Номер 5, страница 106 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

5. Используя дополнительные источники информации, подготовьте инфографику «Роль водорода в живых системах и технике».

Роль водорода в живых системах

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной и ключевой компонент всех живых организмов. Хотя его массовая доля в организме человека составляет около 10%, по количеству атомов он занимает первое место (более 60%). Его роль многогранна и фундаментальна.

• Составная часть воды: Жизнь на Земле невозможна без воды ($H_2O$), которая составляет 70–80% массы клетки. Водород, входя в состав молекулы воды, обеспечивает ее уникальные свойства: полярность, способность быть универсальным растворителем для биохимических реакций, участие в терморегуляции.
• Структурный элемент органических молекул: Водород является неотъемлемой частью всех классов органических соединений, лежащих в основе жизни:
  • Белки (состоят из аминокислот);
  • Жиры (липиды);
  • Углеводы (например, глюкоза $C_6H_{12}O_6$);
  • Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
  В этих молекулах атомы водорода образуют ковалентные связи с атомами углерода, кислорода, азота, формируя "скелет" и функциональные группы.
• Образование водородных связей: Это слабые связи, возникающие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (O, N) другой. Несмотря на свою слабость, они играют критическую роль:
  • Поддержание вторичной и третичной структуры белков, что определяет их ферментативную и структурную функции.
  • Соединение двух цепей ДНК в двойную спираль, обеспечивая стабильность хранения генетической информации.
  • Определение физических свойств воды (высокая температура кипения, теплоемкость).
• Участие в энергетическом обмене: Водород в форме протонов ($H^+$) и электронов ($e^-$) является центральным звеном клеточного дыхания. В митохондриях перенос электронов и протонов водорода по дыхательной цепи приводит к созданию протонного градиента, энергия которого используется для синтеза АТФ — универсальной энергетической "валюты" клетки.
• Регуляция кислотно-щелочного баланса (pH): Концентрация ионов водорода ($H^+$) определяет pH биологических жидкостей. Поддержание строго определенного уровня pH является жизненно важным условием для нормальной работы ферментов и протекания биохимических процессов.

Ответ: В живых системах водород является основополагающим элементом: он входит в состав воды и всех органических молекул, с помощью водородных связей стабилизирует структуру ДНК и белков, участвует в производстве клеточной энергии (АТФ) и в поддержании кислотно-щелочного равновесия.

Роль водорода в технике

Водород — это универсальный и перспективный элемент для промышленности и технологий, от химического синтеза до энергетики будущего.

• Химическая промышленность: Водород является важнейшим сырьем для производства:
  • Аммиака ($NH_3$): В процессе Габера-Боша ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$) из водорода и азота получают аммиак, который служит основой для производства азотных удобрений, необходимых для обеспечения продовольственной безопасности в мире.
  • Метанола ($CH_3OH$): Синтез метанола из оксида углерода и водорода ($CO + 2H_2 \to CH_3OH$). Метанол используется как растворитель и сырье для получения других органических веществ.
  • Гидрогенизация: Процесс присоединения водорода используется в нефтепереработке (гидрокрекинг, гидроочистка для удаления серы из топлива) и в пищевой промышленности (превращение жидких растительных масел в твердые жиры, например, маргарин).
• Энергетика: Водород рассматривается как один из самых чистых и эффективных энергоносителей.
  • Ракетное топливо: Жидкий водород в паре с жидким кислородом — одно из самых эффективных ракетных топлив, обеспечивающее высокую удельную тягу.
  • Топливные элементы: Устройства, которые преобразуют химическую энергию водорода и кислорода непосредственно в электричество с выделением только воды ($2H_2 + O_2 \to 2H_2O + \text{энергия}$). Они применяются в автомобилях, автобусах и стационарных электростанциях.
  • Экологически чистое топливо: Водород может сжигаться в двигателях внутреннего сгорания, при этом продуктом сгорания является в основном водяной пар.
• Металлургия и обработка материалов:
  • Восстановитель: Водород используется для восстановления оксидов металлов до чистых металлов (например, при производстве вольфрама и молибдена).
  • Сварка: В кислородно-водородных горелках достигается температура до 2800 °C, что позволяет резать и сваривать тугоплавкие металлы.
  • Защитная среда: При термообработке металлов используется для предотвращения окисления.
• Другие применения:
  • Охладитель: Благодаря высокой теплопроводности газообразный водород применяется для охлаждения мощных турбогенераторов на электростанциях.
  • Электроника: Используется в процессах производства полупроводников и микросхем.

Ответ: В технике водород играет роль важнейшего химического сырья (производство аммиака, метанола, гидрогенизация), перспективного экологически чистого энергоносителя (топливные элементы, ракетное топливо), а также применяется в металлургии в качестве восстановителя и в других высокотехнологичных отраслях.