Страница 91 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие аллотропные модификации фосфора вы знаете? Сравните их между собой и укажите области их применения.

Фосфор существует в виде нескольких аллотропных модификаций, которые кардинально различаются по строению, физическим и химическим свойствам. Наиболее известными являются белый, красный и черный фосфор.

Белый фосфор

Строение: Имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся тетраэдрические молекулы состава $P_4$. Атомы в молекуле связаны прочными ковалентными связями, а сами молекулы в кристалле — слабыми межмолекулярными силами.

Свойства: Это мягкое, похожее на воск вещество белого цвета (на свету желтеет, поэтому его также называют желтым фосфором). Обладает характерным чесночным запахом. Нерастворим в воде, но хорошо растворяется в органических растворителях, например, в сероуглероде ($CS_2$). Легкоплавкий (температура плавления $44.1^\circ C$). Крайне ядовит. На воздухе медленно окисляется, что сопровождается свечением в темноте (хемилюминесценция). Химически очень активен, самовоспламеняется на воздухе при температуре около $35^\circ C$, поэтому его хранят под водой.

Применение: Используется как исходное вещество для синтеза фосфорной кислоты и других соединений фосфора. Применяется в военных целях для изготовления зажигательных бомб и дымовых завес.

Красный фосфор

Строение: Является полимером со сложной, нерегулярной (аморфной) структурой. Его получают длительным нагреванием белого фосфора при температуре $250-300^\circ C$ в герметичной емкости без доступа воздуха.

Свойства: Это порошок красно-бурого цвета. В отличие от белого, он не имеет запаха, не ядовит, нерастворим в воде и сероуглероде, не светится в темноте. Химически гораздо менее активен: воспламеняется только при сильном нагревании (около $260^\circ C$) или при трении. При нагревании без доступа воздуха он сублимируется (переходит в газ, минуя жидкую фазу), а при конденсации его паров образуется наиболее активная модификация — белый фосфор.

Применение: Широко используется в производстве спичек. Смесь красного фосфора, толченого стекла и клея наносится на боковую поверхность спичечного коробка ("тёрка"). Также применяется в пиротехнике и как антипирен (добавка, снижающая горючесть) в полимерных материалах.

Черный фосфор

Строение: Самая термодинамически устойчивая и наименее активная модификация. Его получают из белого фосфора при очень высоком давлении (около $1.2 \text{ ГПа}$) и температуре около $200^\circ C$. Имеет слоистую кристаллическую структуру, напоминающую графит. Атомы фосфора в каждом слое образуют прочную гофрированную сетку, а слои связаны между собой слабыми силами.

Свойства: Внешне похож на графит — черное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. Является полупроводником. Нерастворим ни в каких растворителях, не ядовит. Химически малоактивен, для воспламенения на воздухе его нужно нагреть до температуры около $400^\circ C$.

Применение: Благодаря своим полупроводниковым свойствам представляет большой интерес для современной электроники. Исследуется как перспективный материал для создания транзисторов нового поколения, фотодетекторов и других электронных компонентов. Монослой черного фосфора известен как фосфорен.

Ответ:

Существуют три основные аллотропные модификации фосфора: белый, красный и черный. Они различаются строением, что определяет их свойства и области применения.

Сравнение:

• По строению: белый фосфор имеет молекулярную решетку ($P_4$), красный — аморфную полимерную, черный — слоистую кристаллическую (наиболее упорядоченную).

• По свойствам: химическая активность и токсичность убывают в ряду белый > красный > черный. Белый фосфор — мягкий, легкоплавкий, очень ядовитый и самовоспламеняющийся диэлектрик. Красный — неядовитый порошок, загорающийся при трении. Черный — неядовитый, химически инертный полупроводник с металлическим блеском.

• По областям применения: белый фосфор — производство фосфорной кислоты, военное дело; красный фосфор — производство спичек, пиротехника; черный фосфор — перспективный материал для электроники.

2. Для производства серной кислоты поступила сера, содержащая 5 % примесей. Сколько чистой серы содержится в 62 т этого сырья? Сколько тонн 98%-й серной кислоты можно получить из этой серы?

Дано:

$m(\text{сырья}) = 62$ т

$\omega(\text{примесей}) = 5\% = 0.05$

$\omega(H_2SO_4 \text{ в растворе}) = 98\% = 0.98$

$m(\text{сырья}) = 62 \text{ т} = 62000 \text{ кг}$

Найти:

$m(S_{\text{чистой}}) - ?$

$m(98\% \text{ р-ра } H_2SO_4) - ?$

Решение:

Сколько чистой серы содержится в 62 т этого сырья?

1. Найдем массовую долю чистой серы в предоставленном сырье. Если массовая доля примесей составляет 5%, то массовая доля чистой серы равна:

$\omega(S) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 5\% = 95\%$ или $0.95$

2. Теперь рассчитаем массу чистой серы, содержащейся в 62 тоннах сырья, умножив общую массу сырья на массовую долю чистой серы:

$m(S) = m(\text{сырья}) \cdot \omega(S) = 62 \text{ т} \cdot 0.95 = 58.9 \text{ т}$

Ответ: в 62 т этого сырья содержится 58.9 т чистой серы.

Сколько тонн 98%-й серной кислоты можно получить из этой серы?

1. Процесс получения серной кислоты из серы можно представить следующей технологической цепочкой:

$S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4$

Из данной схемы следует, что из 1 моль атомов серы (S) в конечном счете образуется 1 моль молекул серной кислоты ($H_2SO_4$). Таким образом, количество вещества серы равно количеству вещества серной кислоты:

$\nu(S) = \nu(H_2SO_4)$

2. Рассчитаем молярные массы серы (S) и серной кислоты ($H_2SO_4$):

$M(S) \approx 32$ г/моль

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot M(H) + M(S) + 4 \cdot M(O) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98$ г/моль

3. Зная, что $\nu = m/M$, мы можем составить пропорцию для нахождения массы чистой (100%-й) серной кислоты, которую можно получить из 58.9 т чистой серы:

$\frac{m(S)}{M(S)} = \frac{m(H_2SO_4)_{\text{чистой}}}{M(H_2SO_4)}$

Выразим массу чистой серной кислоты:

$m(H_2SO_4)_{\text{чистой}} = \frac{m(S) \cdot M(H_2SO_4)}{M(S)} = \frac{58.9 \text{ т} \cdot 98 \text{ г/моль}}{32 \text{ г/моль}} = 180.38125 \text{ т}$

4. Полученное значение — это масса 100%-й серной кислоты. Нам необходимо найти массу 98%-го раствора. Для этого воспользуемся формулой массовой доли:

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)_{\text{чистой}}}{m(\text{раствора})}$

Отсюда масса раствора равна:

$m(\text{раствора}) = \frac{m(H_2SO_4)_{\text{чистой}}}{\omega(H_2SO_4)} = \frac{180.38125 \text{ т}}{0.98} \approx 184.06 \text{ т}$

Ответ: из этой серы можно получить примерно 184.06 т 98%-й серной кислоты.

3. Какой объём азота можно получить из $250 \text{ м}^3$ воздуха?

3. Дано:

Объём воздуха $V_{возд.} = 250$ м³

Объёмная доля азота в воздухе $\phi(N_2) \approx 78\%$

Найти:

Объём азота $V(N_2)$ — ?

Решение:

Воздух представляет собой газовую смесь, основным компонентом которой по объёму является азот ($N_2$). Его объёмная доля составляет примерно 78%.

Чтобы найти объём азота, который можно получить из данного объёма воздуха, необходимо умножить объём воздуха на объёмную долю азота в нём. Для расчёта необходимо перевести процентное содержание в доли единицы: $78\% = 0.78$.

Формула для расчёта объёма компонента газовой смеси:

$V(N_2) = V_{возд.} \times \phi(N_2)$

Подставим известные значения в формулу:

$V(N_2) = 250 \text{ м}^3 \times 0.78 = 195 \text{ м}^3$

Таким образом, из 250 м³ воздуха можно получить 195 м³ азота.

Ответ: 195 м³.

4. Что такое адсорбция; активированный уголь? Где используется активированный уголь?

Что такое адсорбция

Адсорбция — это процесс поглощения вещества из газообразной или жидкой среды поверхностным слоем другого вещества, называемого адсорбентом. В отличие от абсорбции, при которой вещество проникает во весь объем поглотителя, адсорбция является исключительно поверхностным явлением. Молекулы, атомы или ионы поглощаемого вещества (адсорбата) удерживаются на поверхности адсорбента за счет физических (силы Ван-дер-Ваальса) или химических (образование химических связей) сил. Эффективность адсорбции напрямую зависит от площади поверхности адсорбента: чем она больше, тем больше вещества он может поглотить.

Ответ: Адсорбция — это явление концентрирования вещества (газа или жидкости) на поверхности твердого тела (адсорбента).

Что такое активированный уголь

Активированный уголь (также известный как активный уголь) — это пористое вещество, получаемое из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения (например, древесного угля, скорлупы кокосовых орехов, торфа). Особенностью активированного угля является наличие огромного количества пор разного размера (микро-, мезо- и макропоры), что создает чрезвычайно большую удельную поверхность на единицу массы. Один грамм активированного угля может иметь площадь поверхности от 500 до 1500 м² и более. Такая развитая пористая структура делает его высокоэффективным адсорбентом, способным поглощать широкий спектр веществ.

Ответ: Активированный уголь — это форма углерода с высокоразвитой пористой структурой и очень большой удельной поверхностью, что делает его мощным адсорбентом.

Где используется активированный уголь

Благодаря своим уникальным адсорбционным свойствам активированный уголь находит широкое применение в различных сферах:

• Медицина: используется как энтеросорбент для выведения токсинов из организма при отравлениях, передозировках лекарств и кишечных инфекциях.
• Очистка воды: применяется в бытовых и промышленных фильтрах для очистки питьевой и сточной воды от хлора, органических соединений, пестицидов, а также для улучшения ее вкуса и запаха.
• Очистка воздуха и газов: используется в противогазах, системах вентиляции и кондиционирования, промышленных фильтрах и кухонных вытяжках для удаления вредных газов, паров и неприятных запахов.
• Пищевая промышленность: применяется для осветления и деколоризации (обесцвечивания) сахарных сиропов, масел, алкогольных напитков (например, водки).
• Химическая промышленность: используется в качестве носителя для катализаторов, для извлечения растворителей, а также для очистки различных химических продуктов.
• Горнодобывающая промышленность: применяется в процессе извлечения золота из руд (процесс «уголь в пульпе»).

Ответ: Активированный уголь используется в медицине (детоксикация), для очистки воды и воздуха, в пищевой (осветление продуктов) и химической промышленности (катализаторы, очистка), а также в золотодобыче.

1. Охарактеризуйте биологическую роль азота в жизни растений.

1. Охарактеризуйте биологическую роль азота в жизни растений.

Решение

Азот ($N$) — это один из важнейших химических элементов (макроэлемент) в жизни растений, который играет ключевую, незаменимую роль в их росте, развитии и метаболизме. Растения не могут усваивать атмосферный азот ($N_2$) напрямую и поглощают его из почвы в основном в форме нитрат-ионов ($NO_3^−$) и ионов аммония ($NH_4^+$). Биологическая роль азота обусловлена его вхождением в состав жизненно важных органических соединений.

Структурный компонент белков. Азот является обязательной составной частью всех аминокислот, которые, в свою очередь, являются мономерами (строительными блоками) для синтеза белков. Белки выполняют в растении множество функций:
- Ферментативная: белки-ферменты катализируют практически все биохимические реакции.
- Структурная: белки входят в состав клеточных мембран, стенок и других органелл.
- Транспортная и запасающая: обеспечивают перенос веществ и их хранение.
Таким образом, азот необходим для создания самой структуры растения и регуляции его жизнедеятельности.

Компонент нуклеиновых кислот. Азот входит в состав азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил), которые являются частью нуклеотидов — структурных единиц ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты). ДНК хранит и передает наследственную информацию, а РНК участвует в ее реализации через синтез белка. Следовательно, без азота невозможны деление клеток, рост и передача генетической информации.

Составная часть хлорофилла. Азот является центральным элементом в структуре порфиринового кольца молекулы хлорофилла — зеленого пигмента, отвечающего за фотосинтез. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света для синтеза органических веществ. При недостатке азота синтез хлорофилла нарушается, что приводит к пожелтению листьев (хлорозу) и резкому снижению интенсивности фотосинтеза.

Участие в энергетическом обмене. Азот входит в состав молекул АТФ (аденозинтрифосфата) — универсального источника энергии для всех клеточных процессов. Также он содержится в коферментах НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ, которые играют ключевую роль в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза.

Компонент регуляторов роста и вторичных метаболитов. Азот является частью многих других важных соединений, включая некоторые растительные гормоны (фитогормоны, например, ауксины и цитокинины), которые регулируют рост и развитие растения, а также алкалоидов и некоторых витаминов.

Таким образом, нормальное азотное питание — залог активного роста вегетативной массы (стеблей, листьев) и высокой продуктивности растений. Дефицит азота вызывает замедление роста и хлороз, а его избыток может привести к чрезмерному росту зеленой массы в ущерб цветению и плодоношению, а также к ослаблению растения.

Ответ:

Биологическая роль азота в жизни растений заключается в том, что он является незаменимым структурным компонентом важнейших органических молекул: белков (через аминокислоты), нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), хлорофилла, молекул-переносчиков энергии (АТФ, НАД, НАДФ), а также фитогормонов и витаминов. Азот определяет интенсивность роста растений, процессы фотосинтеза, обмена веществ и передачи наследственных признаков.

2. Назовите важнейшие месторождения каменного угля и алмазов в Российской Федерации.

Важнейшие месторождения каменного угля

Россия обладает огромными запасами каменного угля, которые сосредоточены в нескольких крупных угольных бассейнах. К важнейшим, обеспечивающим основной объем добычи, относятся:
1. Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс). Расположен на юге Западной Сибири, преимущественно в Кемеровской области. Это крупнейший в России и один из самых значительных в мире бассейнов по запасам и добыче высококачественного угля, включая ценные коксующиеся марки, необходимые для металлургии. На долю Кузбасса приходится более 50% всей добычи угля в стране.
2. Печорский угольный бассейн. Находится на северо-востоке европейской части России, на территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа. Бассейн известен своими запасами высококачественного коксующегося угля. Разработка ведется в сложных климатических условиях Крайнего Севера.
3. Южно-Якутский угольный бассейн. Расположен в Республике Саха (Якутия). Характеризуется крупными запасами коксующегося и энергетического угля. Особенностью является неглубокое залегание пластов, что позволяет вести добычу более дешевым открытым способом. Продукция бассейна в основном ориентирована на экспорт в страны Азиатско-Тихоокеанского региона.

Ответ: Важнейшими месторождениями каменного угля в России являются Кузнецкий, Печорский и Южно-Якутский угольные бассейны.

Важнейшие месторождения алмазов

Российская Федерация является мировым лидером по добыче природных алмазов. Основные месторождения сосредоточены в двух алмазоносных провинциях:
1. Якутская алмазоносная провинция. Расположена в Республике Саха (Якутия). Здесь сосредоточено около 90% всех российских запасов и ведется основной объем добычи. Алмазы добываются из коренных месторождений — кимберлитовых трубок. Крупнейшие и самые известные из них:
- Трубка «Мир»
- Трубка «Удачная»
- Трубка «Юбилейная»
- Трубка «Интернациональная»
2. Архангельская алмазоносная провинция. Находится в Архангельской области и является второй по значимости в стране. Главные промышленные месторождения здесь:
- Месторождение имени М.В. Ломоносова
- Месторождение имени В.П. Гриба

Ответ: Важнейшие месторождения алмазов в России находятся в Якутской алмазоносной провинции (кимберлитовые трубки «Мир», «Удачная», «Юбилейная») и Архангельской алмазоносной провинции (месторождения имени Ломоносова и Гриба).

Назовите известные вам литературные произведения, в которых описываются свойства и применение простых веществ-неметаллов. Обоснуйте свою точку зрения, насколько целесообразно авторы этих произведений использовали химические факты.

В литературе можно найти немало примеров, где свойства и применение простых веществ-неметаллов играют важную роль в сюжете. Рассмотрим несколько наиболее известных произведений.

В этом произведении описывается использование простого вещества-неметалла — фосфора ($P$). Для создания образа мистического чудовища антагонист романа обмазывал собаку составом, содержащим фосфор. Основное свойство, которое использовал автор, — это способность белого фосфора светиться в темноте (хемилюминесценция) из-за медленного окисления кислородом воздуха. Это создавало жуткий, неземной облик животного и поддерживало легенду о проклятии рода Баскервилей.

С точки зрения химии, использование этого факта целесообразно для сюжета, так как оно имеет научную основу и позволяет рационально объяснить «сверхъестественное» явление в финале. Однако практическая реализация такого замысла вызывает сомнения. Белый фосфор является чрезвычайно ядовитым веществом, а при контакте с кожей вызывает тяжелейшие химические ожоги. Нанесение такого вещества на живое существо, вероятнее всего, привело бы к его быстрой и мучительной смерти. Таким образом, Конан Дойл грамотно использовал яркое химическое свойство для создания интриги, но сознательно проигнорировал сопутствующие опасные факторы ради художественного эффекта.

Ответ: В романе «Собака Баскервилей» описано свойство фосфора светиться в темноте. Автор использовал этот химический факт для создания мистической атмосферы, пожертвовав научной точностью в деталях, касающихся безопасности и практической применимости метода.

Этот роман является настоящей энциклопедией по практическому применению научных знаний, в том числе химии. Герои произведения используют различные простые вещества-неметаллы:

• Углерод ($C$): В виде каменного угля он служит топливом. Также из него получают кокс, который используется для выплавки железа из руды (углерод выступает в качестве восстановителя).
• Водород ($H_2$) и кислород ($O_2$): Инженер Сайрес Смит конструирует установку для электролиза воды, получая водород и кислород. Эти газы используются для создания высокотемпературного пламени и для освещения.
• Сера ($S$): Найдя природные залежи серы, колонисты изготавливают из нее серную кислоту, а затем — порох и спички.

Жюль Верн стремился к максимальной научной достоверности. Все описанные им химические процессы и технологии (металлургия, электролиз, производство серной кислоты) соответствуют научным данным того времени. Автор использовал химические факты не просто как элемент сюжета, а как его движущую силу, демонстрируя торжество человеческого разума и науки над дикой природой. Целесообразность использования научных данных в этом романе максимальна, так как они служат не только развитию сюжета, но и выполняют просветительскую функцию.

Ответ: В романе «Таинственный остров» описаны свойства и применение углерода, водорода, кислорода и серы. Автор использовал химические факты с высокой степенью научной достоверности для своего времени, что является ключевой особенностью произведения и служит образовательным целям.

В этом антивоенном романе описывается применение одного из самых страшных химических изобретений — отравляющих газов. В частности, речь идет о хлоре ($Cl_2$), который массово применялся в годы Первой мировой войны.

Ремарк с документальной точностью описывает свойства хлора: это тяжелый газ желтовато-зеленого цвета, который стелется по земле и заполняет окопы. Автор подробно передает его удушающее действие на организм человека — ожог слизистых оболочек, отек легких и мучительная смерть. Применение этого химического факта в романе абсолютно целесообразно. Ремарк, как участник войны, ставил перед собой цель показать ее истинное, бесчеловечное лицо. Описание газовых атак и их последствий — один из самых сильных инструментов для достижения этой цели. Здесь нет места художественному вымыслу; химические факты используются для создания предельно реалистичной и шокирующей картины войны.

Ответ: В романе «На западном фронте без перемен» описаны свойства и поражающее действие хлора как химического оружия. Автор использовал эти факты с максимальной исторической и научной точностью для достижения антивоенного эффекта и реалистичного изображения ужасов войны.