$

Все величины представлены в стандартных единицах или их производных, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:

Объём воздуха, $V_{возд}$ — ?

Решение:

Объёмная доля компонента в смеси определяется как отношение объёма этого компонента к общему объёму смеси. Для аргона в воздухе формула выглядит следующим образом:

$\phi_{Ar} = \frac{V_{Ar}}{V_{возд}}$

Чтобы найти необходимый объём воздуха ($V_{возд}$), нужно выразить его из данной формулы:

$V_{возд} = \frac{V_{Ar}}{\phi_{Ar}}$

Прежде чем производить расчёты, необходимо перевести объёмную долю из процентов в десятичную дробь:

$\phi_{Ar} = 0,9\% = \frac{0,9}{100} = 0,009$

Теперь подставим числовые значения в формулу для расчёта объёма воздуха:

$V_{возд} = \frac{125 \, \text{м}^3}{0,009} \approx 13888,89 \, \text{м}^3$

Округлив результат, получим, что для получения 125 м³ аргона потребуется приблизительно 13889 м³ воздуха.

Ответ: необходимый объём воздуха составляет примерно 13889 м³.

5. При разделении воздуха было получено $500 \text{ м}^3$ азота. Сколько литров кислорода и углекислого газа было получено при этом?

Дано:

Объем полученного азота $V(N_2) = 500 \text{ м}^3$.

Для решения задачи воспользуемся справочными данными об объемном составе сухого воздуха (при нормальных условиях):

• Объемная доля азота $(\phi(N_2)) \approx 78\%$
• Объемная доля кислорода $(\phi(O_2)) \approx 21\%$
• Объемная доля углекислого газа $(\phi(CO_2)) \approx 0.03\%$

Все исходные данные, выраженные в кубических метрах, уже находятся в системе СИ.

Найти:

$V(O_2)$ - ? л

$V(CO_2)$ - ? л

Решение:

Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях (температуре и давлении) объемы газов в смеси относятся так же, как их объемные доли. На основании этого мы можем составить пропорции для нахождения объемов кислорода и углекислого газа, зная объем азота.

Сколько литров кислорода было получено

Составим пропорцию, связывающую объемы и объемные доли кислорода и азота:

$\frac{V(O_2)}{V(N_2)} = \frac{\phi(O_2)}{\phi(N_2)}$

Выразим из этой пропорции объем кислорода $V(O_2)$ и подставим известные значения:

$V(O_2) = V(N_2) \cdot \frac{\phi(O_2)}{\phi(N_2)} = 500 \text{ м}^3 \cdot \frac{21\%}{78\%} \approx 134.62 \text{ м}^3$

В вопросе требуется указать ответ в литрах. Переведем кубические метры в литры, используя соотношение $1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$:

$V(O_2) = 134.62 \text{ м}^3 \cdot 1000 \frac{\text{л}}{\text{м}^3} = 134620 \text{ л}$

Ответ: было получено примерно 134620 литров кислорода.

Сколько литров углекислого газа было получено

Аналогично, составим пропорцию для углекислого газа и азота:

$\frac{V(CO_2)}{V(N_2)} = \frac{\phi(CO_2)}{\phi(N_2)}$

Выразим объем углекислого газа $V(CO_2)$:

$V(CO_2) = V(N_2) \cdot \frac{\phi(CO_2)}{\phi(N_2)} = 500 \text{ м}^3 \cdot \frac{0.03\%}{78\%} \approx 0.192 \text{ м}^3$

Теперь переведем полученный объем в литры:

$V(CO_2) = 0.192 \text{ м}^3 \cdot 1000 \frac{\text{л}}{\text{м}^3} = 192 \text{ л}$

Ответ: было получено примерно 192 литра углекислого газа.

6. Объёмная доля метана в природном газе составляет 92 %. В каком объёме этой газовой смеси будет содержаться 300 мл метана?

6. Дано:
Объёмная доля метана, $φ(\text{CH}_4) = 92\%$
Объём метана, $V(\text{CH}_4) = 300$ мл

$V(\text{CH}_4) = 300 \text{ мл} = 300 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 3 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$
$φ(\text{CH}_4) = 92\% = 0,92$

Найти:
Объём газовой смеси, $V(\text{смеси})$ - ?

Решение:
Объёмная доля компонента в смеси определяется как отношение объёма компонента к общему объёму смеси. Формула для объёмной доли метана ($CH_4$) в природном газе выглядит следующим образом:
$φ(\text{CH}_4) = \frac{V(\text{CH}_4)}{V(\text{смеси})}$
Где $φ(\text{CH}_4)$ - объёмная доля метана (в долях единицы), $V(\text{CH}_4)$ - объём метана, $V(\text{смеси})$ - объём всей газовой смеси.
Чтобы найти объём газовой смеси, выразим $V(\text{смеси})$ из этой формулы:
$V(\text{смеси}) = \frac{V(\text{CH}_4)}{φ(\text{CH}_4)}$
Перед подстановкой значений переведём процентную долю в доли единицы:
$φ(\text{CH}_4) = 92\% = 0,92$
Теперь подставим известные значения в формулу:
$V(\text{смеси}) = \frac{300 \text{ мл}}{0,92} \approx 326,0869... \text{ мл}$
Округлим результат до сотых:
$V(\text{смеси}) \approx 326,09 \text{ мл}$

Ответ: 326,09 мл.

7. Смешали 16 л кислорода и 12 л углекислого газа. Найдите объёмную долю каждого газа в полученной смеси.

Дано:

Объём кислорода $V(O_2) = 16$ л

Объём углекислого газа $V(CO_2) = 12$ л

$V(O_2) = 16 \text{ л} = 16 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.016 \text{ м}^3$
$V(CO_2) = 12 \text{ л} = 12 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.012 \text{ м}^3$

Найти:

Объёмную долю кислорода $\phi(O_2)$ - ?

Объёмную долю углекислого газа $\phi(CO_2)$ - ?

Решение:

Объёмная доля газа ($\phi$) в смеси — это отношение объёма, занимаемого этим газом, к общему объёму смеси. Рассчитывается по формуле:

$\phi(газа) = \frac{V(газа)}{V_{смеси}}$

1. Сначала найдём общий объём газовой смеси. Он равен сумме объёмов компонентов, так как газы смешиваются без изменения общего объёма:

$V_{смеси} = V(O_2) + V(CO_2) = 16 \text{ л} + 12 \text{ л} = 28 \text{ л}$

2. Теперь рассчитаем объёмную долю для каждого газа в полученной смеси.

Кислород

Подставим значения в формулу для расчёта объёмной доли кислорода:

$\phi(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_{смеси}} = \frac{16 \text{ л}}{28 \text{ л}} = \frac{4}{7} \approx 0.5714$

Чтобы выразить объёмную долю в процентах, необходимо умножить полученное значение на 100%:

$\phi(O_2) \approx 0.5714 \cdot 100\% = 57.14\%$

Ответ: объёмная доля кислорода в смеси составляет примерно $57.14\%$.

Углекислый газ

Аналогично рассчитаем объёмную долю углекислого газа:

$\phi(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_{смеси}} = \frac{12 \text{ л}}{28 \text{ л}} = \frac{3}{7} \approx 0.4286$

Выразим в процентах:

$\phi(CO_2) \approx 0.4286 \cdot 100\% = 42.86\%$

Ответ: объёмная доля углекислого газа в смеси составляет примерно $42.86\%$.

Вдыхаемый человеком воздух содержит около $78 \, \%$ азота, $21 \, \%$ кислорода, $0,03 \, \%$ углекислого газа и водяной пар. Воздух, который человек выдыхает, содержит около $16 \, \%$ кислорода. Количество углекислого газа в выдыхаемом воздухе увеличивается до $4 \, \%$, больше становится и водяных паров. Не изменяется лишь количество азота. Изобразите круговые диаграммы, показывающие состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Дано:

Состав вдыхаемого воздуха (приблизительно):
Азот ($N_2$): 78 %
Кислород ($O_2$): 21 %
Углекислый газ ($CO_2$): 0,03 %
Водяной пар и прочие газы.

Состав выдыхаемого воздуха (приблизительно):
Азот ($N_2$): количество не изменяется
Кислород ($O_2$): 16 %
Углекислый газ ($CO_2$): 4 %
Водяные пары: количество увеличивается.

Найти:

Изобразить круговые диаграммы, показывающие состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Решение:

Для построения круговой диаграммы необходимо рассчитать центральный угол для каждого сектора, соответствующего компоненту газовой смеси. Полный круг составляет $360^\circ$. Угол сектора рассчитывается по формуле:

$\alpha = \frac{P}{100\%} \times 360^\circ$

где $P$ — процентное содержание компонента.

Круговая диаграмма состава вдыхаемого воздуха

1. Определим процентное содержание всех компонентов. Сумма известных компонентов: $78\% + 21\% + 0,03\% = 99,03\%$.
Следовательно, на долю прочих газов (включая водяной пар и инертные газы, такие как аргон) приходится:
$P_{прочие} = 100\% - 99,03\% = 0,97\%$

2. Рассчитаем углы секторов для каждого компонента:
- Азот: $\alpha_{N_2} = \frac{78}{100} \times 360^\circ = 280.8^\circ$
- Кислород: $\alpha_{O_2} = \frac{21}{100} \times 360^\circ = 75.6^\circ$
- Углекислый газ: $\alpha_{CO_2} = \frac{0.03}{100} \times 360^\circ = 0.108^\circ$
- Прочие газы: $\alpha_{прочие} = \frac{0.97}{100} \times 360^\circ = 3.492^\circ$

Для наглядности на диаграмме объединим углекислый газ и прочие газы в одну группу "Прочие газы" с общим содержанием $0,03\% + 0,97\% = 1\%$.

Ответ: Круговая диаграмма, представляющая состав вдыхаемого воздуха, построена. Она состоит из секторов: азот (78%), кислород (21%) и прочие газы (1%).

Круговая диаграмма состава выдыхаемого воздуха

1. Определим процентное содержание всех компонентов. В условии сказано, что "не изменяется лишь количество азота". В задачах такого типа это часто упрощается до допущения, что процентное содержание азота остается прежним. Примем, что $P_{N_2} = 78\%$.
Тогда сумма известных компонентов: $78\% \text{ (азот)} + 16\% \text{ (кислород)} + 4\% \text{ (углекислый газ)} = 98\%$.
Следовательно, на долю прочих газов и увеличившегося количества водяного пара приходится:
$P_{прочие} = 100\% - 98\% = 2\%$

2. Рассчитаем углы секторов для каждого компонента:
- Азот: $\alpha_{N_2} = \frac{78}{100} \times 360^\circ = 280.8^\circ$
- Кислород: $\alpha_{O_2} = \frac{16}{100} \times 360^\circ = 57.6^\circ$
- Углекислый газ: $\alpha_{CO_2} = \frac{4}{100} \times 360^\circ = 14.4^\circ$
- Прочие газы и водяной пар: $\alpha_{прочие} = \frac{2}{100} \times 360^\circ = 7.2^\circ$

Ответ: Круговая диаграмма, представляющая состав выдыхаемого воздуха, построена. Она состоит из секторов: азот (78%), кислород (16%), углекислый газ (4%) и прочие газы с водяным паром (2%).

Используя ресурсы Интернета, подготовьте сообщение об охране атмосферы. Укажите электронные адреса использованных вами источников.

Атмосфера — это газовая оболочка, окружающая нашу планету, которая играет ключевую роль в поддержании жизни. Она обеспечивает нас кислородом для дыхания, защищает от губительного ультрафиолетового излучения Солнца благодаря озоновому слою и регулирует температуру на Земле, создавая пригодные для жизни условия. К сожалению, деятельность человека, особенно после промышленной революции, привела к серьезному загрязнению атмосферного воздуха, что стало одной из глобальных экологических проблем.

Основные источники загрязнения атмосферы

Источники загрязнения можно разделить на естественные (например, извержения вулканов, лесные пожары) и антропогенные (связанные с деятельностью человека). Антропогенные источники наносят наибольший вред и включают в себя:

• Промышленность: Энергетические предприятия, сжигающие ископаемое топливо (уголь, нефть, газ), металлургические и химические заводы выбрасывают в атмосферу огромное количество вредных веществ, таких как диоксид серы ($SO_2$), оксиды азота ($NO_x$), угарный газ ($CO$) и твердые частицы (сажа, пыль).
• Транспорт: Автомобили, самолеты и корабли являются основными источниками выбросов углекислого газа ($CO_2$), который является главным виновником парникового эффекта, а также оксидов азота и летучих органических соединений.
• Сельское хозяйство: Животноводство приводит к значительным выбросам метана ($CH_4$), а использование азотных удобрений — к выбросам закиси азота ($N_2O$). Оба газа являются сильными парниковыми газами.
• Бытовые отходы: Сжигание мусора и разложение органических отходов на свалках также вносят свой вклад в загрязнение воздуха.

Последствия загрязнения

Загрязнение атмосферы приводит к ряду серьезных последствий:

• Глобальное изменение климата: Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере усиливает парниковый эффект, что ведет к росту средней температуры на планете, таянию ледников, повышению уровня Мирового океана и увеличению частоты экстремальных погодных явлений.
• Кислотные дожди: Оксиды серы и азота вступают в реакцию с водой в атмосфере, образуя серную и азотную кислоты, которые выпадают на землю в виде кислотных дождей. Они наносят ущерб лесам, сельскохозяйственным культурам, водоемам и разрушают здания.
• Разрушение озонового слоя: Выбросы некоторых химических веществ, в частности хлорфторуглеродов (фреонов), привели к истончению озонового слоя, что увеличивает количество вредного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.
• Ухудшение здоровья человека: Загрязненный воздух является причиной многих заболеваний, включая респираторные (астма, бронхит), сердечно-сосудистые заболевания и рак легких. Особенно опасны мелкодисперсные частицы (PM2.5), которые могут проникать глубоко в легкие и кровоток.

Меры по охране атмосферы

Для решения проблемы загрязнения воздуха необходимы комплексные меры на всех уровнях:

• Международный уровень: Заключение и соблюдение международных соглашений, таких как Парижское соглашение по климату, целью которого является сдерживание роста глобальной средней температуры, и Монреальский протокол, который успешно способствовал сокращению веществ, разрушающих озоновый слой.
• Государственный уровень: Внедрение жестких экологических стандартов для промышленных предприятий и транспорта, развитие систем мониторинга качества воздуха, стимулирование перехода на возобновляемые источники энергии (солнечная, ветровая, гидроэнергетика), введение углеродных налогов и систем торговли квотами на выбросы.
• Технологический уровень: Разработка и применение очистных технологий на производствах (фильтры, скрубберы), создание более эффективных и экологически чистых двигателей для транспорта, переход на электромобили, повышение энергоэффективности зданий и процессов.
• Личный уровень: Каждый человек может внести свой вклад, сокращая потребление энергии, используя общественный транспорт, велосипед или ходя пешком, сортируя мусор для последующей переработки, участвуя в акциях по озеленению и распространяя информацию о важности проблемы.

Охрана атмосферы — это общая ответственность, требующая немедленных и скоординированных действий от правительств, промышленности и каждого из нас для сохранения здоровой и безопасной планеты для будущих поколений.

Использованные источники:

• Организация Объединенных Наций (раздел по климату): https://www.un.org/ru/climatechange
• Всемирная организация здравоохранения (информация о загрязнении воздуха): https://www.who.int/ru/health-topics/air-pollution
• Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП): https://www.unep.org/

Ответ: Представлен доклад об охране атмосферы с указанием основных проблем, последствий и путей их решения, а также приведены электронные адреса использованных источников.