Страница 51 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Приведите примеры разделения смесей с помощью просеивания, известные вам из повседневной жизни.

1. Просеивание — это метод разделения неоднородных смесей, состоящих из твердых компонентов с разным размером частиц. Этот способ основан на использовании сита — приспособления с ячейками (отверстиями) определенного размера. Частицы смеси, которые меньше размера ячеек, проходят сквозь сито, а более крупные задерживаются на нём. В повседневной жизни просеивание встречается очень часто.

Один из самых известных примеров — просеивание муки в кулинарии. Перед приготовлением теста муку пропускают через сито. Это позволяет не только удалить возможные комочки и посторонние примеси, но и насытить муку кислородом, что делает выпечку более воздушной и пышной.

В строительстве просеивание применяют для разделения песка и гравия. С помощью большого строительного сита (грохота) из сыпучей смеси удаляют крупные камни и щебень. В результате получают чистый песок нужной фракции, который необходим для приготовления качественных строительных растворов, например, цементного.

В садоводстве также используется просеивание для подготовки почвы. С помощью садового сита землю или компост очищают от камней, корней сорняков и другого крупного мусора. Это позволяет получить рыхлую, однородную почву, которая идеально подходит для посева семян и выращивания рассады.

На кухне для разделения смесей часто используют дуршлаг или ситечко, которые работают по тому же принципу. Например, когда откидывают на дуршлаг сваренные макароны или пельмени, чтобы отделить их от воды. Или когда процеживают чай через ситечко, чтобы отделить заварку (чаинки) от напитка. В этих случаях разделяются твердые компоненты и жидкость, но основа метода та же — различие в размерах (молекулы воды легко проходят через отверстия, а макароны или чаинки — нет).

Ответ: Примеры разделения смесей с помощью просеивания из повседневной жизни: просеивание муки для удаления комков и обогащения кислородом; отделение гравия от песка в строительстве; очистка почвы от камней и корней в садоводстве; отделение макарон от воды с помощью дуршлага; процеживание чая от чаинок с помощью ситечка.

2. Смешайте столовую ложку сухого молока и речного песка. Пересыпьте смесь в стакан с водой. Для того чтобы песок полностью «утонул», постучите по внешней стенке стакана ложкой. Какой из компонентов смеси остался на поверхности воды? Почему?

Какой из компонентов смеси остался на поверхности воды?

После добавления смеси сухого молока и песка в воду, на поверхности останется сухое молоко (а точнее, его жировая составляющая и некоторые нерастворившиеся частицы). Песок опустится на дно стакана.

Ответ: На поверхности воды осталось сухое молоко.

Почему?

Разделение компонентов смеси происходит из-за их различных физических свойств, в первую очередь — плотности и растворимости в воде.

Речной песок, состоящий в основном из диоксида кремния ($SiO_2$), имеет плотность значительно большую, чем плотность воды ($ρ_{песка} > ρ_{воды}$). Кроме того, песок не растворяется в воде. Из-за этого его частицы тонут и оседают на дне.

Сухое молоко, в свою очередь, является сложной смесью. Часть его компонентов, такие как углеводы (лактоза) и минеральные соли, хорошо растворяются в воде, придавая ей характерный белый мутный цвет. Однако молочный жир, который также входит в состав сухого молока, имеет плотность меньше плотности воды ($ρ_{жира} < ρ_{воды}$) и в ней не растворяется (является гидрофобным). Поэтому частицы жира всплывают на поверхность. Также на поверхности могут удерживаться мельчайшие частицы порошка за счет сил поверхностного натяжения воды.

Ответ: Компоненты смеси разделились из-за разницы в их плотности и растворимости: песок тяжелее воды и нерастворим, поэтому он тонет, а жир, входящий в состав молока, легче воды и нерастворим, поэтому он всплывает на поверхность.

3. Приведите примеры использования оттаивания в быту и на производстве.

Отстаивание — это процесс разделения неоднородных смесей (например, жидкости с нерастворимыми в ней твердыми частицами или двух несмешивающихся жидкостей) под действием силы тяжести. Компоненты с большей плотностью оседают на дно, а с меньшей — всплывают на поверхность.

В повседневной жизни метод отстаивания используется довольно часто, иногда даже неосознанно:

• Очистка воды. Если в водопроводной воде есть мелкие частицы песка или ржавчины, можно дать ей постоять в банке или кувшине. Через некоторое время примеси осядут на дно, и можно будет аккуратно слить чистую воду.

• Приготовление пищи. При варке мясного бульона жир, который легче воды, всплывает на поверхность. Охладив бульон, можно легко снять этот слой жира. При приготовлении свежевыжатого сока с мякотью через некоторое время мякоть оседает на дно стакана.

• Получение молочных продуктов. Если оставить свежее цельное молоко на некоторое время, более легкие сливки поднимутся наверх. Этот принцип лежит в основе получения сливок и сметаны в домашних условиях.

• Домашнее виноделие. В процессе брожения вина или кваса дрожжи и другие взвешенные частицы постепенно оседают, образуя осадок. Готовый напиток аккуратно сливают с этого осадка для получения прозрачного продукта.

В промышленных масштабах отстаивание является важным технологическим процессом во многих отраслях:

• Очистка питьевой воды. На станциях водоподготовки вода проходит через огромные резервуары — отстойники. В них вода движется очень медленно, что позволяет взвешенным частицам (песку, глине, илу) осесть на дно.

• Очистка сточных вод. На очистных сооружениях отстойники используются для отделения механических примесей и активного ила от очищаемой воды.

• Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность. Добытую нефть отстаивают в больших резервуарах для отделения от нее пластовой воды и твердых примесей (песка, глины), которые оседают на дно.

• Пищевая промышленность. При производстве растительных масел (подсолнечного, оливкового) после отжима масло отстаивают для осветления — отделения мелких частиц жмыха. В промышленном виноделии и пивоварении отстаивание используется для отделения дрожжевого осадка.

• Химическая промышленность. Метод применяется для разделения продуктов химических реакций, если один из них выпадает в виде нерастворимого осадка. После его оседания жидкую фазу сливают (декантируют).

• Горно-обогатительная промышленность. Измельченную руду смешивают с водой и подают в сгустители (большие отстойники), где ценные минералы оседают, отделяясь от пустой породы и избытка воды.

Ответ: Примеры использования отстаивания в быту: очистка воды от механических примесей, сбор сливок с молока, осветление домашних соков и вин. Примеры на производстве: очистка питьевой и сточной воды в отстойниках, отделение воды от нефти, осветление растительных масел и вин, разделение продуктов в химической промышленности, обогащение руды.

4. На каких физических свойствах веществ основано центрифугирование? Приведите примеры использования этого способа разделения смесей в быту и на производстве.

На каких физических свойствах веществ основано центрифугирование?

Центрифугирование — это метод разделения неоднородных смесей (например, суспензий или эмульсий) под действием центробежной силы. Этот метод основан на различиях в физических свойствах компонентов смеси. Основными свойствами, позволяющими осуществить разделение, являются:
1. Плотность. Это ключевое свойство. Во время вращения в центрифуге компоненты с большей плотностью перемещаются от центра вращения к периферии и оседают, образуя осадок. Компоненты с меньшей плотностью, наоборот, смещаются к центру вращения.
2. Масса и размер частиц. Частицы с большей массой и размером испытывают большую центробежную силу и оседают (седиментируют) значительно быстрее, чем более легкие и мелкие частицы. Величина центробежной силы, действующей на частицу, прямо пропорциональна ее массе: $F_c = m \cdot a_c = m \omega^2 r$, где $m$ – масса частицы, $\omega$ – угловая скорость, $r$ – расстояние до оси вращения.
3. Вязкость среды. Вязкость жидкой фазы смеси влияет на скорость движения частиц. Чем выше вязкость, тем большее сопротивление оказывается движущимся частицам и тем медленнее происходит разделение.
Таким образом, различие в скорости движения компонентов смеси в поле центробежных сил, обусловленное различием их плотности и массы, приводит к их разделению.

Ответ: Центрифугирование основано на различии в плотности, массе и размере частиц компонентов смеси.

Приведите примеры использования этого способа разделения смесей в быту и на производстве.

Центрифугирование нашло широкое применение как в повседневной жизни, так и в промышленных масштабах.

Примеры в быту:
- Стиральная машина. Режим отжима является процессом центрифугирования, при котором вода (жидкая фаза) отделяется от мокрого белья (твердая фаза) за счет быстрого вращения барабана.
- Сушилка для зелени. Вращающаяся корзина отбрасывает капли воды с листьев салата на стенки контейнера.
- Центробежные соковыжималки. Быстрое вращение терки-сита позволяет отделить жидкий сок от твердого жмыха.

Примеры на производстве:
- Молочная промышленность. С помощью промышленных центрифуг (сепараторов) молоко разделяют на сливки (менее плотная жировая фракция) и обезжиренное молоко (более плотная водная фракция).
- Медицина и биотехнология. Центрифуги используются для разделения крови на плазму и форменные элементы (эритроциты, лейкоциты), для выделения клеток из питательной среды, а также для осаждения вирусов, бактерий и клеточных органелл.
- Пищевая промышленность. Осветление соков, вина, пива путем удаления взвешенных частиц; получение растительных масел.
- Очистка сточных вод. Обезвоживание ила — отделение твердого осадка от воды для его дальнейшей переработки.
- Атомная промышленность. Обогащение урана с помощью газовых центрифуг, которые разделяют изотопы урана ($U-235$ и $U-238$), незначительно различающиеся по массе.

Ответ: Примеры в быту: отжим белья в стиральной машине, сушка зелени в специальном устройстве, получение сока в соковыжималке. Примеры на производстве: сепарация молока для получения сливок, разделение компонентов крови в медицинских лабораториях, обогащение урана.

1. Используя сайт Мосводоканала (http://www.mosvodokanal.ru), страничку «Мосводоканал детям», опишите, каким образом очищается канализационная вода.

1. Используя сайт Мосводоканала (http://www.mosvodokanal.ru), страничку «Мосводоканал детям», опишите, каким образом очищается канализационная вода.

Решение

Процесс очистки канализационной воды на очистных сооружениях Мосводоканала — это сложный, многоступенчатый процесс, который превращает грязную сточную воду в чистую и безопасную для возвращения в природу. Он включает в себя несколько ключевых этапов.

Механическая очистка

Сначала сточная вода проходит через механическую очистку, которая удаляет крупный мусор и нерастворимые примеси.
1. Процеживание: Вода поступает в здание решеток, где установлены специальные механизмы, похожие на большое сито. Они задерживают крупный мусор: пластиковые бутылки, тряпки, упаковку, пищевые отходы и другие предметы, которые случайно попали в канализацию.
2. Удаление песка: Далее вода направляется в песколовки. В этих резервуарах скорость течения воды замедляется, и тяжелые минеральные частицы, такие как песок, оседают на дно.
3. Отстаивание: После песколовок вода попадает в первичные отстойники — огромные круглые или прямоугольные бассейны. Здесь вода движется очень медленно, и более мелкие взвешенные частицы оседают на дно, образуя сырой осадок. Жиры и масла всплывают на поверхность и также удаляются.

Биологическая очистка

Это самый важный этап, на котором из воды удаляются растворенные органические загрязнения с помощью микроорганизмов.
1. Аэротенки: Вода из первичных отстойников поступает в аэротенки — длинные резервуары, где она смешивается с «активным илом». Активный ил — это скопление полезных бактерий и микроорганизмов, которые в присутствии кислорода «поедают» органические загрязнения, очищая таким образом воду. Для жизнедеятельности этих микроорганизмов в аэротенки постоянно подается воздух.
2. Вторичные отстойники: После аэротенков смесь воды и активного ила попадает во вторичные отстойники. Здесь активный ил оседает на дно, отделяясь от уже очищенной воды. Большая часть ила возвращается обратно в аэротенки для повторного использования, а его избыток отправляется на дальнейшую обработку.

Доочистка (удаление биогенных элементов)

На современных станциях после биологической очистки вода проходит этап доочистки для удаления соединений азота и фосфора. Эти вещества могут вызывать цветение водоемов, поэтому их удаление очень важно для экологии. Этот процесс также происходит с помощью специальных видов микроорганизмов в отдельных зонах аэротенков или в специальных фильтрах.

Обеззараживание

Перед тем как вернуть воду в реку, ее необходимо обеззаразить, то есть уничтожить все оставшиеся в ней болезнетворные бактерии и вирусы. Мосводоканал использует самый современный и безопасный метод — обработку ультрафиолетовым (УФ) излучением. Вода проходит через специальные камеры с УФ-лампами, которые эффективно уничтожают микроорганизмы, не изменяя химический состав воды.

После прохождения всех этих этапов очищенная и обеззараженная вода становится безопасной для окружающей среды и сбрасывается в реку.

Ответ: Канализационная вода очищается в несколько этапов: сначала происходит механическая очистка, где с помощью решеток, песколовок и отстойников удаляется крупный мусор и взвешенные частицы. Затем следует основной этап — биологическая очистка, где специальные микроорганизмы (активный ил) в аэротенках поглощают органические загрязнения. После этого вода проходит доочистку для удаления соединений азота и фосфора. На заключительном этапе вода обеззараживается ультрафиолетом для уничтожения всех болезнетворных бактерий и вирусов, после чего она становится чистой и безопасной для возвращения в реку.

2. Предложите возможные во время похода способы очистки и обеззараживания пресной воды из водоёмов.

Во время похода для очистки и обеззараживания пресной воды из водоёмов можно использовать несколько способов, которые можно разделить на физические, химические и комбинированные. Выбор способа зависит от имеющегося снаряжения, условий и качества исходной воды.

1. Кипячение
Это самый надёжный и доступный способ обеззараживания воды. Воду необходимо довести до бурного кипения и кипятить в течение 1-3 минут. На больших высотах (свыше 2000 метров над уровнем моря) время кипячения следует увеличить до 5-10 минут, так как температура кипения воды там ниже. Кипячение уничтожает практически все вредные микроорганизмы: бактерии, вирусы и простейших (например, лямблии и криптоспоридии). Недостатком является расход топлива и время, необходимое для остывания воды. Этот метод не удаляет механические примеси (ил, песок) и химические загрязнения.

Ответ: Кипячение воды в течение 1-10 минут в зависимости от высоты.

2. Фильтрация
Фильтрация направлена на удаление из воды взвешенных частиц (песка, ила, водорослей) и, в случае использования специальных фильтров, некоторых микроорганизмов.
- Механическая фильтрация подручными средствами: Простейший фильтр можно сделать, пропустив воду через несколько слоёв чистой ткани (бандана, марля, элемент одежды). Более сложный самодельный фильтр можно изготовить из пластиковой бутылки со срезанным дном, заполнив её слоями ткани, чистого песка и измельчённого угля из костра. Такая фильтрация является предварительной и не делает воду полностью безопасной для питья, но значительно улучшает её прозрачность и вкус перед последующим обеззараживанием (например, кипячением).
- Специальные походные фильтры: Современные туристические фильтры (керамические, мембранные, угольные) способны удалять не только взвеси, но и большинство бактерий и простейших. Они компактны и производительны, но требуют ухода и могут засоряться в очень мутной воде.

Ответ: Использование самодельных фильтров (ткань, песок, уголь) для предварительной очистки или применение специальных туристических фильтров для удаления механических примесей и микроорганизмов.

3. Химическое обеззараживание
Этот метод заключается в добавлении в воду химических реагентов, убивающих патогенные микроорганизмы. Он удобен своей компактностью и простотой.
- Таблетки на основе хлора или йода: Специализированные таблетки (например, Акватабс, Пантоцид). Необходимо строго следовать инструкции: добавить таблетку в ёмкость с водой и подождать определённое время (обычно от 30 минут до 2 часов). Плюсы: простота использования. Минусы: вода может приобретать специфический привкус и запах, а также имеются противопоказания (например, препараты с йодом не рекомендуются беременным и людям с заболеваниями щитовидной железы).
- Раствор йода: Можно использовать обычную 5% спиртовую настойку йода из аптечки. Дозировка: 2-4 капли на 1 литр воды. После добавления йода воду нужно хорошо перемешать и дать отстояться не менее 30-60 минут перед употреблением.
- Перманганат калия (марганцовка): Несколько кристалликов добавляют в воду до получения слабо-розового цвета и оставляют на 30-60 минут. Важно не превысить дозировку, так как концентрированный раствор опасен для здоровья.

Ответ: Применение специальных обеззараживающих таблеток, раствора йода или перманганата калия для уничтожения патогенных микроорганизмов в воде.

4. Ультрафиолетовое (УФ) обеззараживание
Для этого способа используются портативные УФ-стерилизаторы (например, SteriPEN). Прибор в виде небольшой палочки погружается в ёмкость с водой и включается на 1-2 минуты. Ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК бактерий, вирусов и простейших, делая их безвредными. Этот метод быстр, эффективен и не изменяет вкус воды. Однако он требует наличия заряженных батареек и эффективен только в прозрачной воде, так как взвешенные частицы мешают прохождению лучей.

Ответ: Использование портативного УФ-стерилизатора для быстрой обработки предварительно очищенной (прозрачной) воды.

5. Комбинированный способ
Для достижения максимальной безопасности и улучшения качества воды рекомендуется сочетать несколько методов. Наиболее эффективная схема: сначала отфильтровать воду через ткань или походный фильтр для удаления мути и механических примесей, а затем прокипятить её или обработать химическими средствами/УФ-стерилизатором для уничтожения всех микроорганизмов.

Ответ: Последовательное применение нескольких методов, например, механическая фильтрация и последующее кипячение или химическое/УФ обеззараживание.

Очистить мутную жидкость или отделить нерастворимый осадок можно с помощью отстаивания. Однако этот метод требует значительного времени. Можно ли ускорить разделение смесей?

Решение

Да, безусловно, можно ускорить разделение смесей, состоящих из жидкости и нерастворимого в ней осадка. Метод отстаивания основан на действии силы тяжести, которая заставляет более плотные частицы со временем оседать на дно. Существуют методы, которые значительно ускоряют этот процесс или используют совершенно другой принцип для достижения той же цели.

Фильтрование

Это один из самых распространенных и быстрых способов. Смесь пропускают через фильтр — пористый материал (например, фильтровальную бумагу), который задерживает твердые частицы, но пропускает жидкость. Размер пор фильтра должен быть меньше размера частиц осадка. В результате на фильтре остается твердое вещество, а через него проходит чистая жидкость (фильтрат). Процесс значительно быстрее отстаивания.

Центрифугирование

Этот метод представляет собой многократно ускоренное отстаивание. Смесь помещают в специальный прибор — центрифугу, которая вращает емкости со смесью с очень высокой скоростью. При этом возникает мощная центробежная сила, которая во много раз превышает силу тяжести. Под ее действием твердые и более плотные частицы очень быстро (часто за несколько минут) оседают на дно, образуя плотный осадок. После этого осветленную жидкость легко слить. Этот метод особенно эффективен для разделения суспензий с очень мелкими частицами.

Коагуляция (или флокуляция)

Иногда частицы осадка настолько малы, что не оседают очень долго. В таких случаях в мутную жидкость добавляют специальные вещества — коагулянты или флокулянты. Они способствуют слипанию мелких частиц в более крупные и тяжелые агрегаты (хлопья). Эти укрупненные частицы оседают на дно значительно быстрее. Этот прием часто используют при очистке воды на водоочистных станциях.

Ответ: Да, ускорить разделение смесей можно с помощью таких методов, как фильтрование, центрифугирование или добавление специальных веществ (коагулянтов) для укрупнения частиц и ускорения их оседания.