Страница 57 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что такое дистилляция, или перегонка?

1. Что такое дистилляция, или перегонка?

Дистилляция, или перегонка, — это физический метод разделения жидких смесей, компоненты которых имеют разную температуру кипения (разную летучесть). Метод основан на процессе испарения жидкости с последующей конденсацией образовавшихся паров.

Процесс дистилляции включает следующие основные этапы:
1. Нагревание исходной смеси в специальной емкости (перегонном кубе).
2. Испарение преимущественно того компонента, у которого температура кипения ниже (он более летучий).
3. Отвод образовавшегося пара в систему охлаждения (конденсатор).
4. Конденсация пара — его превращение обратно в жидкость при охлаждении.
5. Сбор полученной жидкости (дистиллята) в отдельную емкость (приёмник).
В результате в приёмнике собирается вещество, обогащенное легкокипящим компонентом, а в кубе остается смесь, обогащенная труднокипящим компонентом.

Дистилляция широко применяется в различных областях:
- в промышленности: для переработки нефти (разделение на фракции: бензин, керосин, дизельное топливо), для получения сжиженных газов (азота, кислорода, аргона) из воздуха, для опреснения морской воды.
- в химии: для очистки веществ и разделения продуктов реакции.
- в пищевой промышленности: для получения дистиллированной воды и производства крепких алкогольных напитков (виски, водка, коньяк).

Ответ: Дистилляция (перегонка) – это способ разделения жидких смесей, основанный на различии в температурах кипения их компонентов, который заключается в испарении жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.

2. Какая вода называется дистиллированной? Как её получают? В каких сферах деятельности человека применяется дистиллированная вода?

Какая вода называется дистиллированной?

Дистиллированной называется вода, которая была очищена от практически всех растворенных в ней примесей, таких как минеральные соли, органические вещества и другие загрязнители. По сути, это вода, максимально приближенная по составу к химически чистому веществу $H_2O$. В отличие от обычной питьевой или водопроводной воды, она не содержит ионов, что делает её очень плохим проводником электрического тока.

Ответ: Дистиллированная вода — это вода, очищенная от растворенных в ней примесей (минеральных солей, органических веществ) путем дистилляции.

Как её получают?

Основным методом получения дистиллированной воды является дистилляция (перегонка). Процесс состоит из нескольких этапов:

1. Исходную воду (например, водопроводную) нагревают до кипения в специальном аппарате — дистилляторе.
2. При кипении вода превращается в пар, в то время как нелетучие примеси (соли, минералы) остаются в исходной ёмкости.
3. Водяной пар поступает в конденсатор (охладитель), где он охлаждается и снова переходит в жидкое состояние.
4. Полученный конденсат, являющийся чистой водой, собирается в отдельную стерильную ёмкость.

Существуют и другие методы очистки, такие как обратный осмос или деионизация, но классическим методом получения является именно дистилляция.

Ответ: Дистиллированную воду получают путем испарения обычной воды с последующей конденсацией пара. Примеси остаются в исходном сосуде, а сконденсированный пар представляет собой чистую воду.

В каких сферах деятельности человека применяется дистиллированная вода?

Благодаря своей высокой чистоте дистиллированная вода находит широкое применение в различных областях:

• Медицина и фармацевтика: для приготовления растворов для инъекций, лекарственных препаратов, в качестве растворителя, а также для стерилизации медицинских инструментов.
• Химические и биологические лаборатории: для проведения анализов, приготовления растворов с точной концентрацией и промывки лабораторной посуды, так как примеси в обычной воде могут исказить результаты экспериментов.
• Автомобильная промышленность и обслуживание: для разбавления концентратов антифриза и для доливки в свинцово-кислотные аккумуляторы, поскольку соли из водопроводной воды могут повредить аккумуляторные пластины и систему охлаждения.
• Бытовая техника: используется в паровых утюгах, увлажнителях воздуха и парогенераторах для предотвращения образования накипи на нагревательных элементах, что продлевает срок службы приборов.
• Промышленность: в производстве электроники, при лазерной резке, в системах охлаждения высокоточного оборудования, где требуется вода, не вызывающая коррозии и отложений.
• Косметология: в качестве основы при производстве кремов, лосьонов и другой косметики.

Ответ: Дистиллированная вода применяется в медицине, лабораториях, автомобильной отрасли, для обслуживания бытовой техники, в различных отраслях промышленности и в косметологии.

3. Какие физические свойства компонентов смеси позволяют осуществлять перегонку?

Перегонка, или дистилляция, — это способ разделения жидких смесей, основанный на различии в летучести их компонентов, что напрямую связано с их температурами кипения. Процесс возможен благодаря определенным физическим свойствам веществ, входящих в состав смеси.

Ключевое физическое свойство, которое позволяет осуществлять перегонку, — это различие в температурах кипения ($T_{кип}$) компонентов смеси. Процесс разделения происходит следующим образом:

1. Смесь нагревают.
2. Компонент, имеющий более низкую температуру кипения, начинает испаряться интенсивнее. В результате образующийся пар в основном состоит из молекул этого, более летучего, компонента.
3. Пар отводят в холодильник (конденсатор), где он охлаждается и снова переходит в жидкое состояние.
4. Образовавшийся конденсат (дистиллят) собирают в отдельный приёмник. Он представляет собой практически чистый компонент с низкой температурой кипения.
5. Компонент с более высокой температурой кипения остается в исходной колбе.

Таким образом, чем больше разница между температурами кипения компонентов, тем легче и эффективнее их можно разделить методом перегонки. Например, смесь воды ($T_{кип} = 100^\circ C$) и этилового спирта ($T_{кип} \approx 78^\circ C$) успешно разделяется дистилляцией.

Кроме того, важным свойством является термическая стабильность компонентов. Вещества не должны разлагаться или вступать в химические реакции при температурах, необходимых для их испарения, иначе перегонка будет невозможна или приведет к образованию новых соединений.

Ответ: Для осуществления перегонки необходимо, чтобы компоненты смеси имели различные температуры кипения. Также важно, чтобы компоненты были термически стабильны и не разлагались при нагревании до температуры кипения.

4. Как устроена ректификационная колонна нефтеперерабатывающего завода?

Ректификационная колонна является центральным аппаратом на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ), предназначенным для разделения сырой нефти на фракции (компоненты) с различными диапазонами температур кипения. Этот процесс называется ректификацией или фракционной перегонкой.

Принцип действия

Работа ректификационной колонны основана на том, что различные углеводороды, входящие в состав нефти, имеют разные температуры кипения. При нагревании нефти сначала испаряются более легкие компоненты (с низкой температурой кипения), а затем — более тяжелые (с высокой температурой кипения). В колонне создается температурный градиент: самая высокая температура внизу и самая низкая — вверху. Поднимающиеся пары постепенно охлаждаются, и компоненты конденсируются на разных уровнях (тарелках) в соответствии со своими температурами кипения, что и позволяет их разделить.

Конструкция ректификационной колонны

Ректификационная колонна представляет собой высокий вертикальный цилиндрический аппарат, высота которого может достигать 60 метров. Основные элементы конструкции:

• Корпус колонны: Стальной цилиндр, внутри которого происходит процесс разделения.
• Внутренние контактные устройства: Элементы, необходимые для обеспечения максимального контакта между поднимающимися парами и стекающей жидкостью (флегмой). Это ключевая часть для эффективности разделения. Существует два основных типа:
  • Тарелки: Горизонтальные перфорированные диски, установленные друг над другом по всей высоте колонны. На тарелках задерживается слой жидкости, через который проходят (барботируют) пары. Наиболее распространены колпачковые, клапанные и ситчатые тарелки.
  • Насадка: Специальные элементы различной формы (кольца, спирали и т.д.), которыми заполняется объем колонны для создания большой поверхности контакта фаз.
• Кубовая часть (низ колонны): Самая горячая часть, куда подается нагретая нефть и где скапливается самый тяжелый продукт — мазут (кубовый остаток).
• Верхняя часть колонны: Самая холодная часть, откуда выходят самые легкие пары.
• Вспомогательное оборудование:
  • Трубчатая печь: В ней сырая нефть нагревается до температуры 350-370°C перед подачей в колонну.
  • Конденсатор-дефлегматор: Теплообменник наверху колонны, предназначенный для охлаждения и конденсации выходящих паров.
  • Емкость для флегмы: Сборник для сконденсированной жидкости (дистиллята). Часть этой жидкости (флегма) возвращается на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения для улучшения процесса разделения, а остальная часть отводится как готовый продукт.
  • Штуцеры: Патрубки для ввода сырья и вывода продуктов с разных уровней колонны.

Процесс разделения нефти (ректификация)

1. Нагрев сырья: Подготовленная сырая нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры, превращаясь в парожидкостную смесь.
2. Подача в колонну: Горячая смесь подается в нижнюю часть колонны (так называемую зону питания или испарительную секцию). При этом происходит резкое снижение давления, что вызывает дополнительное испарение легких фракций.
3. Разделение фаз: Жидкая фаза (наиболее тяжелые углеводороды) стекает в кубовую часть колонны, образуя мазут. Паровая фаза, состоящая из более легких углеводородов, начинает подниматься вверх.
4. Подъем паров и конденсация: Поднимаясь по колонне, пары проходят через тарелки или насадку и постепенно охлаждаются. При достижении определенной высоты (и температуры) пары углеводородов с более высокой температурой кипения конденсируются на тарелках, образуя жидкость.
5. Сток флегмы и тепломассообмен: Сконденсированная жидкость (флегма) стекает вниз, с тарелки на тарелку, навстречу поднимающемуся потоку горячих паров. При их контакте происходит тепло- и массообмен: из горячего пара в жидкость переходят более тяжелые компоненты, а из жидкости в пар испаряются более легкие. Этот многократный процесс испарения и конденсации позволяет добиться четкого разделения.
6. Отбор фракций: На разных уровнях колонны, где скапливаются жидкости определенного состава, установлены отводы для продуктов. Сверху вниз отбираются:
   • Бензиновые фракции (самые легкие, выходят в виде паров с верха колонны и конденсируются).
   • Керосиновые фракции.
   • Дизельные фракции (газойль).
   • Мазут (кубовый остаток, отводится снизу).

Таким образом, ректификационная колонна за один непрерывный процесс позволяет разделить сложную смесь, какой является нефть, на ряд ценных нефтепродуктов.

Ответ: Ректификационная колонна на НПЗ представляет собой высокий вертикальный цилиндрический аппарат с внутренними тарелками или насадкой, предназначенный для разделения нагретой нефти на фракции. Разделение происходит за счет многократного испарения и конденсации компонентов смеси при их движении в противотоке: пар поднимается вверх, а жидкость (флегма) стекает вниз. В результате вдоль высоты колонны устанавливается градиент температур, что позволяет отбирать на разных уровнях различные нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут), отличающиеся температурами кипения.

5. Какие нефтепродукты получают при перегонке нефти? Где они применяются?

Перегонка (или фракционная дистилляция) нефти — это физический процесс разделения сырой нефти на составные части, называемые фракциями, которые различаются по температурам кипения. Процесс происходит в ректификационных колоннах, где нефть нагревается, и её пары, поднимаясь вверх, охлаждаются и конденсируются на разных уровнях.

В результате перегонки нефти получают следующие основные нефтепродукты и описывается их применение:

• Нефтяные (попутные) газы (температура кипения до 40°C):

  Это самые лёгкие фракции, состоящие из углеводородов с 1-4 атомами углерода ($C_1-C_4$: метан, этан, пропан, бутан). Их сжижают и используют в качестве бытового топлива (сжиженный газ в баллонах), автомобильного топлива (пропан-бутан), а также как ценное сырьё для химической промышленности для производства пластмасс, каучуков и других органических веществ.

• Бензин (температура кипения 40-200°C):

  Смесь лёгких углеводородов (от $C_5$ до $C_{12}$). Является основным видом топлива для двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей. Также используется как растворитель.

• Лигроин (нафта) (температура кипения 150-250°C):

  Смесь углеводородов от $C_8$ до $C_{14}$. Применяется как компонент топлива для дизельных двигателей и тракторов, а также служит важным сырьём в нефтехимии для получения бензина высокого качества (методом риформинга) и ароматических углеводородов (бензола, толуола).

• Керосин (температура кипения 180-300°C):

  Состоит из углеводородов $C_{12}-C_{18}$. Широко используется в качестве топлива для реактивных двигателей самолётов (авиакеросин) и ракет. Также применяется в быту для осветительных и нагревательных приборов (керосиновых ламп, керогазов) и как растворитель.

• Дизельное топливо (газойль) (температура кипения 200-360°C):

  Тяжёлая фракция ($C_{13}-C_{19}$), используемая в качестве топлива для дизельных двигателей грузовых автомобилей, автобусов, железнодорожного транспорта, сельскохозяйственной техники и судов. Также используется как котельное топливо.

• Мазут (остаток после перегонки, температура кипения >350°C):

  Это тёмная, вязкая жидкость, оставшаяся после отгонки светлых фракций. Его используют как котельное топливо на электростанциях, в промышленных печах и на судах. Мазут также является сырьём для дальнейшей переработки методом вакуумной дистилляции для получения более ценных продуктов:

  • Смазочные масла: Получают из мазута. Применяются для смазки движущихся частей машин и механизмов с целью уменьшения трения и износа (моторные, трансмиссионные, индустриальные масла).
  • Парафин и вазелин: Используются в медицине, косметике, для производства свечей, а также для пропитки бумаги и дерева в качестве защитного покрытия.
  • Гудрон и битум: Это самый тяжёлый остаток переработки нефти. Используется в дорожном строительстве для производства асфальта, в строительстве для гидроизоляции и изготовления кровельных материалов (например, рубероида).

Ответ: При перегонке нефти получают такие нефтепродукты, как нефтяные газы (топливо, химсырьё), бензин (автомобильное топливо), лигроин (сырьё для нефтехимии), керосин (авиационное топливо), дизельное топливо (топливо для дизельных двигателей), а также остаток — мазут, из которого в дальнейшем производят смазочные масла, парафин и гудрон (используемый для производства асфальта).

1. Почему длительное использование дистиллированной воды вредно для здоровья?

1. Почему длительное использование дистиллированной воды вредно для здоровья?

Дистиллированная вода — это вода, практически полностью очищенная от растворенных в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей путем дистилляции (перегонки). Несмотря на свою чистоту, её длительное и регулярное употребление в качестве питьевой воды может нанести вред здоровью по нескольким основным причинам.

• Вымывание минеральных веществ из организма. Дистиллированная вода является гипотонической средой, то есть концентрация солей в ней значительно ниже, чем в жидкостях человеческого организма (крови, лимфе, клеточной жидкости). Согласно закону осмоса, вода стремится перемещаться из области с меньшей концентрацией растворенных веществ в область с большей концентрацией. При употреблении дистиллированной воды она, попадая в организм, начинает "забирать" ионы (электролиты) из клеток, тканей и костей, чтобы выровнять осмотическое давление. Этот процесс приводит к потере жизненно важных минералов, таких как калий ($K^+$), натрий ($Na^+$), кальций ($Ca^{2+}$) и магний ($Mg^{2+}$).
• Нарушение водно-солевого баланса. Потеря электролитов, вызванная употреблением дистиллированной воды, нарушает гомеостаз (постоянство внутренней среды организма). Это может привести к сбоям в работе нервной системы, мышечным спазмам, слабости, нарушению сердечного ритма (аритмии) и другим серьезным проблемам со здоровьем.
• Отсутствие поступления полезных микроэлементов. Обычная питьевая вода является одним из источников поступления в организм таких важных элементов, как кальций и магний. Длительное употребление дистиллированной воды лишает организм этого источника, что со временем может способствовать развитию дефицитных состояний, повышая риск остеопороза и сердечно-сосудистых заболеваний.
• Повышенная диуретическая активность. Организм стремится быстро вывести избыток "пустой" воды, что увеличивает объем выделяемой мочи (диурез). Вместе с мочой дополнительно выводятся электролиты, что усугубляет их дефицит.

В связи с этими факторами, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) не рекомендует использовать дистиллированную воду для постоянного питья. Она может применяться в технических целях, в лабораториях или кратковременно в специфических медицинских целях по назначению врача, но для ежедневного утоления жажды следует предпочитать обычную питьевую или минерализованную воду.

Ответ: Длительное использование дистиллированной воды вредно для здоровья, поскольку она вымывает из организма жизненно важные минеральные соли (электролиты), нарушает водно-солевой баланс, лишает организм поступления необходимых микроэлементов из воды и обладает повышенным мочегонным эффектом, что в совокупности может привести к серьезным проблемам с сердечно-сосудистой, нервной и костной системами.

2. Прочитайте стихотворение Леонида Мартынова «Дистиллированная вода».

Вода благоволила литься! Она блистала, столь чиста, Что ни напиться, ни умыться. И это было неспроста. Ей не хватало ивы, тала И горечи цветущих лоз,

Ей водорослей не хватало И рыбы, жирной от стрекоз. Ей не хватало быть волнистой, Ей не хватало течь везде, Ей жизни не хватало — чистой Дистиллированной воде!

Объясните смысл данного стихотворения с точки зрения химии.

Стихотворение Леонида Мартынова «Дистиллированная вода» с точки зрения химии описывает фундаментальное различие между химически чистым веществом и природной средой, необходимой для жизни.

1. Химическая суть дистиллированной воды. Дистиллированная вода — это вода, химически представляющая собой практически чистое соединение оксида водорода ($H_2O$). Её получают методом дистилляции (перегонки), в ходе которого из неё удаляются практически все растворенные примеси: минеральные соли (ионы, такие как $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$, $K^+$, $Cl^-$, $SO_4^{2-}$), органические вещества и микроорганизмы. В стихотворении эта чистота подчеркивается словами «Она блистала, столь чиста».

2. «Что ни напиться, ни умыться». Эта строфа точно отражает свойства дистиллированной воды с химической и биологической точек зрения.

• «Ни напиться»: Регулярное употребление дистиллированной воды не рекомендуется. Поскольку в ней отсутствуют растворенные соли, она является гипотонической по отношению к жидкостям человеческого организма. При её употреблении нарушается водно-солевой баланс, так как она способствует вымыванию из организма необходимых минеральных солей (электролитов), что может негативно сказаться на здоровье. Природная же вода всегда содержит определенный набор растворенных солей, жизненно важных для организма.
• «Ни умыться»: Хотя дистиллированная вода является отличным растворителем и прекрасно очищает поверхности, не оставляя разводов (из-за отсутствия солей жесткости), процесс умывания с мылом в ней непривычен. В отсутствие ионов кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$), которые в обычной воде связывают часть мыла, мыло в дистиллированной воде пенится очень сильно и создаёт ощущение «мылкости», которое трудно смыть. Возникает субъективное чувство, что кожа остаётся не до конца чистой.

3. Отсутствие жизни. Автор перечисляет, чего не хватало этой воде: «ивы», «горячи цветущих лоз», «водорослей», «рыбы». Все это — компоненты природной экосистемы. Природная вода в реках и озерах — это сложный раствор, содержащий растворенный кислород для дыхания рыб, углекислый газ, питательные вещества (нитраты, фосфаты) для водорослей и растений. Без этих «примесей» жизнь в воде невозможна. Дистиллированная вода, будучи химически чистой, является стерильной и безжизненной средой.

Таким образом, поэт использует образ дистиллированной воды как метафору стерильности и безжизненности. С химической точки зрения, он противопоставляет чистое вещество $H_2O$ сложному природному раствору, который, благодаря своим «примесям» (растворенным солям, газам, органическим веществам), становится средой для зарождения и поддержания жизни.

Ответ: Смысл стихотворения с точки зрения химии заключается в противопоставлении химически чистого вещества — дистиллированной воды ($H_2O$), которая является стерильной и непригодной для поддержания жизни, — и природной воды, которая представляет собой сложный раствор множества неорганических и органических веществ, являющихся основой для существования живых организмов и целых экосистем. Поэтическая «неполноценность» дистиллированной воды напрямую связана с её химической чистотой и отсутствием примесей, которые в природе и есть сама жизнь.

Согласны ли вы с утверждением о том, что дистиллированную воду необходимо заливать в утюги и автомобильные радиаторы? Почему?

Да, утверждение о необходимости заливать дистиллированную воду в утюги и автомобильные радиаторы в целом верное. Это связано с предотвращением образования накипи и коррозии, которые могут повредить эти устройства.

Утюги

Обычная водопроводная вода содержит растворенные соли металлов, в основном кальция и магния, которые определяют её жёсткость. При нагревании воды в бойлере утюга и её превращении в пар эти соли выпадают в осадок, образуя твёрдые отложения — накипь. Химически этот процесс можно описать, например, для гидрокарбоната кальция: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$. Использование жёсткой воды приводит к засорению паровых каналов, выбросу частичек накипи на одежду и перегреву нагревательного элемента, что может вызвать поломку утюга.

Дистиллированная вода — это вода, практически полностью очищенная от всех примесей и солей. Её использование исключает образование накипи, тем самым продлевая срок службы утюга и сохраняя его рабочие характеристики. Стоит отметить, что некоторые современные утюги оснащены системами защиты от накипи, и производители могут допускать использование водопроводной воды, но даже в этом случае дистиллированная вода остаётся наиболее безопасным вариантом.

Ответ: В утюги необходимо заливать дистиллированную воду, чтобы избежать образования накипи, которая забивает паровые каналы, пачкает одежду и может привести к поломке прибора.

Автомобильные радиаторы

В систему охлаждения автомобиля заливается не чистая вода, а охлаждающая жидкость (антифриз), которая представляет собой смесь концентрата (на основе этиленгликоля или пропиленгликоля) и воды. Использовать дистиллированную воду для разбавления концентрата антифриза или для долива в систему крайне важно. Во-первых, это предотвращает образование накипи. Как и в утюге, соли из водопроводной воды при высоких температурах в двигателе образуют накипь на внутренних стенках радиатора и водяной рубашки двигателя. Накипь обладает низкой теплопроводностью, что резко снижает эффективность отвода тепла и может привести к перегреву двигателя. Во-вторых, дистиллированная вода защищает от коррозии, так как в ней отсутствуют ионы (например, хлориды), которые ускоряют ржавление металлических деталей. В-третьих, она сохраняет свойства антифриза, так как примеси в водопроводной воде могут вступать в реакцию с важными присадками в его составе, нейтрализуя их действие.

Таким образом, использование дистиллированной воды гарантирует, что в систему охлаждения не попадут посторонние примеси, что обеспечит её максимальную эффективность, защиту от коррозии и долгий срок службы всех компонентов.

Ответ: В автомобильные радиаторы необходимо заливать дистиллированную воду (в смеси с концентратом антифриза), чтобы предотвратить образование накипи, снижающей эффективность охлаждения, и избежать коррозии металлических деталей системы, а также для сохранения свойств присадок в антифризе.