Страница 86 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Во сколько раз масса молекулы озона больше массы молекулы кислорода?

1. Дано:

Молекула кислорода ($O_2$)

Молекула озона ($O_3$)

Найти:

Отношение массы молекулы озона к массе молекулы кислорода: $\frac{m_{O_3}}{m_{O_2}}$

Решение:

Масса молекулы определяется суммой масс атомов, из которых она состоит. И кислород, и озон являются аллотропными модификациями химического элемента кислорода (O).

Химическая формула молекулы кислорода — $O_2$. Это означает, что молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода.

Химическая формула молекулы озона — $O_3$. Это означает, что молекула озона состоит из трех атомов кислорода.

Пусть $m_O$ — масса одного атома кислорода.

Тогда масса молекулы кислорода ($m_{O_2}$) вычисляется как:

$m_{O_2} = 2 \cdot m_O$

Масса молекулы озона ($m_{O_3}$) вычисляется как:

$m_{O_3} = 3 \cdot m_O$

Чтобы найти, во сколько раз масса молекулы озона больше массы молекулы кислорода, необходимо найти отношение их масс:

$\frac{m_{O_3}}{m_{O_2}} = \frac{3 \cdot m_O}{2 \cdot m_O}$

Сократив массу атома кислорода ($m_O$) в числителе и знаменателе, получаем:

$\frac{m_{O_3}}{m_{O_2}} = \frac{3}{2} = 1.5$

Ответ: масса молекулы озона в 1,5 раза больше массы молекулы кислорода.

2. Какова биологическая роль озона на нашей планете?

Биологическая роль озона ($O_3$) на нашей планете является жизненно важной и в первую очередь заключается в защите биосферы от губительного воздействия солнечной радиации.

Основная масса озона (около 90%) сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 35 км, образуя так называемый озоновый слой. Этот слой функционирует как естественный ультрафиолетовый фильтр, поглощая почти всё наиболее опасное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца (УФ-C с длиной волны 100–280 нм) и значительную часть средневолнового излучения (УФ-B с длиной волны 280–315 нм).

Эта защитная функция имеет колоссальное значение для всего живого на Земле. Без озонового экрана интенсивное ультрафиолетовое излучение, достигающее поверхности планеты, делало бы невозможным существование жизни в её современных формах. Последствия воздействия избыточного УФ-излучения на живые организмы крайне негативны:
- У человека и животных: повреждение молекул ДНК, что многократно увеличивает риск развития рака кожи (в частности, меланомы); развитие катаракты и других заболеваний глаз; ослабление иммунной системы, что делает организм более уязвимым к инфекциям.
- У растений: замедление фотосинтеза и роста, что приводит к снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур; прямое повреждение листьев и хвои.
- В водных экосистемах: гибель фитопланктона и зоопланктона в верхних слоях воды. Эти микроорганизмы являются основой морских пищевых цепей и производят значительную часть атмосферного кислорода. Также УФ-излучение губительно для икры и личинок рыб и других морских обитателей.

В то же время следует различать стратосферный («полезный») озон и тропосферный («вредный»). Озон, находящийся в приземном слое воздуха (тропосфере), является сильным окислителем, токсичным веществом и одним из основных компонентов фотохимического смога. Он образуется в результате реакций с участием промышленных выбросов и выхлопных газов и наносит вред дыхательной системе человека и животных, а также угнетает растительность.

Таким образом, ключевая и незаменимая биологическая роль озона — это поддержание условий для безопасного существования и развития жизни на Земле благодаря наличию озонового слоя в стратосфере.

Ответ: Главная биологическая роль озона заключается в формировании в стратосфере озонового слоя, который защищает все живые организмы на Земле от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Поглощая большую часть УФ-лучей, озоновый слой предотвращает повреждение ДНК, развитие рака кожи и катаракты у животных и человека, а также защищает растения и планктон, тем самым делая возможным существование жизни на поверхности нашей планеты.

3. Используя свои знания из курса биологии, охарактеризуйте биологическое значение элементов-неметаллов в живом организме.

Решение

Элементы-неметаллы играют первостепенную роль в живых организмах, составляя основу их структуры и обеспечивая протекание всех жизненно важных процессов. Около 99% массы клетки приходится на долю неметаллов. Четыре из них – углерод, кислород, водород и азот – называют органогенами, так как они являются основными компонентами всех органических соединений.

Углерод (C)

Углерод является структурной основой всех без исключения органических молекул: белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот. Его уникальная способность образовывать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами углерода и элементами-органогенами позволяет создавать длинные и разветвленные цепи, а также циклические структуры. Это обеспечивает огромное разнообразие и сложность органических соединений, необходимых для построения и функционирования живых систем. Например, скелет молекулы глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) или любой аминокислоты построен из атомов углерода.

Кислород (O)

Кислород – один из самых распространенных элементов в живой природе. Он входит в состав важнейшего неорганического вещества – воды ($H_2O$), которая является универсальным растворителем и средой для биохимических реакций. Также кислород является обязательным компонентом всех основных классов органических молекул. В виде молекулярного кислорода ($O_2$) он выступает в качестве конечного акцептора электронов в процессе клеточного дыхания, что необходимо для синтеза АТФ – основного источника энергии в клетке.

Водород (H)

Водород также входит в состав воды и абсолютно всех органических соединений. Атомы водорода участвуют в образовании водородных связей – слабых, но многочисленных взаимодействий, которые играют ключевую роль в поддержании пространственной структуры макромолекул, например, двойной спирали ДНК и вторичной структуры белков. Ионы водорода ($H^+$) определяют кислотность среды (pH), что критически важно для работы ферментов. Кроме того, перенос ионов водорода лежит в основе процессов запасания энергии в митохондриях и хлоропластах.

Азот (N)

Азот является важнейшим компонентом аминокислот, из которых строятся белки, выполняющие в организме строительную, ферментативную, транспортную, защитную и многие другие функции. Также азот входит в состав азотистых оснований, являющихся частью нуклеотидов – мономеров нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), которые хранят и передают наследственную информацию. Азот присутствует и в молекуле АТФ.

Другие важные неметаллы

Помимо органогенов, ключевое значение имеют и другие неметаллы:

Фосфор (P): входит в состав нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты, образующих сахарофосфатный остов), АТФ (макроэргические связи в которой аккумулируют энергию) и фосфолипидов, формирующих клеточные мембраны. Также фосфат кальция является основой костной ткани и зубов.

Сера (S): содержится в некоторых аминокислотах (метионин, цистеин). Дисульфидные мостики ($-S-S-$), образующиеся между остатками цистеина, играют важную роль в стабилизации трехмерной структуры белковых молекул. Сера также входит в состав некоторых витаминов (например, B1) и коферментов.

Хлор (Cl): в виде хлорид-иона ($Cl^-$) является основным анионом внеклеточной жидкости. Он участвует в поддержании осмотического равновесия и водно-солевого баланса. Входит в состав соляной кислоты ($HCl$) желудочного сока, обеспечивая его бактерицидные свойства и активацию пищеварительных ферментов.

Йод (I): необходим для синтеза гормонов щитовидной железы (тироксина и трийодтиронина), которые регулируют скорость обмена веществ, рост и развитие организма.

Ответ: Биологическое значение элементов-неметаллов заключается в том, что они являются фундаментальными строительными блоками живой материи. Углерод, водород, кислород и азот (органогены) формируют скелет и функциональные группы всех основных классов органических молекул: белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Другие неметаллы, такие как фосфор, сера, хлор и йод, выполняют важнейшие функции в энергетическом обмене (АТФ), хранении наследственной информации (ДНК), поддержании структуры белков, регуляции обмена веществ (гормоны) и поддержании гомеостаза (водно-солевой баланс). Их способность образовывать стабильные ковалентные связи обеспечивает структурное разнообразие и функциональную сложность, необходимые для существования жизни.

1. Сформулируйте тезисы, отражающие ваше мнение о том, почему инертные газы называют также благородными. Справедливо ли эти элементы выделять в отдельный класс элементов и простых веществ?

Решение:

Инертные газы называют также благородными по нескольким причинам, которые отражают их уникальные химические свойства. Во-первых, это название возникло по аналогии с «благородными металлами» (например, золото, платина), которые известны своей высокой химической стойкостью и нежеланием вступать в реакции с большинством других веществ. Благородные газы, подобно этим металлам, демонстрируют крайне низкую реакционную способность. Во-вторых, этот термин более точно отражает реальность, чем первоначальное название «инертные газы». Изначально считалось, что эти элементы абсолютно неспособны к образованию соединений. Однако, начиная с 1962 года, были синтезированы соединения ксенона, криптона и радона, что доказало их способность к химическим взаимодействиям в определенных, достаточно жестких, условиях. Таким образом, «благородные» (т.е. обладающие высокой, но не абсолютной, химической стойкостью) является более корректным определением.

В основе «благородства» этих газов лежит их электронное строение. Атомы благородных газов имеют полностью завершенную внешнюю электронную оболочку: у гелия это дублет ($1s^2$), у остальных — устойчивый октет ($ns^2np^6$). Такая электронная конфигурация является энергетически очень стабильной, поэтому атомы не имеют тенденции ни отдавать, ни принимать, ни обобществлять электроны для образования химических связей.

Выделение этих элементов в отдельный класс как элементов, так и простых веществ, является полностью справедливым и научно обоснованным.

Как класс химических элементов, они образуют 18-ю группу Периодической системы Д.И. Менделеева. Все элементы этой группы объединены общим фундаментальным свойством — завершенной электронной оболочкой, что и определяет их схожие химические свойства и закономерное изменение физических свойств внутри группы (рост температур кипения, плотности и т.д. с увеличением атомного номера). Они логично завершают каждый период таблицы, являясь самыми неактивными элементами в нем.

Как класс простых веществ, благородные газы также уникальны. В нормальных условиях все они являются одноатомными газами. Их «молекулы» состоят из одного-единственного атома. Это кардинально отличает их от всех других простых веществ-неметаллов, которые либо образуют двухатомные ($O_2, N_2, F_2$) или многоатомные ($S_8, P_4$) молекулы, либо имеют немолекулярное строение (алмаз, графит). Причина их одноатомности — та же стабильность электронной оболочки, из-за которой атомы не образуют ковалентных связей даже друг с другом.

Ответ: Инертные газы называют благородными по аналогии с благородными металлами из-за их крайне низкой химической активности, которая обусловлена стабильностью их полностью заполненной внешней электронной оболочки. Выделение их в отдельный класс элементов (18-я группа Периодической системы) и простых веществ (одноатомные газы) абсолютно справедливо, так как они обладают уникальным набором общих химических и физических свойств, которые четко отличают их от всех других элементов.

2. На уроке вы познакомились со свойствами неметаллов. Предложите свой список из 4–5 наиболее важных, на ваш взгляд, неметаллов, которые играют основную роль в жизни человека. Подготовьте сообщение об одном из них, воспользовавшись подборкой статей по химической тематике из Большой советской энциклопедии.

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

1. Кислород (O) – ключевой элемент для дыхания подавляющего большинства живых организмов на Земле, включая человека. Он является окислителем в процессах клеточного дыхания, позволяя получать энергию из пищи. Также кислород входит в состав воды, важнейшего вещества для жизни.

2. Углерод (C) – основа всей органической химии и жизни. Атомы углерода способны образовывать длинные и сложные цепи, создавая «скелет» для молекул белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).

3. Водород (H) – самый распространенный элемент во Вселенной. Входит в состав воды ($H_2O$) и всех органических соединений. Играет важную роль в энергетическом обмене, например, в виде ионов $H^+$ в процессе клеточного дыхания.

4. Азот (N) – основной компонент земной атмосферы (около 78%). Является важнейшей составной частью аминокислот, из которых строятся белки, и нуклеиновых кислот, которые хранят и передают генетическую информацию.

5. Фосфор (P) – незаменимый элемент для энергетического обмена в клетках. Он входит в состав АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – универсального источника энергии для всех биохимических процессов. Также фосфор является компонентом костной ткани, клеточных мембран и нуклеиновых кислот.

Ответ: Наиболее важными неметаллами для жизни человека являются кислород, углерод, водород, азот и фосфор, так как они составляют основу всех жизненно важных органических молекул и участвуют в ключевых биохимических процессах, таких как дыхание и энергетический обмен.

Сообщение о кислороде

Кислород (лат. Oxygenium), химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации – главной подгруппы VI группы), 2-го периода периодической системы Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O. Как простое вещество при нормальных условиях кислород – это газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула $O_2$), в связи с чем его также называют дикислород.

Кислород – самый распространённый на Земле элемент, на его долю приходится около 47% массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода – 86-89% по массе. В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95% по объёму.

Основная биологическая роль кислорода заключается в его участии в процессе клеточного дыхания. Большинство живых существ (аэробы) используют кислород для окисления питательных веществ, таких как глюкоза, для получения энергии, необходимой для жизнедеятельности. Этот процесс можно упрощенно описать уравнением:
$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия (АТФ)}$
Без постоянного поступления кислорода в организм человек не может прожить и нескольких минут.

Кислород обладает высокой химической активностью, являясь сильным окислителем. Он реагирует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Помимо основной молекулярной формы $O_2$, существует и другая аллотропная модификация – озон ($O_3$). Озоновый слой в стратосфере защищает всё живое на Земле от губительного ультрафиолетового излучения Солнца.

Применение кислорода человеком чрезвычайно широко. В медицине его используют для дыхания при лечении различных заболеваний (оксигенотерапия). В металлургии кислородное дутьё применяется для производства стали. Жидкий кислород используется как окислитель в ракетных двигателях. Также кислород необходим для процессов горения, сварки и резки металлов.

Ответ: Кислород (O) – химический элемент-неметалл, являющийся самым распространенным элементом на Земле и играющий ключевую роль в процессах дыхания и получения энергии у большинства живых организмов. Он существует в виде простого вещества $O_2$ (основа дыхания) и $O_3$ (озон, защищающий от УФ-излучения), а также входит в состав воды и бесчисленного множества других соединений. Кислород широко применяется в медицине, металлургии и ракетной технике.

Сравните предложенный вами список неметаллов с тем, который отобрали для этого параграфа авторы учебника.

Поскольку у меня нет доступа к вашему списку и к конкретному параграфу учебника, я проведу сравнение на основе логичных предположений о содержании этих списков.

Вероятно, ваш первоначальный список неметаллов был более полным и формальным, включая все элементы, которые относятся к этой группе в периодической таблице. Например: Водород (H), Углерод (C), Азот (N), Кислород (O), Фосфор (P), Сера (S), Селен (Se), все галогены (F, Cl, Br, I, At, Ts) и все благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og).

Список, который отобрали авторы учебника для конкретного параграфа, скорее всего, является более узкой и целенаправленной выборкой. В него, вероятно, вошли только самые важные и типичные представители неметаллов, на примере которых удобно изучать их общие свойства. Таким списком может быть: Водород (H), Углерод (C), Азот (N), Кислород (O), Фосфор (P), Сера (S) и основные галогены (F, Cl, Br, I).

Сравнивая эти два гипотетических списка, можно выделить следующие сходства и различия:

Сходство: Список из учебника является подмножеством полного списка неметаллов. Все элементы, отобранные авторами, безусловно, относятся к неметаллам.

Различия:

1. В списке учебника, скорее всего, отсутствуют благородные газы. Несмотря на то, что они неметаллы, их химическая инертность настолько уникальна, что их свойства обычно рассматриваются в отдельной теме, а не вместе с химически активными неметаллами.

2. Учебный список, вероятно, не включает редкие, радиоактивные и искусственно синтезированные элементы (например, Астат, Теннессин, Оганесон). Эти элементы не изучаются в базовом курсе химии из-за их нестабильности и отсутствия практического значения для изучения общих закономерностей.

3. Список авторов сфокусирован на элементах, которые наилучшим образом иллюстрируют ключевые химические свойства неметаллов: способность образовывать кислотные оксиды, летучие водородные соединения, проявлять высокую электроотрицательность и т.д.

Таким образом, расхождение между списками объясняется их разным предназначением: ваш список мог быть нацелен на полноту классификации, а список из учебника — на достижение конкретных образовательных задач.

Ответ: Список неметаллов, предложенный авторами учебника, вероятно, является более коротким по сравнению с полным списком всех неметаллов. Отличие заключается в том, что авторы, скорее всего, отобрали только наиболее типичные и химически активные неметаллы (например, C, N, O, P, S, галогены), исключив при этом благородные газы (из-за их инертности), а также редкие и радиоактивные элементы, чтобы сфокусировать внимание учащихся на изучении основных свойств и закономерностей на самых показательных примерах.