Страница 83 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

Объясните этимологию термина «станиоль».

Термин «станиоль» является заимствованием. Он пришёл в русский язык в XVIII веке, вероятнее всего, из немецкого языка (Stanniol) или через польское посредство (staniol).

Первоисточником для этих слов послужил латинский язык. В латыни слово stannum (также встречается форма stagnum) означает «олово». От латинского корня образовалось итальянское слово stagnolo (листовое олово, фольга из олова), которое и было заимствовано в немецкий язык.

Таким образом, этимология слова «станиоль» напрямую связана с химическим элементом, из которого изначально изготавливали тонкие металлические листы, то есть с оловом. Буквально «станиоль» — это «оловянная фольга».

Ответ: Слово «станиоль» заимствовано из немецкого (Stanniol) или польского (staniol) языка и в конечном счёте восходит к латинскому слову stannum, что переводится как «олово». Этимология термина указывает на исходный материал для изготовления этого вида фольги.

1. Какие металлы и сплавы относятся к чёрным, а какие — к цветным?

В металлургии и технике все металлы и сплавы принято делить на две большие группы: чёрные и цветные. Это деление основано на наличии железа в качестве основного компонента.

Чёрные металлы и сплавы

К чёрным металлам относят железо и сплавы на его основе. Они имеют характерный тёмно-серый цвет и составляют более 90% всего объёма производимых в мире металлов. Основными представителями этой группы являются:

• Железо ($Fe$) — чистый металл, являющийся основой для сплавов.
• Сталь — сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2,14%) и другими легирующими элементами. Это самый распространённый конструкционный материал.
• Чугун — сплав железа с углеродом, где содержание углерода превышает 2,14%. Он отличается высокой твёрдостью, но и хрупкостью.

Также к группе чёрных металлов иногда относят марганец ($Mn$) и хром ($Cr$), поскольку их основное применение связано с производством сталей (в качестве легирующих добавок).

Ответ: К чёрным металлам относятся железо и его сплавы, в первую очередь сталь и чугун.

Цветные металлы и сплавы

К цветным металлам относят все остальные металлы и сплавы на их основе. Название группа получила из-за того, что многие её представители имеют характерный цвет, отличный от серого (например, медь — красная, золото — жёлтое). Они обладают разнообразными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью.

Примеры цветных металлов:

• Алюминий ($Al$) — лёгкий, коррозионностойкий металл.
• Медь ($Cu$) — обладает высокой электропроводностью.
• Титан ($Ti$) — прочный, лёгкий и очень стойкий к коррозии.
• Цинк ($Zn$), свинец ($Pb$), олово ($Sn$) — используются для покрытий и в различных сплавах.
• Золото ($Au$), серебро ($Ag$), платина ($Pt$) — благородные (драгоценные) металлы.

Примеры сплавов цветных металлов:

• Бронза — сплав меди, как правило, с оловом.
• Латунь — сплав меди с цинком.
• Дюралюминий — сплав на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца.

Ответ: К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа, и сплавы на их основе. Наиболее известные из них: медь, алюминий, титан, цинк, свинец, золото, а также сплавы, такие как бронза, латунь и дюралюминий.

2. Чем по составу чугун отличается от стали? В чём сущность процесса производства стали из чугуна?

Чем по составу чугун отличается от стали?

Основное различие между чугуном и сталью заключается в содержании углерода ($C$) и других примесей. И чугун, и сталь являются сплавами железа ($Fe$) с углеродом.

• Чугун – это сплав железа с высоким содержанием углерода, обычно от 2,14% до 4,5%. Он также содержит значительное количество других элементов, таких как кремний ($Si$), марганец ($Mn$), фосфор ($P$) и сера ($S$). Из-за высокого содержания углерода чугун обладает высокой твёрдостью, но при этом он хрупкий и плохо поддаётся ковке и сварке.
• Сталь – это сплав железа с содержанием углерода менее 2,14%. Содержание других примесей (кремния, марганца, серы, фосфора) в стали строго контролируется и обычно значительно ниже, чем в чугуне. Сталь, в отличие от чугуна, является пластичной, прочной и хорошо поддаётся различным видам механической и термической обработки.

Таким образом, главное отличие — в количественном содержании углерода и примесей, что кардинально меняет их физико-механические свойства.

Ответ: Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода (более 2,14%) и других примесей (кремния, марганца, фосфора, серы), что делает его твёрдым, но хрупким. Сталь содержит менее 2,14% углерода, она более чистая по составу, пластичная и прочная.

В чём сущность процесса производства стали из чугуна?

Сущность процесса производства стали из чугуна (этот процесс называется переделом) заключается в уменьшении содержания углерода и удалении вредных примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) до заданных пределов.

Этот процесс является окислительным. Через расплавленный чугун продувают кислород или воздух. Кислород вступает в реакцию с избыточным углеродом и примесями:

• Углерод окисляется до угарного газа ($CO$), который улетучивается: $2C + O_2 \rightarrow 2CO\uparrow$.
• Кремний, марганец и фосфор окисляются, образуя оксиды: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$, $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$, $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.

Эти оксиды, будучи легче расплавленного металла, всплывают на поверхность и вместе со специально добавляемыми флюсами (например, известью $CaO$) образуют шлак. Шлак покрывает поверхность металла, защищая его от окисления, и затем удаляется. В результате этих химических реакций состав расплава изменяется, и хрупкий чугун превращается в ковкую и прочную сталь.

Ответ: Сущность процесса заключается в окислении избыточного углерода и вредных примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), содержащихся в чугуне, путём продувки расплава кислородом. Продукты окисления удаляются в виде газов и шлака, в результате чего чугун превращается в сталь.

3. Какие виды чугуна вы знаете? Где применяется каждый из них?

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, при этом содержание углерода в нем превышает 2,14%. Свойства и, следовательно, области применения чугуна во многом определяются формой и структурой углеродных включений (графита) в металлической основе. Существуют следующие основные виды чугуна:

Серый чугун
В сером чугуне углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, который придает излому характерный серый цвет. Этот вид чугуна обладает отличными литейными качествами, хорошо обрабатывается резанием, имеет высокую прочность на сжатие и способность гасить вибрации. Однако из-за того, что пластины графита являются концентраторами напряжений, он хрупок и имеет низкую прочность на растяжение.
Применение: благодаря своим свойствам и относительно низкой стоимости серый чугун широко используется для изготовления станин тяжелых станков, блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпусов насосов и редукторов, тормозных дисков, поршневых колец, а также сантехнических изделий (труб, радиаторов).

Ответ: Станины станков, блоки цилиндров двигателей, корпуса механизмов, тормозные диски, трубы и радиаторы отопления.

Белый чугун
В этом чугуне практически весь углерод химически связан с железом, образуя карбид железа, или цементит ($Fe_3C$). Из-за большого количества цементита излом такого чугуна имеет белый блестящий цвет. Белый чугун отличается очень высокой твердостью, прочностью и исключительной износостойкостью, но при этом он очень хрупок и практически не поддается механической обработке.
Применение: используется для деталей, работающих в условиях сильного абразивного износа. Из него делают мелющие шары для рудных мельниц, детали дробилок, футеровку (защитную облицовку) для цементных мельниц и бетономешалок, прокатные валки. Также белый чугун является исходным материалом для производства ковкого чугуна.

Ответ: Износостойкие детали (мелющие шары, футеровочные плиты, прокатные валки) и как передельный чугун для получения ковкого.

Ковкий чугун
Ковкий чугун получают из отливок белого чугуна путем длительного отжига. В процессе термообработки цементит распадается, и углерод выделяется в виде компактных хлопьевидных включений (углерод отжига). Этот чугун сочетает хорошие литейные свойства с повышенной пластичностью и вязкостью, что позволяет ему выдерживать ударные и вибрационные нагрузки лучше, чем серый чугун.
Применение: из ковкого чугуна изготавливают детали, работающие на изгиб, растяжение и удар, например, детали для автомобилей (картеры редукторов, ступицы колес), сельскохозяйственной техники, звенья цепей, соединительные фитинги для трубопроводов.

Ответ: Детали для автомобильной и сельскохозяйственной промышленности, работающие при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, фитинги, звенья цепей).

Высокопрочный чугун
Этот вид чугуна получают путем модифицирования жидкого металла магнием или церием, в результате чего графит кристаллизуется в шаровидной (сфероидальной) форме. Шаровидная форма графита минимально нарушает целостность металлической матрицы, благодаря чему этот чугун обладает высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью, приближаясь по механическим свойствам к углеродистой стали, но сохраняя при этом хорошие литейные свойства чугуна.
Применение: используется для изготовления наиболее ответственных деталей, подвергающихся высоким нагрузкам: коленчатые валы двигателей, поршни, зубчатые колеса, напорные трубы для водо- и газопроводов, корпуса клапанов.

Ответ: Ответственные детали машиностроения (коленчатые валы, шестерни, поршни), напорные трубы.

Легированный (специальный) чугун
Это чугуны, в состав которых вводят специальные легирующие элементы (хром, никель, молибден, алюминий, кремний и др.) для придания им особых свойств: жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, повышенной износостойкости или определенных магнитных характеристик. Свойства и назначение такого чугуна определяются видом и количеством легирующих добавок.
Применение: жаростойкие чугуны используются для деталей печного оборудования и выхлопных коллекторов двигателей; коррозионностойкие — для насосов и арматуры в химической промышленности; износостойкие — для тормозных барабанов и деталей дробильного оборудования.

Ответ: Детали со специальными свойствами: жаростойкие (детали печей), коррозионностойкие (детали химического оборудования), износостойкие (тормозные барабаны).

4. Какие виды стали вы знаете? Что такое легирующие добавки? Где используются хромоникелевые стали?

Какие виды стали вы знаете?

Сталь — это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Существует множество классификаций стали, основные из которых приведены ниже.

По химическому составу:

• Углеродистые стали — основной компонент после железа — углерод. В зависимости от его содержания делятся на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25–0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
• Легированные стали — в их состав специально вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден и др.) для придания сплаву определённых свойств. Делятся на низколегированные (до 2,5% добавок), среднелегированные (2,5–10%) и высоколегированные (более 10%).

По качеству (определяется содержанием вредных примесей — серы и фосфора):

• Стали обыкновенного качества.
• Качественные стали.
• Высококачественные стали.
• Особо высококачественные стали.

По назначению:

• Конструкционные стали — для изготовления деталей машин и строительных конструкций.
• Инструментальные стали — для изготовления режущего, мерительного и штампового инструмента. Обладают высокой твёрдостью и износостойкостью.
• Стали с особыми свойствами — нержавеющие, жаропрочные, износостойкие, электротехнические и др.

Ответ: Стали классифицируют по химическому составу (углеродистые, легированные), качеству (обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные) и назначению (конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами).

Что такое легирующие добавки?

Легирующие добавки — это химические элементы, которые целенаправленно вводят в состав стали для улучшения её механических, физических или химических свойств. Процесс введения добавок называется легированием. Каждый элемент оказывает специфическое влияние на свойства конечного сплава.

Основные легирующие добавки и их влияние:

• Хром (Cr) — повышает твёрдость, прочность и, что наиболее важно, сопротивление коррозии. Это ключевой элемент для нержавеющих сталей.
• Никель (Ni) — увеличивает прочность, пластичность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.
• Молибден (Mo) — повышает прочность при высоких температурах (жаропрочность), твёрдость и устойчивость к коррозии в агрессивных средах.
• Марганец (Mn) — увеличивает прочность, твёрдость и износостойкость.
• Кремний (Si) — повышает прочность, упругость и стойкость к окислению.
• Ванадий (V) — увеличивает прочность, твёрдость и износостойкость, способствует образованию мелкозернистой структуры.
• Вольфрам (W) — резко повышает твёрдость и способность сохранять её при сильном нагреве (красностойкость).

Ответ: Легирующие добавки — это элементы (например, хром, никель, молибден), которые специально вводятся в состав стали для придания ей заданных свойств, таких как повышенная прочность, твёрдость, коррозионная стойкость или жаропрочность.

Где используются хромоникелевые стали?

Хромоникелевые стали — это класс высоколегированных сталей, обладающих высокой коррозионной стойкостью, прочностью и пластичностью. Благодаря уникальному сочетанию свойств, они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

Основные области применения:

• Пищевая промышленность: изготовление ёмкостей, трубопроводов, оборудования для переработки продуктов, столовых приборов и посуды. Сталь гигиенична и не вступает в реакцию с продуктами питания.
• Химическая и нефтегазовая промышленность: производство реакторов, теплообменников, ёмкостей и трубопроводов для работы с агрессивными химическими средами (кислотами, щелочами).
• Медицина: изготовление хирургических инструментов, имплантатов (например, суставов), стоматологического оборудования благодаря биосовместимости и стойкости к коррозии в биологических средах.
• Энергетика, включая атомную: детали паровых турбин, элементы котлов и ядерных реакторов, работающие в условиях высоких температур, давлений и радиации.
• Машиностроение и автомобилестроение: ответственные детали, работающие в тяжёлых условиях, такие как клапаны, валы, шестерни, элементы выхлопных систем.
• Архитектура и строительство: создание облицовочных панелей для фасадов зданий, перил, ограждений, декоративных элементов благодаря долговечности и эстетичному внешнему виду.
• Авиакосмическая отрасль: детали двигателей, обшивка, крепёж, где требуются высокая прочность, жаропрочность и надёжность.

Ответ: Хромоникелевые стали применяются в отраслях, требующих высокой коррозионной стойкости, прочности и жаропрочности, таких как пищевая и химическая промышленность, медицина, энергетика, машиностроение, строительство и авиакосмическая техника.

5. Какими физическими свойствами характеризуется алюминий? Как эти свойства связаны с областями его применения?

Какими физическими свойствами характеризуется алюминий?

Алюминий характеризуется следующим набором ключевых физических свойств:
1. Малая плотность: плотность алюминия составляет около $2700 \text{ кг/м}^3$, что делает его очень лёгким металлом (почти в 3 раза легче стали).
2. Высокая тепло- и электропроводность: он является одним из лучших проводников тепла и электрического тока. По электропроводности уступает меди, но превосходит её по проводимости на единицу массы.
3. Высокая пластичность и ковкость: алюминий легко поддаётся обработке давлением, вытягивается в проволоку и прокатывается в тончайшую фольгу толщиной в несколько микрон.
4. Коррозионная стойкость: на воздухе его поверхность мгновенно покрывается тонкой, но очень прочной и химически инертной оксидной плёнкой ($Al_2O_3$), которая защищает металл от дальнейшего окисления.
5. Высокая отражательная способность: полированная поверхность алюминия хорошо отражает как видимый свет, так и инфракрасное (тепловое) излучение.
6. Немагнитность: алюминий является парамагнетиком, то есть практически не взаимодействует с магнитным полем.
7. Серебристо-белый цвет и характерный металлический блеск.

Ответ: Алюминий характеризуется малой плотностью (лёгкостью), высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью благодаря образованию оксидной плёнки, высокой отражательной способностью и немагнитностью.

Как эти свойства связаны с областями его применения?

Каждое физическое свойство алюминия определяет конкретные области его применения:
• Малая плотность (лёгкость) делает его незаменимым материалом в авиа-, ракето- и автомобилестроении. Из него и его сплавов изготавливают фюзеляжи самолётов, кузова автомобилей, что позволяет снизить их массу и повысить топливную эффективность.
• Высокая электропроводность в сочетании с лёгкостью обусловила его широкое применение в электротехнике для изготовления проводов линий электропередач (ЛЭП). Алюминиевые провода при той же проводимости весят значительно меньше медных.
• Высокая теплопроводность используется в производстве радиаторов систем охлаждения (для автомобилей, компьютеров), теплообменников и кухонной посуды (кастрюли, сковороды), где важен быстрый и равномерный нагрев.
• Пластичность позволяет легко изготавливать из алюминия изделия сложной формы, такие как банки для напитков, пищевую фольгу, оконные и дверные профили.
• Коррозионная стойкость важна для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе (фасады зданий, оконные рамы), в судостроении, а также в пищевой промышленности (упаковка, посуда), где важна химическая инертность.
• Высокая отражательная способность нашла применение в изготовлении зеркал для телескопов, рефлекторов (отражателей) в осветительных приборах и теплоизоляционных материалов (например, спасательные одеяла).
• Немагнитность ценится в приборостроении, производстве корпусов для электроники и навигационного оборудования, где важно избегать влияния магнитных полей.

Ответ: Лёгкость алюминия используется в транспортной отрасли; электропроводность – в линиях электропередач; теплопроводность – в радиаторах и посуде; пластичность – в производстве фольги, тары и профилей; коррозионная стойкость – в строительстве и пищевой промышленности; отражательная способность – в оптике и теплоизоляции; немагнитность – в электронике и приборостроении.

6. Вспомните, что называется аллотропией. Какие аллотропные модификации олова вы знаете? Назовите области применения белого олова.

Вспомните, что называется аллотропией.

Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, которые различаются по строению и свойствам. Эти различные формы называются аллотропными модификациями или аллотропами. Причиной аллотропии может быть как различное число атомов в молекуле (например, кислород $O_2$ и озон $O_3$), так и различное строение кристаллической решетки (например, алмаз и графит для углерода $C$).

Ответ: Аллотропия — это явление существования химического элемента в виде нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам, называемых аллотропными модификациями.

Какие аллотропные модификации олова вы знаете?

Олово ($Sn$) существует в нескольких аллотропных модификациях. Наиболее известны две из них:
1. α-олово (серое олово) — устойчивая модификация при температуре ниже $13,2 \text{ °C}$. Имеет кубическую кристаллическую решётку типа алмаза. Представляет собой серый порошок, являющийся полупроводником. Переход белого олова в серое при низких температурах называют «оловянной чумой», так как изделия из олова разрушаются, превращаясь в порошок.
2. β-олово (белое олово) — устойчивая модификация в диапазоне температур от $13,2 \text{ °C}$ до $161 \text{ °C}$. Это ковкий, пластичный металл серебристо-белого цвета с тетрагональной кристаллической решёткой, обладающий хорошей электропроводностью.
Существуют и другие модификации, например, γ-олово, устойчивое при температурах выше $161 \text{ °C}$ вплоть до температуры плавления.

Ответ: Основными аллотропными модификациями олова являются α-олово (серое олово), устойчивое при низких температурах, и β-олово (белое олово), устойчивое при комнатной температуре.

Назовите области применения белого олова.

Белое олово (β-олово) находит широкое применение благодаря своей нетоксичности, коррозионной стойкости, низкой температуре плавления и способности образовывать сплавы. Основные области применения:
- Производство покрытий: нанесение защитных антикоррозионных покрытий на другие металлы, в первую очередь на сталь. Наиболее известный пример — белая жесть, из которой изготавливают консервные банки.
- Изготовление припоев: олово является основным компонентом большинства мягких припоев, используемых для пайки в электронике и электротехнике. Широко применяются бессвинцовые припои на основе олова (например, сплавы олово-серебро-медь).
- Создание сплавов: олово входит в состав таких важных сплавов, как бронза (сплав с медью), баббиты (антифрикционные сплавы для подшипников), пьютер (сплав для изготовления посуды и декоративных изделий).
- Стекольная промышленность: в производстве листового флоат-стекла расплавленная стекольная масса разливается на поверхность расплавленного олова, что позволяет получать идеально гладкую поверхность.
- Химическая промышленность: соединения олова используются в качестве катализаторов, пигментов и в производстве ПВХ.

Ответ: Белое олово применяется для создания защитных покрытий (лужение, белая жесть), в качестве компонента припоев и различных сплавов (бронза, баббит), в производстве стекла и в химической промышленности.

1. Назовите основные области применения золота. Почему этот металл используется в качестве финансового обеспечения государств?

Основные области применения золота

Золото, благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам (таким как химическая инертность, высокая электропроводность, ковкость и привлекательный внешний вид), находит применение в различных сферах человеческой деятельности.

1. Ювелирная промышленность. Это крупнейшая сфера потребления золота. Из-за своей красоты, блеска и устойчивости к коррозии оно является основным материалом для изготовления украшений. Для придания изделиям прочности и различных оттенков золото используется в виде сплавов с другими металлами (медь, серебро, палладий, никель).

2. Инвестиции и создание резервов. Золото выступает в качестве мирового финансового актива. Центральные банки формируют из него золотовалютные резервы, а частные инвесторы покупают его в виде слитков и монет для сохранения сбережений, особенно в периоды экономической нестабильности.

3. Электроника. Высокая электропроводность и устойчивость к окислению делают золото незаменимым материалом в высокотехнологичной промышленности. Его используют для покрытия контактов, разъемов и проводников в микросхемах, процессорах, мобильных телефонах и другой сложной электронике, где требуется надежность и долговечность соединений.

4. Стоматология. Биосовместимость, гипоаллергенность и прочность золотых сплавов позволяют использовать их для изготовления зубных коронок, мостов и вкладок.

5. Аэрокосмическая промышленность. Тонкий слой золота наносят на шлемы скафандров и иллюминаторы космических кораблей для защиты от вредного солнечного излучения. Также оно используется в качестве компонента смазки и для покрытия электрических контактов.

6. Медицина и химия. Изотопы золота применяются в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний. Соединения золота используются в некоторых лекарствах (например, для лечения ревматоидного артрита). В химии золото служит катализатором в ряде реакций.

Ответ: Основными областями применения золота являются ювелирная промышленность, инвестиции и формирование государственных резервов, электроника, стоматология, аэрокосмическая отрасль и медицина.

Почему этот металл используется в качестве финансового обеспечения государств

Золото исторически служит основой финансовой стабильности и используется государствами для обеспечения своих обязательств по нескольким фундаментальным причинам:

1. Редкость и ограниченность предложения. В отличие от национальных валют, которые центральные банки могут печатать (эмитировать) по своему усмотрению, что ведет к инфляции, количество золота на Земле ограничено. Его добыча — сложный и дорогостоящий процесс. Эта естественная ограниченность поддерживает его ценность в долгосрочной перспективе.

2. Долговечность и неизменность. Золото является химически инертным металлом: оно не ржавеет, не окисляется и не разрушается с течением времени. Золото, добытое тысячи лет назад, сохраняет свои свойства и ценность и сегодня. Это делает его идеальным средством для накопления и сохранения богатства между поколениями.

3. Всеобщее признание и историческая роль. На протяжении всей истории человечества золото было универсальным эквивалентом стоимости, признаваемым во всех культурах и цивилизациях. Эта многовековая традиция формирует глобальное доверие к золоту как к надежному активу, не зависящему от политической воли или стабильности отдельного государства.

4. Высокая концентрация стоимости (портативность). Золото обладает высокой стоимостью при малом весе и объеме. Это значительно упрощает его хранение и транспортировку по сравнению с другими товарными активами.

5. Ликвидность. Золото является высоколиквидным активом, то есть его можно быстро и с минимальными издержками обменять на любую мировую валюту в любой точке мира.

6. Отсутствие риска контрагента. Владение физическим золотом не несет в себе риска неисполнения обязательств третьей стороной (в отличие от акций, облигаций или банковских вкладов). Это делает его «активом последней инстанции» во времена системных финансовых кризисов.

Эти качества делают золото надежным «якорем» для финансовой системы, страховкой от обесценивания валют и инструментом поддержания доверия на международной арене.

Ответ: Золото используется в качестве финансового обеспечения государств благодаря своей редкости, долговечности, всеобщему историческому признанию, высокой концентрации стоимости, ликвидности и отсутствию риска контрагента, что делает его надежным средством сохранения ценности и защитным активом во времена кризисов.

2. Олово встречается в природе в виде минерала касситерита $SnO_2$. Рассчитайте массовую долю металла в этом соединении. Найдите массу касситерита, необходимого для получения 250 кг олова.

Дано:

Соединение: касситерит ($SnO_2$)

Масса олова, которую необходимо получить: $m(Sn) = 250$ кг

Перевод в систему СИ:
Килограмм (кг) является основной единицей массы в системе СИ, поэтому перевод не требуется.

Найти:

1. Массовую долю олова в касситерите: $\omega(Sn)$ — ?

2. Массу касситерита: $m(SnO_2)$ — ?

Решение:

Рассчитайте массовую долю металла в этом соединении.

Массовая доля элемента в соединении вычисляется по формуле:
$\omega(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(\text{соединения})}$
где $n$ — количество атомов элемента в формульной единице, $Ar(Э)$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr(\text{соединения})$ — относительная молекулярная (или формульная) масса соединения.

1. Найдем относительные атомные массы олова (Sn) и кислорода (O) по периодической таблице Д.И. Менделеева, округлив до целых чисел (для олова до 119):
$Ar(Sn) \approx 119$
$Ar(O) \approx 16$

2. Рассчитаем относительную молекулярную массу касситерита ($SnO_2$):
$Mr(SnO_2) = Ar(Sn) + 2 \cdot Ar(O) = 119 + 2 \cdot 16 = 119 + 32 = 151$

3. Рассчитаем массовую долю олова ($Sn$) в $SnO_2$:
$\omega(Sn) = \frac{Ar(Sn)}{Mr(SnO_2)} = \frac{119}{151} \approx 0.7881$
Для выражения в процентах, умножим результат на 100%:
$\omega(Sn) \approx 0.7881 \cdot 100\% = 78.81\%$

Ответ: Массовая доля олова в касситерите составляет 78.81%.

Найдите массу касситерита, необходимого для получения 250 кг олова.

Массовая доля олова, которую мы рассчитали, связывает массу чистого олова и массу касситерита, из которого его можно получить:
$\omega(Sn) = \frac{m(Sn)}{m(SnO_2)}$

Выразим из этой формулы массу касситерита $m(SnO_2)$:
$m(SnO_2) = \frac{m(Sn)}{\omega(Sn)}$

Подставим известные значения. Масса олова $m(Sn) = 250$ кг. Для большей точности используем массовую долю $\omega(Sn)$ в виде несократимой дроби $\frac{119}{151}$.
$m(SnO_2) = \frac{250 \text{ кг}}{119/151} = 250 \text{ кг} \cdot \frac{151}{119} \approx 317.2268...$ кг

Округлим результат до сотых.

Ответ: Для получения 250 кг олова необходимо 317.23 кг касситерита.

Аргументируйте свою точку зрения на тот факт, что полученный вначале алюминий стоил очень дорого, а сейчас это металл повседневного спроса.

Исторически высокая стоимость алюминия и его последующее превращение в металл массового потребления объясняются, прежде всего, эволюцией технологий его производства.

Изначально, в середине XIX века, алюминий был дороже золота. Это было связано с чрезвычайной сложностью его получения в чистом виде. Хотя алюминий является самым распространенным металлом в земной коре, он встречается исключительно в виде химических соединений, в основном в составе бокситов (оксид алюминия, $Al_2O_3$). Химическая связь между алюминием и кислородом в этом оксиде очень прочная, и для ее разрыва требуются огромные затраты энергии.

Первые промышленные методы получения алюминия, такие как процесс Вёлера, а затем процесс Сент-Клер Девиля, были основаны на химическом восстановлении хлорида алюминия щелочными металлами (сначала калием, затем более дешевым натрием). Эти процессы были многостадийными, требовали дорогих реагентов и позволяли получать лишь небольшое количество металла, что и обуславливало его заоблачную цену. В то время алюминий считался драгоценным металлом, из него изготавливали ювелирные украшения и предметы роскоши.

Кардинальное изменение ситуации произошло в 1886 году с изобретением электролитического способа получения алюминия, известного как процесс Холла-Эру. Этот метод, разработанный независимо друг от друга американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру, заключается в электролизе оксида алюминия ($Al_2O_3$), растворенного в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$).

Ключевыми факторами, сделавшими этот процесс экономически выгодным и приведшими к резкому падению цены на алюминий, стали:
1. Эффективность процесса: Электролиз позволил напрямую и с высокой эффективностью извлекать чистый алюминий из его оксида.
2. Доступность электроэнергии: Разработка процесса Холла-Эру совпала с началом "эры электричества". Развитие гидро- и теплоэлектростанций сделало электроэнергию значительно более доступной и дешевой, что было критически важно для энергоемкого процесса электролиза.
3. Усовершенствование подготовительных стадий: Разработка процесса Байера для получения чистого оксида алюминия (глинозема) из бокситов также способствовала удешевлению и повышению эффективности всего производственного цикла.

Таким образом, переход от сложных и дорогих химических методов к более простому и масштабируемому электролитическому процессу, подкрепленный доступностью дешевой электроэнергии, превратил алюминий из редкого и драгоценного металла в один из самых широко используемых конструкционных материалов современности, применяемый повсеместно — от фольги и банок для напитков до авиа- и ракетостроения.

Ответ: Изначально алюминий был очень дорогим из-за крайне сложных и затратных химических методов его получения из руды. Резкое удешевление и превращение его в металл повседневного спроса стали возможными благодаря изобретению в 1886 году энергоэффективного электролитического метода (процесса Холла-Эру) и одновременному развитию электроэнергетики, которая обеспечила производство дешевой электроэнергией, необходимой для этого процесса в промышленных масштабах.

Лабораторный опыт № 10

Познакомьтесь с коллекцией простых веществ — неметаллов, используя следующий план:

1) агрегатное состояние при комнатной температуре;

2) цвет;

3) наличие блеска;

4) наличие пластичности (для твёрдых веществ);

5) наличие теплопроводности;

6) плотность (см. табл. 7, с. 138—139);

7) температура плавления (см. табл. 7).

Какими физическими свойствами неметаллы отличаются от металлов?

1) агрегатное состояние при комнатной температуре

Неметаллы при комнатной температуре ($20-25^\circ C$) могут находиться в трёх агрегатных состояниях. Газообразные неметаллы: водород ($H_2$), азот ($N_2$), кислород ($O_2$), фтор ($F_2$), хлор ($Cl_2$) и инертные газы. Единственный жидкий неметалл — это бром ($Br_2$). Твёрдые неметаллы: углерод ($C$), фосфор ($P$), сера ($S$), кремний ($Si$), иод ($I_2$).

Ответ: Неметаллы существуют в газообразном, жидком и твердом агрегатных состояниях при комнатной температуре.

2) цвет

Неметаллы имеют разнообразную окраску, в отличие от большинства металлов, которые имеют серебристо-белый цвет. Например, сера ($S$) — жёлтая, фосфор ($P$) бывает белым, красным и чёрным, графит ($C$) — серо-чёрный, иод ($I_2$) — тёмно-фиолетовый, бром ($Br_2$) — красно-бурый, хлор ($Cl_2$) — жёлто-зелёный. Многие газообразные неметаллы, такие как кислород ($O_2$) и азот ($N_2$), бесцветны.

Ответ: Неметаллы имеют разнообразные цвета, от бесцветного (кислород, азот) и жёлтого (сера) до тёмно-фиолетового (иод).

3) наличие блеска

Большинство неметаллов не обладают металлическим блеском, их поверхность матовая. Однако существуют исключения: кристаллический иод ($I_2$), графит (аллотропная модификация углерода) и кремний ($Si$) имеют характерный блеск, напоминающий металлический.

Ответ: Большинство неметаллов не имеют блеска, но некоторые (иод, графит, кремний) обладают блеском, схожим с металлическим.

4) наличие пластичности (для твёрдых веществ)

Твёрдые неметаллы, в отличие от металлов, непластичны. Они являются хрупкими веществами. При механическом воздействии (например, ударе) они не деформируются, а раскалываются или крошатся. Например, кристалл серы или кусочек угля легко измельчить в порошок.

Ответ: Твёрдые неметаллы непластичны, они являются хрупкими веществами.

5) наличие теплопроводности

Большинство неметаллов являются плохими проводниками тепла (теплоизоляторами). Исключением является алмаз (аллотропная модификация углерода), который обладает очень высокой теплопроводностью, превосходящей теплопроводность многих металлов. Графит также проводит тепло, но значительно хуже алмаза.

Ответ: Неметаллы, за редкими исключениями (например, алмаз), обладают низкой теплопроводностью.

6) плотность

Плотность неметаллов варьируется в широких пределах, но в целом они менее плотные, чем большинство металлов. Например, плотность серы составляет около $2,07 \text{ г/см}^3$, а графита — $2,27 \text{ г/см}^3$. Это значительно меньше плотности таких металлов, как железо ($7,87 \text{ г/см}^3$) или свинец ($11,34 \text{ г/см}^3$).

Ответ: Неметаллы, как правило, имеют меньшую плотность по сравнению с металлами.

7) температура плавления

Температуры плавления неметаллов находятся в очень широком диапазоне. Многие неметаллы, являющиеся газами при комнатной температуре, имеют очень низкие температуры плавления (например, у кислорода $t_{пл} = -218,8^\circ C$). У серы температура плавления составляет $115,2^\circ C$. В то же время некоторые неметаллы с атомной кристаллической решёткой (углерод, кремний) — одни из самых тугоплавких веществ. Например, алмаз плавится при температуре около $3550^\circ C$, а графит сублимирует (переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое) при $3652^\circ C$.

Ответ: Температуры плавления неметаллов варьируются в очень широком диапазоне, от очень низких до чрезвычайно высоких.

Какими физическими свойствами неметаллы отличаются от металлов?

Неметаллы отличаются от металлов по ряду ключевых физических свойств. Во-первых, по агрегатному состоянию: металлы (кроме ртути) — твёрдые вещества, тогда как неметаллы могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными. Во-вторых, по внешнему виду: металлы обладают характерным металлическим блеском, а большинство неметаллов — матовые и имеют разнообразную окраску. В-третьих, по механическим свойствам: металлы пластичны (ковки), а твёрдые неметаллы хрупкие. В-четвёртых, по проводимости: металлы — хорошие проводники тепла и электрического тока, а неметаллы в большинстве своём — изоляторы или полупроводники (исключение — графит, который проводит ток).

Ответ: Неметаллы отличаются от металлов агрегатным состоянием (бывают газами, жидкостями и твердыми телами), отсутствием у большинства металлического блеска и пластичности, плохой электро- и теплопроводностью, а также разнообразием окраски.

Попробуйте дать определение понятия «неметаллы», исходя из того, что оно является химическим антонимом понятия «металлы».

Чтобы дать определение понятию «неметаллы», исходя из того, что оно является антонимом понятия «металлы», необходимо сначала перечислить ключевые свойства металлов, а затем описать противоположные им свойства.

Свойства металлов:

• Физические: наличие металлического блеска, высокая электро- и теплопроводность, пластичность и ковкость, твёрдое агрегатное состояние (кроме ртути).
• Химические: атомы металлов в реакциях легко отдают электроны с внешнего энергетического уровня, являясь восстановителями. Они образуют положительно заряженные ионы (катионы), а их оксиды и гидроксиды чаще всего проявляют основные или амфотерные свойства.

Теперь, используя принцип антонимии, сформулируем свойства неметаллов:

• Физические: отсутствие металлического блеска (они матовые или имеют другой тип блеска, например, алмазный), плохая электро- и теплопроводность (являются диэлектриками или полупроводниками), хрупкость в твёрдом состоянии. Неметаллы могут находиться в любом из трёх агрегатных состояний при обычных условиях (газы, жидкости, твёрдые вещества).
• Химические: атомы неметаллов в реакциях склонны принимать электроны на внешний энергетический уровень, являясь окислителями. Они образуют отрицательно заряженные ионы (анионы) или ковалентные связи, а их оксиды и гидроксиды (кислоты) проявляют кислотные свойства.

Таким образом, обобщая противоположные свойства, можно дать следующее определение.

Ответ: Неметаллы — это химические элементы, которые проявляют свойства, противоположные свойствам металлов. Как правило, они не обладают металлическим блеском, являются плохими проводниками тепла и электричества и хрупки в твёрдом состоянии. В химических реакциях их атомы склонны принимать электроны, выступая в роли окислителей и образуя соединения с кислотным характером.