Страница 78 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Перечислите общие физические свойства металлов и укажите области применения конкретных металлов на основе этих свойств.

Общие физические свойства металлов обусловлены особенностями их строения — наличием металлической кристаллической решетки, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются обобществленные электроны («электронный газ»). Эти свойства определяют широкое применение металлов в различных сферах.

Высокая электропроводность и теплопроводность

Это свойство обусловлено наличием свободных электронов, которые могут упорядоченно двигаться под действием электрического поля (электропроводность) и переносить тепловую энергию (теплопроводность). Лучшими проводниками являются серебро, медь, золото и алюминий. Применение:медь (Cu) и алюминий (Al) широко используются для изготовления электрических проводов и кабелей; медь (Cu) также применяется в теплообменниках и радиаторах; серебро (Ag) и золото (Au) используются в контактах ответственной электроники.

Пластичность (ковкость и тягучесть)

Способность металлов изменять свою форму под действием нагрузки (прокатываться в листы, вытягиваться в проволоку) без разрушения. Это свойство объясняется возможностью смещения слоев ионов в кристаллической решетке без разрыва металлической связи. Применение: из золота (Au), самого пластичного металла, изготавливают тончайшие листы (сусальное золото); алюминий (Al) легко прокатывается в фольгу; железо (Fe) в виде стали используется для штамповки кузовов автомобилей.

Металлический блеск

Способность хорошо отражать световые лучи, что связано со взаимодействием света со свободными электронами на поверхности металла. Применение:золото (Au), серебро (Ag) и платина (Pt) используются для изготовления ювелирных изделий; серебро (Ag) применяется для изготовления зеркал; хром (Cr) и никель (Ni) используются для нанесения защитно-декоративных покрытий.

Высокая прочность и твёрдость

Способность сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил, которая определяется силами связи между атомами в кристаллической решетке. Применение:железо (Fe) и его сплавы (сталь, чугун) — основа машиностроения и строительства; титан (Ti) и его сплавы незаменимы в авиационной и ракетной технике, а также для изготовления медицинских имплантов; сплавы вольфрама (W) используются для изготовления режущих инструментов.

Высокие температуры плавления

Большинство металлов являются твердыми веществами при комнатной температуре и плавятся при высоких температурах (исключение — ртуть). Это связано с прочностью металлической связи. Применение:вольфрам (W), имеющий самую высокую температуру плавления ($3422^\circ\text{C}$), используют для изготовления нитей накаливания в лампах; платина (Pt) и молибден (Mo) применяются в конструкциях, работающих при высоких температурах.

Высокая плотность

Большинство металлов имеют высокую плотность, то есть большую массу при небольшом объеме (исключения — щелочные металлы, алюминий). Применение:свинец (Pb) из-за его высокой плотности используют для защиты от радиации и в качестве балласта; осмий (Os), самый плотный металл, применяется в точных приборах.

Ответ: Общими физическими свойствами металлов являются высокая электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость и тягучесть), металлический блеск, высокая прочность, твёрдость и, как правило, высокие температуры плавления и плотность. Эти свойства обуславливают их применение: медь и алюминий — в электротехнике (провода); золото и алюминий — для изготовления фольги; железо (сталь) и титан — в строительстве и машиностроении как конструкционные материалы; вольфрам — в лампах накаливания; золото, серебро и платина — в ювелирном деле; свинец — для защиты от радиации.

2. Что представляют собой сплавы? Назовите известные вам сплавы и укажите их компоненты.

Что представляют собой сплавы?

Сплавы — это макроскопически однородные металлические материалы, состоящие из двух или более химических элементов, из которых по крайней мере один является металлом. Сплавы создаются путём смешивания расплавленных компонентов с последующим их затвердеванием. Также сплавы можно получать методами порошковой металлургии, электролиза или диффузионного насыщения.

Основная цель создания сплавов — получение материалов с заданными физическими, химическими или механическими свойствами (например, прочностью, твёрдостью, коррозионной стойкостью, определённой температурой плавления), которые отличаются от свойств их чистых компонентов.

Ответ: Сплавы — это материалы с металлическими свойствами, состоящие из смеси двух или более элементов, где основной компонент — металл. Они создаются для получения улучшенных или специфических свойств, отличных от свойств чистых металлов.

Назовите известные вам сплавы и укажите их компоненты.

Существует множество различных сплавов, широко используемых в технике и быту. Ниже приведены некоторые из них и их основные компоненты:
Сталь — сплав железа ($Fe$) с углеродом ($C$), причём содержание углерода не превышает 2,14%. Для придания специальных свойств в сталь добавляют легирующие элементы, такие как хром ($Cr$), никель ($Ni$), марганец ($Mn$).
Чугун — сплав железа ($Fe$) с углеродом ($C$), где содержание углерода составляет более 2,14%.
Бронза — сплав на основе меди ($Cu$), где основным легирующим компонентом чаще всего является олово ($Sn$), но могут быть и алюминий ($Al$), кремний ($Si$), свинец ($Pb$) и другие.
Латунь — сплав на основе меди ($Cu$), где основным легирующим элементом является цинк ($Zn$).
Дюралюминий (дюраль) — сплав на основе алюминия ($Al$) с добавками меди ($Cu$), магния ($Mg$) и марганца ($Mn$).
Нихром — сплав на основе никеля ($Ni$) и хрома ($Cr$). Обладает высоким электрическим сопротивлением и жаростойкостью.
Припой — легкоплавкий сплав, предназначенный для пайки. Классический состав — олово ($Sn$) и свинец ($Pb$).

Ответ: Примеры сплавов и их компонентов: сталь (железо, углерод), чугун (железо, углерод в большей концентрации), бронза (медь, олово), латунь (медь, цинк), дюралюминий (алюминий, медь, магний, марганец), нихром (никель, хром).

3. Бронза состоит на $80 \%$ из меди и на $20 \%$ из олова. Какие массы металлов нужно взять для получения $2.5 \text{ т}$ бронзы?

Дано:

Массовая доля меди в бронзе ($w_{Cu}$) = 80 %

Массовая доля олова в бронзе ($w_{Sn}$) = 20 %

Масса бронзы ($m_{бронзы}$) = 2,5 т

$m_{бронзы} = 2,5 \text{ т} = 2,5 \cdot 1000 = 2500 \text{ кг}$

Найти:

Массу меди ($m_{Cu}$) - ?

Массу олова ($m_{Sn}$) - ?

Решение:

Для нахождения массы каждого компонента в сплаве необходимо общую массу сплава умножить на массовую долю этого компонента.

Сначала переведем процентное содержание металлов в доли от единицы:

Массовая доля меди: $w_{Cu} = 80 \% = \frac{80}{100} = 0,8$

Массовая доля олова: $w_{Sn} = 20 \% = \frac{20}{100} = 0,2$

1. Вычислим массу меди, необходимую для получения 2,5 т (2500 кг) бронзы:

$m_{Cu} = m_{бронзы} \cdot w_{Cu} = 2500 \text{ кг} \cdot 0,8 = 2000 \text{ кг}$

Поскольку исходная масса была дана в тоннах, переведем результат обратно в тонны:

$2000 \text{ кг} = 2 \text{ т}$

2. Вычислим массу олова, необходимую для получения 2,5 т (2500 кг) бронзы:

$m_{Sn} = m_{бронзы} \cdot w_{Sn} = 2500 \text{ кг} \cdot 0,2 = 500 \text{ кг}$

Переведем результат в тонны:

$500 \text{ кг} = 0,5 \text{ т}$

Проверка: $m_{Cu} + m_{Sn} = 2 \text{ т} + 0,5 \text{ т} = 2,5 \text{ т}$. Сумма масс совпадает с общей массой бронзы.

Ответ: для получения 2,5 т бронзы необходимо взять 2 т меди и 0,5 т олова.

1. Железо получают из следующих руд: красного железняка $Fe_2O_3$ и магнитного железняка $Fe_3O_4$. В какой из руд содержание железа выше? Ответ подтвердите расчётами.

Дано:

Руда "красный железняк", формула $Fe_2O_3$

Руда "магнитный железняк", формула $Fe_3O_4$

Относительная атомная масса железа: $Ar(Fe) = 56$

Относительная атомная масса кислорода: $Ar(O) = 16$

Найти:

В какой из руд массовая доля железа ($ω(Fe)$) выше.

Решение:

Для ответа на вопрос необходимо рассчитать массовую долю железа в каждой из руд. Массовая доля элемента в сложном веществе вычисляется по формуле:

$ω(\text{элемента}) = \frac{n \cdot Ar(\text{элемента})}{M_r(\text{вещества})} \cdot 100\%$

где $n$ – количество атомов элемента в формуле, $Ar$ – относительная атомная масса элемента, $M_r$ – относительная молекулярная масса вещества.

1. Расчёт массовой доли железа в красном железняке ($Fe_2O_3$)

Сначала определим относительную молекулярную массу оксида железа(III):

$M_r(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160$

Теперь вычислим массовую долю железа:

$ω(Fe \text{ в } Fe_2O_3) = \frac{2 \cdot Ar(Fe)}{M_r(Fe_2O_3)} \cdot 100\% = \frac{2 \cdot 56}{160} \cdot 100\% = \frac{112}{160} \cdot 100\% = 0,7 \cdot 100\% = 70\%$

2. Расчёт массовой доли железа в магнитном железняке ($Fe_3O_4$)

Определим относительную молекулярную массу железной окалины (смешанного оксида железа(II, III)):

$M_r(Fe_3O_4) = 3 \cdot Ar(Fe) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232$

Вычислим массовую долю железа:

$ω(Fe \text{ в } Fe_3O_4) = \frac{3 \cdot Ar(Fe)}{M_r(Fe_3O_4)} \cdot 100\% = \frac{3 \cdot 56}{232} \cdot 100\% = \frac{168}{232} \cdot 100\% \approx 0,7241 \cdot 100\% \approx 72,4\%$

3. Сравнение

Сравниваем полученные значения массовой доли железа в двух рудах:

$72,4\% \text{ (в } Fe_3O_4\text{) } > 70\% \text{ (в } Fe_2O_3\text{) }$

Таким образом, содержание железа выше в магнитном железняке.

Ответ: Содержание железа выше в магнитном железняке ($Fe_3O_4$).

2. О каком свойстве металлов говорится в начальной строке стихотворения А. С. Пушкина «Кинжал»: Лемносский бог тебя сковал?

О каком свойстве металлов говорится в строках?

Как адский луч, как молния богов, Немое лезвие злодею в очи блещет, И, озираясь, он трепещет Среди своих пиров.

Определите, в каких фразах идёт речь об элементе, а в каких — о простом веществе:

а) из железа изготавливают канцелярские скрепки и кнопки;

б) железо входит в состав руд: магнетита, лимонита, гематита;

в) недостаточное содержание в крови железа, входящего в состав гемоглобина, ведёт к анемии;

г) метеорит «Челябинск» содержит большое количество железа.

В начальной строке стихотворения А. С. Пушкина «Кинжал»: «Лемносский бог тебя сковал?» речь идет о таком физическом свойстве металлов, как ковкость. Ковкость – это способность металла под действием ударов изменять свою форму, не разрушаясь. Этот процесс называется ковкой, а занимался им, согласно мифологии, бог-кузнец Гефест (Лемносский бог). Ковкость является проявлением пластичности металлов.

В строках «Как адский луч, как молния богов, / Немое лезвие злодею в очи блещет...» говорится о таком свойстве металлов, как металлический блеск. Это характерная способность металлов и их сплавов отражать световые лучи.

а) В данном предложении речь идет о железе как о материале, из которого изготавливают физические объекты (скрепки и кнопки). Говорится о форме существования химического элемента, обладающей определенными физическими свойствами (прочностью, пластичностью), то есть о простом веществе.

Ответ: простое вещество.

б) Здесь говорится о том, что атомы железа являются частью более сложных химических соединений, составляющих руды (магнетит $Fe_3O_4$, лимонит $FeO(OH)·nH_2O$, гематит $Fe_2O_3$). Речь идет о химическом элементе как о составной части других веществ.

Ответ: химический элемент.

в) В этой фразе железо упоминается как составная часть сложной белковой молекулы гемоглобина. Речь идет не о металлическом железе, а об атомах железа, включенных в химическую структуру соединения. Следовательно, говорится о химическом элементе.

Ответ: химический элемент.

г) Метеорит содержит железо в виде металла (часто в сплаве с никелем), то есть в свободном состоянии. Речь идет о веществе, а не о его атомах в составе соединений.

Ответ: простое вещество.

1. Как вы считаете, почему авиакомпаниями запрещены к перевозке аппараты и приборы, содержащие ртуть?

1. Авиакомпании запрещают перевозку аппаратов и приборов, содержащих ртуть, по нескольким критически важным причинам, связанным с безопасностью полетов и здоровьем людей.

Во-первых, это высокая токсичность паров ртути. Ртуть является ядовитым веществом. При комнатной температуре она испаряется, образуя бесцветные и не имеющие запаха токсичные пары. В случае повреждения прибора (например, термометра или барометра) и утечки ртути в замкнутом пространстве салона самолета, ее пары быстро распространятся по всей системе вентиляции. Вдыхание паров ртути может вызвать тяжелое отравление у пассажиров и экипажа, поражая центральную нервную систему, почки и легкие.

Во-вторых, это разрушительное воздействие на алюминий. Данная причина является ключевой для авиации. Конструкция современных самолетов в значительной степени состоит из алюминиевых сплавов. Ртуть обладает уникальной способностью образовывать с алюминием амальгаму — жидкий сплав. Этот процесс разрушает защитную оксидную пленку ($Al_2O_3$), которая предохраняет металл от коррозии. Лишившись защиты, алюминий начинает активно окисляться кислородом воздуха, превращаясь в рыхлый гидроксид алюминия. Реакция носит каталитический характер: даже небольшое количество ртути способно повредить значительную массу металла. Этот процесс может привести к катастрофическому ослаблению и разрушению силовых элементов конструкции самолета (фюзеляжа, крыльев), что представляет прямую угрозу безопасности полета.

В-третьих, это сложность демеркуризации (очистки). Разлившаяся ртуть распадается на мельчайшие шарики, которые легко проникают в самые труднодоступные щели и стыки конструкций. Полностью собрать ее и обезвредить (провести демеркуризацию) на борту самолета — чрезвычайно сложная, длительная и дорогостоящая процедура. Она требует вывода воздушного судна из эксплуатации на длительный срок и привлечения специализированных служб.

Совокупность этих факторов — высокая опасность для здоровья людей, риск разрушения конструкции самолета и сложность ликвидации последствий — делает перевозку ртути и содержащих ее приборов недопустимой с точки зрения авиационной безопасности.

Ответ: Аппараты и приборы, содержащие ртуть, запрещены к перевозке авиакомпаниями из-за трех основных рисков: 1) высокой токсичности паров ртути для пассажиров и экипажа в случае утечки; 2) способности ртути вызывать быструю и обширную коррозию алюминиевых конструкций самолета, что может привести к разрушению воздушного судна; 3) чрезвычайной сложности и дороговизны работ по очистке самолета от разлившейся ртути.

2. На уроке вы познакомились с общими свойствами металлов. Предложите свой список из 4—5 наиболее важных, на ваш взгляд, металлов, которые играют основную роль в жизни человека. Подготовьте сообщение об одном из них, воспользовавшись подборкой статей по химической тематике из Большой советской энциклопедии или другими источниками информации.

Список из 4–5 наиболее важных, на ваш взгляд, металлов, которые играют основную роль в жизни человека

1. Железо (Fe). Это основной конструкционный материал в виде сплавов (сталь, чугун), используемый в строительстве, машиностроении и транспорте. Железо также является ключевым микроэлементом для жизни, входя в состав гемоглобина, который переносит кислород в крови.

2. Алюминий (Al). Легкий, прочный и устойчивый к коррозии металл. Незаменим в авиационной и космической промышленности, автомобилестроении, производстве электротехники, упаковки (фольга, банки) и строительных материалов.

3. Медь (Cu). Обладает выдающейся электро- и теплопроводностью, что делает её незаменимой в электротехнике (провода, кабели, электродвигатели) и теплотехнике (теплообменники, радиаторы). Также используется в сплавах (бронза, латунь) и строительстве.

4. Кальций (Ca). Важнейший биогенный металл, составляющий основу костей и зубов. Его соединения, такие как известняк ($CaCO_3$) и гипс ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$), являются сырьем для производства цемента, извести и других строительных материалов.

5. Золото (Au). Несмотря на меньшее промышленное применение по сравнению с железом или алюминием, золото играет колоссальную роль в мировой экономике и финансах как универсальный эквивалент стоимости. Оно также широко используется в ювелирном деле, стоматологии и электронике благодаря своей химической инертности и высокой электропроводности.

Ответ: Список наиболее важных металлов включает железо, алюминий, медь, кальций и золото, каждый из которых играет ключевую роль в различных сферах жизни человека, от промышленности и технологий до биологии и экономики.

Сообщение об одном из них (Железо)

Железо ($Fe$) – химический элемент с атомным номером 26, расположенный в VIII группе периодической системы. Этот серебристо-белый, ковкий и пластичный металл является одним из самых распространённых на Земле и, безусловно, самым важным для человеческой цивилизации.

История и получение. Эпоха, когда человечество освоило получение железа из руд, получила название «железный век». Это стало революцией в развитии общества, так как железные орудия и оружие были значительно прочнее и доступнее бронзовых. В промышленности железо получают из железных руд, в основном из гематита ($Fe_2O_3$) и магнетита ($Fe_3O_4$), путем восстановления углеродом (коксом) в доменных печах при высокой температуре. Процесс можно упрощенно описать уравнением: $2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$.

Свойства. Железо обладает ферромагнетизмом – способностью сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. Оно химически активно: на влажном воздухе подвергается коррозии (ржавлению), образуя гидроксид железа(III): $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$. Железо реагирует с кислотами с выделением водорода (например, $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$), а также со многими неметаллами при нагревании.

Применение. Главное применение железа – производство его сплавов, чугуна (содержание углерода > 2,14%) и стали (содержание углерода < 2,14%). Сталь является основным конструкционным материалом в мире. Из неё строят небоскребы и мосты, делают корпуса автомобилей, кораблей и самолетов, железнодорожные рельсы, инструменты и бытовую технику. Чистое железо используется реже, в основном для сердечников электромагнитов и трансформаторов.

Биологическая роль. Железо – незаменимый микроэлемент для живых организмов. У человека оно входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, ответственного за транспорт кислорода от легких к тканям. Недостаток железа в организме вызывает железодефицитную анемию, которая проявляется слабостью, утомляемостью и бледностью.

В заключение, железо является фундаментом современной индустрии и играет критически важную роль в биологических процессах, что делает его одним из самых значимых металлов для человечества.

Ответ: Подготовлено сообщение о железе, освещающее его историю, свойства, способы получения, основное применение в виде стали и чугуна, а также его жизненно важную биологическую роль.