Страница 53 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. С какой целью применяют фильтрование?

1. Фильтрование — это физический метод разделения неоднородных (гетерогенных) смесей, которые состоят из жидкости или газа и взвешенных в них нерастворимых твердых частиц. Основная цель фильтрования — это как раз отделение этих твердых частиц от жидкой или газообразной среды.

Процесс заключается в пропускании смеси через пористый материал, который называется фильтром. Поры фильтра имеют такой размер, что они пропускают молекулы жидкости или газа, но задерживают более крупные твердые частицы. В результате такого разделения образуются две фракции:

• Фильтрат — это жидкость или газ, прошедшие через фильтр.
• Осадок — это твердые частицы, которые остались на фильтре.

Фильтрование находит широкое применение в самых разных сферах:

• В быту: очистка питьевой воды с помощью фильтров, приготовление кофе (отделение кофейной гущи), работа пылесосов и автомобильных воздушных фильтров (очистка воздуха от пыли).
• В химической лаборатории: для отделения осадка, полученного в ходе реакции, от раствора.
• В промышленности: на станциях водоочистки, в производстве лекарств, в пищевой промышленности (например, при производстве соков, пива, вина), а также для очистки промышленных выбросов в атмосферу.

Таким образом, в зависимости от задачи, целью фильтрования может быть получение чистого фильтрата (например, чистой воды), выделение твердого осадка (например, ценного продукта реакции) или и то, и другое одновременно.

Ответ: Фильтрование применяют с целью разделения неоднородных смесей путем отделения нерастворимых твердых частиц от жидкости или газа при помощи пористого фильтра.

2. Какие вещества и материалы могут использоваться для изготовления фильтра?

Для изготовления фильтра могут использоваться разнообразные вещества и материалы, выбор которых зависит от назначения фильтра, типа фильтруемой среды (жидкость, газ), размера задерживаемых частиц, а также химических и температурных условий эксплуатации.

Основные группы материалов для фильтров:

• Природные пористые материалы:
  • Песок, гравий, глина: традиционные материалы для механической фильтрации воды от взвешенных частиц.
  • Активированный (древесный) уголь: обладает высокой адсорбционной способностью, используется для удаления из воды и воздуха органических соединений, хлора, посторонних запахов и привкусов.
  • Целлюлоза (бумага, картон, вата): основа для многих одноразовых фильтров, таких как кофейные, лабораторные, воздушные и масляные фильтры для автомобилей.
  • Ткани (хлопок, марля): применяются для грубой предварительной очистки жидкостей и газов.
  • Керамика: пористые керамические элементы способны задерживать бактерии и мельчайшие взвеси, используются в фильтрах для питьевой воды.
  • Диатомовая земля: используется для тонкой фильтрации, например, в бассейнах.
• Синтетические материалы:
  • Полимерные волокна (полипропилен, полиэстер, нейлон): из них создают нетканые материалы, которые являются основой большинства современных воздушных фильтров (включая HEPA) и картриджей для воды. Они химически стойки и долговечны.
  • Стекловолокно: используется в высокоэффективных фильтрах для улавливания очень мелких частиц (HEPA, ULPA) и для фильтрации агрессивных химических сред.
  • Полимерные мембраны (например, из полиамида или полисульфона): основа систем обратного осмоса, ультра- и нанофильтрации, позволяющих очищать воду на молекулярном уровне от солей, вирусов и бактерий.
• Металлические материалы:
  • Металлические сетки (из нержавеющей стали, латуни): применяются для грубой, многоразовой фильтрации в промышленности.
  • Спеченные порошки металлов: создают прочные пористые структуры, выдерживающие высокое давление и температуру, используются в гидравлических и пневматических системах.
• Специальные фильтрующие вещества (сорбенты):
  • Ионообменные смолы: полимерные гранулы, используемые для умягчения воды путем удаления ионов кальция и магния.
  • Цеолиты: природные или синтетические минералы, применяемые для ионного обмена и сорбции определенных молекул из воды и газов.

Часто в конструкциях современных фильтров комбинируют несколько материалов для достижения наилучшего результата очистки (например, механическая очистка полипропиленом, сорбция углем и умягчение ионообменной смолой в одном картридже для воды).

Ответ: Для изготовления фильтров могут использоваться природные материалы (песок, уголь, бумага, глина), синтетические полимеры (полипропилен, стекловолокно, мембраны), металлы (сетки, спеченные порошки) и специальные сорбенты (ионообменные смолы, цеолиты).

3. Что такое адсорбция? Где она применяется?

Решение

Что такое адсорбция?

Адсорбция — это процесс самопроизвольного увеличения концентрации вещества (газа или растворенного вещества) на границе раздела фаз, то есть на поверхности твердого тела или жидкости. Это поверхностное явление, в отличие от абсорбции, при которой вещество проникает во весь объем другой фазы. В процессе адсорбции участвуют два компонента: адсорбент — вещество, на поверхности которого происходит адсорбция (например, активированный уголь, силикагель), и адсорбат — вещество, молекулы которого поглощаются на поверхности адсорбента.

Различают два основных вида адсорбции. Первый — физическая адсорбция (физадсорбция). Она происходит за счет слабых межмолекулярных сил (сил Ван-дер-Ваальса). Этот процесс, как правило, обратим, а теплота адсорбции невелика. Второй вид — химическая адсорбция (хемосорбция). Она происходит в результате образования химических связей между молекулами адсорбата и поверхностью адсорбента. Этот процесс часто необратим, и его теплота значительно выше, чем у физадсорбции.

Ответ: Адсорбция — это процесс концентрирования вещества из газообразной или жидкой среды на поверхности твердого тела (или жидкости), называемого адсорбентом. Она бывает физической (за счет межмолекулярных сил) и химической (за счет образования химических связей).

Где она применяется?

Явление адсорбции находит широкое применение в различных областях. В промышленности адсорбция используется для очистки веществ, например, воды от примесей с помощью активированного угля или промышленных газов от вредных компонентов; для осушения газов и жидкостей с помощью силикагеля; для разделения смесей методом хроматографии; а также в гетерогенном катализе, где реакция происходит на поверхности катализатора. В медицине адсорбенты, такие как активированный уголь, применяются для детоксикации организма при отравлениях. Также существует метод очистки крови — гемосорбция. Для защиты окружающей среды и человека адсорбция используется в фильтрах противогазов и респираторов для поглощения ядовитых газов, а также для сбора разливов нефти. В быту мы сталкиваемся с адсорбцией в фильтрах для воды, поглотителях запахов для холодильников, а также в виде пакетиков с силикагелем в коробках с обувью или электроникой для защиты от влаги. В технике адсорбция применяется для создания глубокого вакуума путем поглощения остаточных газов на охлажденных поверхностях.

Ответ: Адсорбция применяется для очистки газов и жидкостей (фильтры для воды, противогазы), осушения веществ (силикагель), разделения смесей (хроматография), в катализе, медицине (активированный уголь при отравлениях) и в быту (поглотители запахов).

4. С какой целью применяется фильтрующий противогаз? Как воздух очищается в нём от загрязнений?

С какой целью применяется фильтрующий противогаз?

Фильтрующий противогаз — это средство индивидуальной защиты (СИЗ), предназначенное для защиты органов дыхания, лица и глаз человека от вредных веществ, находящихся в окружающем воздухе. Основная цель его применения — обеспечить дыхание очищенным воздухом в условиях заражения атмосферы.

Противогаз защищает от:

• отравляющих веществ (ОВ) в виде газов, паров и аэрозолей;
• радиоактивной пыли (РП);
• биологических (бактериальных) аэрозолей (БА);
• аварийно химически опасных веществ (АХОВ).

Важной особенностью фильтрующего противогаза является то, что он не производит кислород, а лишь очищает вдыхаемый воздух. Поэтому его можно применять только в атмосфере, содержащей не менее 17% кислорода по объёму.

Ответ: Фильтрующий противогаз применяется для защиты органов дыхания, лица и глаз от отравляющих веществ, радиоактивной пыли, биологических аэрозолей и других вредных примесей, находящихся в воздухе, при условии, что содержание кислорода в атмосфере достаточно для дыхания (не менее 17%).

Как воздух очищается в нём от загрязнений?

Очистка воздуха от загрязнений происходит в фильтрующе-поглощающей коробке (ФПК), через которую вдыхаемый воздух проходит перед поступлением под лицевую часть противогаза. Процесс очистки является многоступенчатым и комбинирует разные физические и химические методы.

1. Фильтрация (механическая очистка). Этот процесс предназначен для удаления из воздуха аэрозолей: твёрдых и жидких частиц, таких как пыль (включая радиоактивную), дым, туман и биологические агенты. За это отвечает противоаэрозольный фильтр, который представляет собой плотный материал из хаотично расположенных ультратонких волокон. Частицы задерживаются в нём благодаря таким эффектам, как инерция, зацепление и диффузия.

2. Сорбция (физико-химическая очистка). Этот процесс предназначен для удаления из воздуха ядовитых и токсичных веществ в виде газов и паров. За него отвечает специальный поглотитель — шихта, основой которой является активированный уголь. Очистка происходит за счёт следующих явлений:

   • Адсорбция — физическое поглощение молекул вредных веществ поверхностью активированного угля, который обладает огромной площадью поверхности благодаря своей пористой структуре.
   • Хемосорбция — химическое связывание молекул вредных веществ со специальными химическими реагентами (катализаторами, химическими поглотителями), которыми пропитан активированный уголь. В результате реакции вредные вещества преобразуются в нетоксичные соединения.
   • Катализ — некоторые компоненты шихты ускоряют реакции разложения отравляющих веществ до безопасных продуктов.

Таким образом, при вдохе загрязнённый воздух последовательно проходит через противоаэрозольный фильтр, где очищается от аэрозолей, и через слой шихты, где нейтрализуются ядовитые газы и пары. В результате под маску противогаза поступает воздух, пригодный для дыхания.

Ответ: Воздух в фильтрующем противогазе очищается в специальной фильтрующе-поглощающей коробке. Сначала противоаэрозольный фильтр механически задерживает все виды аэрозолей (пыль, дым). Затем воздух проходит через слой активированного угля (шихту), который поглощает ядовитые газы и пары за счёт физической адсорбции, химической реакции (хемосорбции) и катализа.

Приведите примеры способов фильтрования воздуха, которые используются в быту и на производстве.

Фильтрование воздуха — это процесс удаления из него загрязняющих веществ, таких как пыль, пыльца, бактерии, вредные газы и другие частицы. Способы и технологии фильтрации существенно различаются в зависимости от сферы применения — бытовой или промышленной.

Примеры способов фильтрования воздуха, которые используются в быту:

• Механическая фильтрация: Самый распространенный принцип, основанный на задержании частиц пористым материалом.
  • Бытовые кондиционеры: Оснащены сетчатыми фильтрами грубой очистки, которые задерживают крупные частицы пыли, шерсть домашних животных и тополиный пух.
  • Пылесосы: Используют систему фильтров, включая фильтры тонкой очистки (например, HEPA-фильтры), для удержания мельчайшей пыли и аллергенов внутри пылесборника и предотвращения их выброса обратно в помещение.
  • Кухонные вытяжки: Содержат жироулавливающие фильтры (чаще всего многоразовые металлические сетки) для очистки воздуха от частиц жира и копоти. Часто дополнительно устанавливаются угольные фильтры для поглощения запахов.
  • Очистители воздуха (воздухоочистители): Обычно применяют многоступенчатую систему: фильтр предварительной очистки (от крупных частиц), HEPA-фильтр (от мельчайших частиц, включая аллергены и вирусы) и угольный (адсорбционный) фильтр для нейтрализации запахов и летучих органических соединений.
  • Медицинские маски и респираторы: Индивидуальные средства защиты, фильтрующие вдыхаемый воздух от аэрозольных частиц, бактерий и вирусов с помощью нетканых полимерных материалов.
• Электростатическая фильтрация: В некоторых моделях воздухоочистителей частицы загрязнителей получают электрический заряд и притягиваются к осадительным пластинам с противоположным зарядом.
• Фотокаталитическая фильтрация: В таких очистителях ультрафиолетовое излучение воздействует на катализатор (обычно диоксид титана), что запускает химическую реакцию, разлагающую токсичные органические соединения, вирусы и бактерии на безопасные компоненты — воду и углекислый газ.

Ответ: В быту используются механические фильтры в кондиционерах, пылесосах и кухонных вытяжках; многоступенчатые системы в очистителях воздуха (HEPA-фильтры, угольные, фотокаталитические, электростатические); индивидуальные средства защиты, такие как медицинские маски и респираторы.

Примеры способов фильтрования воздуха, которые используются на производстве:

• Сухая механическая фильтрация:
  • Циклонные пылеуловители: Используют центробежную силу для отделения относительно крупных частиц пыли (например, опилок, металлической стружки) от воздушного потока. Часто служат первой ступенью очистки.
  • Рукавные фильтры: Промышленные установки, где запыленный воздух проходит через большие тканевые мешки ("рукава"), на поверхности которых оседает пыль. Применяются в металлургии, цементной, деревообрабатывающей промышленности.
  • HEPA и ULPA фильтры: Фильтры абсолютной очистки, используемые для создания стерильных условий в "чистых комнатах" на производствах микроэлектроники, в фармацевтике и медицинских учреждениях.
• Электростатические фильтры (электрофильтры): Высокоэффективные установки для улавливания мелкодисперсной пыли и аэрозолей. Частицы в потоке газа ионизируются коронным разрядом и осаждаются на электродах. Широко применяются для очистки дымовых газов на ТЭЦ, металлургических комбинатах.
• Мокрая газоочистка (скрубберы): Загрязненный газ пропускается через распыляемую жидкость (чаще всего воду или водные растворы реагентов). Жидкость улавливает частицы пыли и поглощает вредные газообразные примеси (например, диоксид серы, аммиак). Используются в химической, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности.
• Адсорбция: Метод для улавливания газообразных и парообразных загрязнителей (например, паров растворителей, летучих органических соединений). Воздух пропускается через слой адсорбента (активированного угля, силикагеля), который поглощает вредные вещества. Применяется на лакокрасочных производствах и в химической промышленности.

Ответ: На производстве для очистки воздуха применяются промышленные установки: циклоны, рукавные и электростатические фильтры для улавливания пыли; мокрые скрубберы для комплексной очистки от пыли и газов; адсорбционные установки для удаления летучих органических соединений; HEPA/ULPA фильтры для создания "чистых помещений".