Страница 7 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

1-11. Какие из перечисленных явлений относят к физическим, а какие — к химическим:

а) спекание кирпича из глины,

б) перегонка воды,

в) получение кислорода из воздуха,

г) образование инея,

д) процесс фотосинтеза?

Физические явления — это процессы, в результате которых изменяется форма или агрегатное состояние веществ, но не их состав. Химические явления (реакции) — это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие, новые вещества с новыми свойствами.

а) спекание кирпича из глины

При обжиге глины происходят сложные химические превращения: удаляется химически связанная вода, разлагаются минералы, образуются новые силикатные соединения, которые придают кирпичу прочность. Поскольку состав вещества меняется, это химическое явление.

Ответ: химическое явление.

б) перегонка воды

Перегонка (дистилляция) — это процесс испарения жидкости с последующей конденсацией пара. При перегонке воды меняется только ее агрегатное состояние (жидкость → газ → жидкость), а химический состав ($H_2O$) остается неизменным. Это метод физического разделения и очистки.

Ответ: физическое явление.

в) получение кислорода из воздуха

Воздух — это смесь газов. Кислород из него получают физическим методом — фракционной перегонкой сжиженного воздуха. Метод основан на разнице температур кипения компонентов воздуха (кислорода $O_2$ и азота $N_2$). Происходит разделение смеси, а не образование новых веществ.

Ответ: физическое явление.

г) образование инея

Иней образуется при переходе водяного пара из газообразного состояния сразу в твердое (кристаллы льда), минуя жидкую фазу. Это изменение агрегатного состояния вещества ($H_2O$), его химический состав при этом не меняется.

Ответ: физическое явление.

д) процесс фотосинтеза

Фотосинтез — это сложный биохимический процесс, в ходе которого из углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$) под действием света образуются органические вещества (глюкоза $C_6H_{12}O_6$) и кислород ($O_2$). Происходит превращение одних веществ в другие, что является ключевым признаком химического явления.

Ответ: химическое явление.

1-12. Докажите, что работа автомобильного двигателя связана с химическими процессами.

1-12.

Работа автомобильного двигателя, а именно двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который является наиболее распространенным типом, основана на преобразовании химической энергии топлива в механическую работу, приводящую автомобиль в движение. Этот процесс неразрывно связан с химическими реакциями.

1. Топливо как источник химической энергии. Автомобильное топливо, такое как бензин или дизельное топливо, является сложной смесью органических веществ, в основном углеводородов. В химических связях молекул этих веществ запасена значительная энергия.

2. Процесс горения – ключевая химическая реакция. Внутри цилиндров двигателя происходит управляемый процесс сгорания топливовоздушной смеси. Топливо, смешанное с воздухом (источником кислорода), поджигается искрой (в бензиновых двигателях) или воспламеняется от сжатия (в дизельных двигателях). Это экзотермическая химическая реакция, то есть реакция, идущая с выделением большого количества тепла и света. В результате этой реакции исходные вещества (углеводороды и кислород) превращаются в новые вещества – продукты сгорания (углекислый газ, вода и др.).

Упрощенное уравнение реакции горения одного из основных компонентов бензина, октана ($C_8H_{18}$), выглядит следующим образом:

$2C_8H_{18} (ж) + 25O_2 (г) \rightarrow 16CO_2 (г) + 18H_2O (г) + \text{Энергия (тепло)}$

3. Преобразование энергии. Высвобожденная в ходе химической реакции тепловая энергия вызывает резкое повышение температуры и давления газов в замкнутом объеме цилиндра. Эти раскаленные газы, расширяясь, с силой толкают поршень. Поступательное движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Эта механическая работа и приводит в движение автомобиль.

Таким образом, вся цепь преобразований энергии в двигателе начинается именно с химического процесса: Химическая энергия (топлива) → Тепловая энергия (горящих газов) → Механическая энергия (движения поршня и вращения вала). Без химической реакции горения высвобождение энергии было бы невозможно.

Ответ: Работа автомобильного двигателя напрямую связана с химическими процессами, так как в его основе лежит химическая реакция горения топлива. В ходе этой экзотермической реакции химическая энергия, хранящаяся в молекулах топлива, высвобождается в виде тепла. Тепловая энергия, в свою очередь, заставляет газы в цилиндрах расширяться, совершая механическую работу, которая и приводит автомобиль в движение.

1-13. Какие признаки химических явлений можно наблюдать а) при горении бенгальских огней, б) при взрыве петарды?

Химические явления, или химические реакции, — это процессы, в результате которых одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных по составу и свойствам. Основными признаками, по которым можно судить о протекании химической реакции, являются: выделение или поглощение теплоты, появление света, изменение цвета, выделение газа, образование или исчезновение осадка, появление запаха.

а) при горении бенгальских огней

Горение бенгальского огня — это экзотермическая химическая реакция, то есть реакция, идущая с выделением тепла. При этом можно наблюдать следующие признаки химического явления:

1. Выделение тепла и света. Горение сопровождается яркими искрами и ощутимым теплом. Это свидетельствует о выделении энергии в ходе реакции. Искры — это раскаленные частицы горящего металла (например, железа, магния), входящего в состав смеси.

2. Изменение цвета и состава вещества. Исходная серая или черная смесь на стержне после сгорания превращается в хрупкий остаток (золу, шлак) другого вида и цвета. Это означает, что образовались новые химические вещества, например, оксиды металлов.

3. Образование дыма и выделение газа. В процессе горения виден дым — взвесь мелких твердых частиц продуктов реакции в газообразных продуктах, таких как диоксид углерода ($CO_2$). Выделение газа является одним из классических признаков химического процесса.

Ответ: при горении бенгальских огней наблюдаются следующие признаки химических явлений: выделение тепла и света, изменение цвета вещества, образование дыма и выделение газа.

б) при взрыве петарды

Взрыв петарды представляет собой очень быструю химическую реакцию горения (дефлаграцию). Наблюдаемые признаки:

1. Яркая вспышка света и выделение тепла. Взрыв сопровождается мгновенной и яркой вспышкой, что говорит о выделении огромного количества энергии за короткий промежуток времени.

2. Громкий звук. В результате реакции твердое взрывчатое вещество мгновенно превращается в большой объем горячих газов. Их резкое расширение создает ударную волну в воздухе, которую мы слышим как громкий хлопок.

3. Образование газа и дыма. Основной эффект взрыва — это образование большого объема газов. Также после взрыва остается облачко дыма, состоящее из несгоревших частиц и твердых продуктов реакции.

4. Изменение вещества. Исходный порошок внутри петарды полностью превращается в другие вещества — в основном газообразные, что и является сутью химического превращения.

Ответ: при взрыве петарды наблюдаются следующие признаки химических явлений: яркая вспышка света, выделение тепла, громкий звук, а также быстрое образование большого объема газов и дыма.

1-14. Приведите примеры химических явлений, используемых в домашних условиях.

Химические явления — это процессы, в результате которых одни вещества превращаются в другие, обладающие новыми свойствами. Мы постоянно сталкиваемся с такими явлениями в быту, часто даже не задумываясь об их химической природе. Ниже приведены развернутые примеры.

Приготовление пищи

Процесс приготовления пищи изобилует химическими реакциями. Например, при выпечке для придания тесту пышности используется реакция гашения соды уксусом. Пищевая сода (гидрокарбонат натрия, $NaHCO_3$) вступает в реакцию с уксусной кислотой ($CH_3COOH$), в результате чего выделяется углекислый газ ($CO_2$). Пузырьки этого газа разрыхляют тесто, делая выпечку воздушной.
Уравнение реакции: $NaHCO_3 + CH_3COOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Другой пример — реакция Майяра. Это сложный химический процесс между аминокислотами и сахарами, происходящий при нагревании. Именно благодаря этой реакции при жарке мяса или выпечке хлеба образуется аппетитная румяная корочка и появляется характерный богатый аромат. Карамелизация сахара, происходящая при его нагревании, также является химическим процессом распада сахарозы и образования новых соединений, придающих продукту коричневый цвет и особый вкус.

Уборка и чистка

В процессе уборки мы также активно используем химию. Для удаления накипи в чайнике или на кранах, состоящей из нерастворимых карбонатов кальция ($CaCO_3$) и магния, применяют растворы кислот (уксусной или лимонной). Кислота реагирует с карбонатами, превращая их в растворимые в воде соли.
Уравнение реакции: $CaCO_3(тв) + 2CH_3COOH(р-р) \rightarrow Ca(CH_3COO)_2(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Отбеливание тканей — это процесс окисления. Отбеливатели на основе хлора (гипохлорит натрия $NaOCl$) или кислорода (пероксид водорода $H_2O_2$) разрушают химическую структуру молекул-красителей, в результате чего пятна обесцвечиваются.

Горение

Горение природного газа в кухонной плите — это экзотермическая реакция (с выделением тепла) между метаном ($CH_4$) и кислородом ($O_2$) из воздуха. Эта реакция позволяет нам готовить пищу.
Уравнение реакции: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + \text{тепло}$
Аналогично, горение воска в свече или древесины в камине также является примером химического явления горения.

Коррозия металлов

Ржавление — это процесс окисления железа ($Fe$) кислородом в присутствии воды, в результате которого образуется гидратированный оксид железа(III) ($Fe_2O_3 \cdot nH_2O$), то есть ржавчина. Потемнение серебряных изделий — также химический процесс. Серебро ($Ag$) реагирует с серосодержащими соединениями из воздуха (например, сероводородом $H_2S$) с образованием тёмного налёта сульфида серебра ($Ag_2S$).

Брожение

Многие продукты питания получают с помощью процессов брожения. Квашение капусты или приготовление йогурта и кефира основаны на молочнокислом брожении, при котором бактерии превращают сахара в молочную кислоту. Молочная кислота действует как консервант и придает продуктам характерный вкус. Приготовление кваса или домашнего вина основано на спиртовом брожении, где дрожжи превращают сахар в этиловый спирт ($C_2H_5OH$) и углекислый газ ($CO_2$).

Ответ:

• Приготовление пищи: гашение соды уксусом для разрыхления теста, реакция Майяра при жарке мяса, карамелизация сахара.
• Уборка: удаление накипи с помощью уксусной или лимонной кислоты, отбеливание белья.
• Горение: сжигание природного газа в плите, горение свечи.
• Коррозия: ржавление железных гвоздей, потемнение серебряных ложек.
• Брожение: квашение капусты, скисание молока (приготовление простокваши), приготовление кваса.

1-15. Приведите примеры веществ, состоящих из молекул, и веществ, которые не состоят из молекул.

Вещества, состоящие из молекул

Такие вещества состоят из отдельных, обособленных частиц — молекул. Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Внутри молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, а сами молекулы в твердом или жидком состоянии удерживаются вместе значительно более слабыми межмолекулярными силами (например, силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями). Из-за слабости межмолекулярных связей вещества молекулярного строения обычно имеют низкие температуры плавления и кипения. При обычных условиях они могут быть газами, жидкостями или легкоплавкими твердыми веществами.

Примеры веществ молекулярного строения:

• Вода ($H_2O$)
• Углекислый газ ($CO_2$)
• Кислород ($O_2$)
• Сахар (сахароза, $C_{12}H_{22}O_{11}$)
• Йод ($I_2$)
• Аммиак ($NH_3$)
• Этанол (этиловый спирт, $C_2H_5OH$)

Ответ: Примерами веществ, состоящих из молекул, являются вода, углекислый газ, кислород, сахар, спирт.

Вещества, которые не состоят из молекул

В этих веществах отсутствуют отдельные молекулы. Вместо этого они представляют собой гигантские структуры, в которых все атомы или ионы связаны друг с другом прочными химическими связями (ковалентными, ионными или металлическими), образуя единую кристаллическую решетку. Весь кристалл такого вещества можно рассматривать как одну огромную макромолекулу. Такие вещества, как правило, твердые, тугоплавкие и нелетучие.

В зависимости от типа химической связи и строения, выделяют несколько типов немолекулярных веществ:

1. Вещества с атомной кристаллической решеткой. В узлах решетки находятся атомы, связанные между собой прочными ковалентными связями. Это приводит к очень высокой твердости и тугоплавкости. Примеры: алмаз и графит (аллотропные модификации углерода, C), кварц (диоксид кремния, $SiO_2$), кремний (Si), бор (B).

2. Вещества с ионной кристаллической решеткой. В узлах решетки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, связанные силами электростатического притяжения. Такие вещества (соли, оксиды и гидроксиды активных металлов) твердые, но хрупкие, имеют высокие температуры плавления. Примеры: хлорид натрия (поваренная соль, $NaCl$), карбонат кальция (мел, мрамор, $CaCO_3$), оксид магния ($MgO$).

3. Вещества с металлической кристаллической решеткой. В узлах решетки находятся атомы и катионы металла, а между ними свободно перемещаются обобществленные электроны («электронный газ»). Это определяет характерные свойства металлов: электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск. Примеры: железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al) и все остальные металлы и их сплавы.

Ответ: Примерами веществ, не состоящих из молекул, являются алмаз (атомная решетка), поваренная соль (ионная решетка) и железо (металлическая решетка).

1-16. Из данного перечня выберите вещества молекулярного строения и вещества немолекулярного строения: вода, углекислый газ, кислород, медь, поваренная соль, водород, кварц.

Вещества молекулярного строения

Это вещества, которые состоят из отдельных молекул. В узлах их кристаллических решеток (в твердом состоянии) находятся молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами. Такие вещества, как правило, являются газами, жидкостями или легкоплавкими твердыми веществами при обычных условиях, они летучи и часто имеют запах.

Из данного перечня к веществам молекулярного строения относятся:

Вода ($H_2O$): состоит из полярных молекул воды, связанных водородными связями. При стандартных условиях — жидкость.

Углекислый газ ($CO_2$): состоит из неполярных молекул углекислого газа. При стандартных условиях — газ.

Кислород ($O_2$): состоит из двухатомных неполярных молекул кислорода. При стандартных условиях — газ.

Водород ($H_2$): состоит из двухатомных неполярных молекул водорода. При стандартных условиях — газ.

Ответ: вода, углекислый газ, кислород, водород.

Вещества немолекулярного строения

Это вещества, в которых атомы или ионы связаны прочными химическими связями (ионными, ковалентными или металлическими) в единую гигантскую структуру. Они образуют атомные, ионные или металлические кристаллические решетки. Такие вещества обычно твердые, тугоплавкие, нелетучие и не имеют запаха.

Из данного перечня к веществам немолекулярного строения относятся:

Медь ($Cu$): простое вещество, металл. Имеет металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы-ионы меди, связанные «электронным газом».

Поваренная соль (хлорид натрия, $NaCl$): ионное соединение. Имеет ионную кристаллическую решетку, состоящую из чередующихся положительно заряженных ионов натрия ($Na^+$) и отрицательно заряженных ионов хлора ($Cl^-$).

Кварц (диоксид кремния, $SiO_2$): имеет атомную кристаллическую решетку. В ней каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода — с двумя атомами кремния, образуя очень прочную трехмерную сетку.

Ответ: медь, поваренная соль, кварц.

1-17. Из данного перечня выберите свойства, присущие отдельным атомам и молекулам, и свойства, присущие веществу: размер, заряд, агрегатное состояние, цвет, запах, вкус, плотность, масса, температура плавления, твердость. Ответ обоснуйте.

Свойства, присущие отдельным атомам и молекулам

Размер: Каждая отдельная частица, будь то атом или молекула, имеет определенные геометрические характеристики, такие как атомный радиус или длина химических связей. Это характеристика индивидуальной частицы.

Заряд: Атомы и молекулы могут иметь электрический заряд. Например, ион — это атом или молекула, имеющая ненулевой заряд (например, ион натрия $Na^+$ или сульфат-ион $SO_4^{2-}$). Таким образом, заряд является свойством отдельной частицы.

Масса: Каждый атом и каждая молекула обладают определенной, постоянной массой (атомной или молекулярной массой). Это одна из фундаментальных характеристик частицы.

Ответ: размер, заряд, масса.

Свойства, присущие веществу

Агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное): Это свойство является коллективным и описывает структуру и характер движения огромного числа частиц. Отдельная молекула не может быть ни твердой, ни жидкой, ни газообразной.

Цвет: Цвет вещества обусловлен его способностью поглощать, отражать или испускать свет в видимой части спектра. Это макроскопическое свойство, которое возникает в результате взаимодействия света с большим ансамблем частиц.

Запах и вкус: Эти свойства являются результатом воздействия совокупности молекул вещества на рецепторы органов чувств. Для их проявления необходимо определенное, достаточно большое количество молекул.

Плотность: Плотность — это отношение массы вещества к занимаемому им объему ($ \rho = m/V $). Это усредненная макроскопическая характеристика, описывающая, насколько плотно "упакованы" частицы в веществе.

Температура плавления: Плавление — это процесс фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое, который происходит при определенной температуре. Этот процесс заключается в разрушении упорядоченной структуры (например, кристаллической решетки) и является свойством ансамбля частиц, а не одной частицы.

Твердость: Это механическое свойство, характеризующее способность твердого тела сопротивляться деформации. Твердость определяется прочностью связей между частицами в структуре вещества и является макроскопической характеристикой.

Ответ: агрегатное состояние, цвет, запах, вкус, плотность, температура плавления, твердость.

1-18. Сейчас известно приблизительно 110 различных химических элементов, тогда как простых веществ — более 400. Почему простых веществ больше, чем элементов?

1-18. Различие в количестве химических элементов и простых веществ объясняется явлением, которое называется аллотропия.

Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым количеством протонов). Это, по сути, абстрактное понятие, определенный вид атомов. Например, все атомы, у которых в ядре 6 протонов, относятся к химическому элементу углероду (C).

Простое вещество — это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Это конкретное вещество, состоящее из атомов только одного элемента, которое обладает определенными физическими и химическими свойствами. Например, алмаз и графит — это два разных простых вещества.

Причина, по которой простых веществ больше, чем элементов, заключается в том, что один и тот же химический элемент может образовывать несколько различных простых веществ. Эти вещества, называемые аллотропными модификациями (или аллотропами), отличаются друг от друга строением и, как следствие, свойствами. Различия могут быть в:

• количестве атомов в молекуле (например, кислород $O_2$ и озон $O_3$);
• строении кристаллической решетки (например, алмаз и графит, образованные атомами углерода).

Приведем несколько примеров:

1. Химический элемент углерод (C) образует множество аллотропных модификаций: алмаз (атомы образуют прочную тетраэдрическую кристаллическую решетку, вещество очень твердое), графит (атомы расположены слоями, вещество мягкое, проводит ток), фуллерены (например, молекула $C_{60}$, имеющая форму футбольного мяча), графен (один слой атомов углерода), карбин и другие.
2. Химический элемент кислород (O) существует в виде двух основных простых веществ: кислород (двухатомные молекулы $O_2$) и озон (трехатомные молекулы $O_3$). Они сильно различаются по свойствам: кислород не имеет запаха и поддерживает жизнь, а озон имеет резкий запах и ядовит.
3. Химический элемент фосфор (P) образует несколько модификаций, самые известные из которых — белый фосфор (молекулы $P_4$, ядовит, химически активен), красный фосфор (полимерное строение, менее активен) и черный фосфор (наиболее стабильная модификация со слоистой структурой).

Таким образом, явление аллотропии позволяет одному химическому элементу давать начало нескольким, а иногда и множеству, разных по строению и свойствам простых веществ. Именно поэтому общее число известных простых веществ значительно превышает число химических элементов.

Ответ: Простых веществ больше, чем химических элементов, из-за явления аллотропии — способности атомов одного химического элемента образовывать несколько различных по строению и свойствам простых веществ (аллотропных модификаций). Например, элемент углерод существует в виде алмаза, графита, фуллеренов и др., а элемент кислород — в виде кислорода ($O_2$) и озона ($O_3$).

1-19. Перечислите семь простых веществ, молекулы которых состоят из двух атомов.

Простые вещества — это вещества, которые состоят из атомов только одного химического элемента. Молекулы, состоящие из двух атомов, называются двухатомными. В природе существует семь простых веществ, которые в стандартных условиях образованы двухатомными молекулами.

К этим веществам относятся:

1. Водород ($H_2$). При нормальных условиях это бесцветный газ без запаха.
2. Азот ($N_2$). Бесцветный газ, основной компонент воздуха.
3. Кислород ($O_2$). Бесцветный газ, необходимый для дыхания.
4. Фтор ($F_2$). Бледно-жёлтый, чрезвычайно реакционноспособный газ. Является галогеном.
5. Хлор ($Cl_2$). Желто-зеленый ядовитый газ с резким запахом. Является галогеном.
6. Бром ($Br_2$). Красно-бурая летучая жидкость с сильным неприятным запахом. Является галогеном.
7. Иод ($I_2$). Темно-серые кристаллы с металлическим блеском, легко образующие фиолетовые пары. Является галогеном.

Ответ: Семь простых веществ, молекулы которых состоят из двух атомов: водород ($H_2$), азот ($N_2$), кислород ($O_2$), фтор ($F_2$), хлор ($Cl_2$), бром ($Br_2$) и иод ($I_2$).