Страница 116 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Поясните, как при помощи анализа и синтеза можно установить качественный и количественный состав воды и вывести её химическую формулу.

Для установления качественного и количественного состава воды и вывода её химической формулы используют два противоположных, но взаимодополняющих метода: анализ и синтез.

Анализ воды (разложение)

Анализ — это метод, при котором сложное вещество разлагается на более простые компоненты. Для воды применяют электролиз — разложение под действием электрического тока.

Установление качественного состава: Через воду, в которую для электропроводности добавлена небольшая порция кислоты или щелочи, пропускают постоянный электрический ток. На электродах начинают выделяться газы. Газ, собранный у катода (отрицательного электрода), идентифицируют как водород ($H_2$) по характерному хлопку при поднесении пламени. Газ, собранный у анода (положительного электрода), заставляет тлеющую лучинку ярко вспыхнуть, что доказывает, что это кислород ($O_2$). Таким образом, качественный анализ показывает, что вода состоит из элементов водорода и кислорода.

Установление количественного состава: В ходе электролиза в специальном приборе (вольтаметре Гофмана) измеряют объемы выделившихся газов. Экспериментально установлено, что объем водорода всегда в два раза больше объема кислорода: $V(H_2) : V(O_2) = 2 : 1$. Уравнение реакции разложения: $2H_2O \xrightarrow{электрический \ ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$.

Синтез воды (соединение)

Синтез — это метод получения сложного вещества из более простых. Состав воды можно подтвердить, синтезируя её из водорода и кислорода. Эксперимент по сжиганию водорода в кислороде (например, в эвдиометре) показывает, что для образования воды газы реагируют в строгом объемном соотношении: два объема водорода соединяются с одним объемом кислорода. Уравнение реакции синтеза: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Этот результат полностью подтверждает данные, полученные при анализе.

Вывод химической формулы

Результаты анализа и синтеза показывают, что водород и кислород участвуют в образовании воды в объемном соотношении $2:1$. Согласно закону Авогадро (при одинаковых условиях равные объемы различных газов содержат равное число молекул), это означает, что и количество молекул водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$) находится в соотношении $2:1$. Так как каждая молекула водорода содержит 2 атома H, а каждая молекула кислорода — 2 атома O, то соотношение атомов в образовавшейся воде будет: $(2 \text{ молекулы } H_2 \times 2 \text{ атома H}) : (1 \text{ молекула } O_2 \times 2 \text{ атома O}) = 4 \text{ атома H} : 2 \text{ атома O}$, что упрощается до соотношения $2:1$.

Таким образом, на каждый 1 атом кислорода в молекуле воды приходится 2 атома водорода. Это позволяет записать простейшую (эмпирическую) формулу воды как $H_2O$. Для подтверждения, что это и истинная (молекулярная) формула, сравнивают молярную массу, рассчитанную по формуле ($M_r(H_2O) = 2 \cdot A_r(H) + 1 \cdot A_r(O) \approx 2 \cdot 1 + 16 = 18$), с экспериментально найденной молярной массой воды (также около 18 г/моль). Совпадение масс подтверждает, что химическая формула воды — $H_2O$.

Ответ: Качественный состав воды (состоит из водорода и кислорода) устанавливают методом анализа (электролиз) и идентификации продуктов реакции (качественные реакции на $H_2$ и $O_2$). Количественный состав устанавливают как анализом, так и синтезом, измеряя объемы газов, которые участвуют в реакции. Оба метода показывают, что объемное соотношение водорода и кислорода равно $2:1$. На основе этого соотношения и закона Авогадро выводится, что на 2 атома водорода приходится 1 атом кислорода, что приводит к химической формуле $H_2O$.

2. В эвдиометре взорвали смесь, состоящую из 1 мл водорода и 6 мл кислорода. Какой газ и в каком количестве остался после взрыва?

Дано:

$V(H_2) = 1 \text{ мл}$
$V(O_2) = 6 \text{ мл}$

Перевод в СИ:
$V(H_2) = 1 \times 10^{-6} \text{ м}^3$
$V(O_2) = 6 \times 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти:

Какой газ и в каком количестве (объеме) остался после взрыва.

Решение:

Первым шагом запишем уравнение химической реакции горения водорода в кислороде. В результате этой реакции образуется вода.

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Согласно закону объемных отношений Гей-Люссака, при постоянных температуре и давлении объемы реагирующих газов и газообразных продуктов относятся друг к другу как простые целые числа, которые равны стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Из уравнения реакции видно, что 2 объема водорода ($H_2$) реагируют с 1 объемом кислорода ($O_2$). Следовательно, объемное соотношение реагентов составляет:

$\frac{V(H_2)}{V(O_2)} = \frac{2}{1}$

Теперь определим, какой из газов находится в недостатке (лимитирующий реагент), а какой — в избытке. Для этого рассчитаем, какой объем кислорода теоретически необходим для полного сгорания 1 мл водорода.

$V(O_2)_{\text{необх.}} = \frac{1}{2} \times V(H_2) = \frac{1}{2} \times 1 \text{ мл} = 0.5 \text{ мл}$

По условию задачи, в смеси содержится 6 мл кислорода. Поскольку имеющийся объем кислорода (6 мл) больше, чем теоретически необходимый для реакции (0.5 мл), кислород находится в избытке, а водород — в недостатке. Это означает, что весь водород прореагирует полностью.

Рассчитаем объем кислорода, который останется в эвдиометре после завершения реакции. Для этого вычтем из начального объема кислорода тот объем, который вступил в реакцию.

$V(O_2)_{\text{ост.}} = V(O_2)_{\text{исх.}} - V(O_2)_{\text{прореаг.}}$

$V(O_2)_{\text{ост.}} = 6 \text{ мл} - 0.5 \text{ мл} = 5.5 \text{ мл}$

Продукт реакции — вода ($H_2O$). Если после взрыва система охлаждается до комнатной температуры, вода сконденсируется в жидкость, объемом которой можно пренебречь по сравнению с объемом газов. Таким образом, в газовой фазе останется только избыточный кислород.

Ответ: после взрыва остался кислород ($O_2$) в количестве 5,5 мл.

3. В чём заключается очистка питьевой воды?

Очистка питьевой воды — это комплексный многоэтапный процесс, направленный на удаление из природных источников воды различных примесей, загрязнителей и микроорганизмов, чтобы сделать ее безопасной и пригодной для питья. Этот процесс обычно включает несколько основных стадий.

Механическая очистка

На этом первом этапе из воды удаляются крупные и взвешенные частицы. Он включает:

• Процеживание: Вода проходит через решетки для задержания крупного мусора (веток, листьев, бытовых отходов).

• Отстаивание (седиментация): В больших резервуарах (отстойниках) вода находится в состоянии покоя, что позволяет тяжелым частицам, таким как песок и ил, осесть на дно под действием гравитации.

• Коагуляция и флокуляция: Для ускорения осаждения очень мелких частиц, которые не тонут сами по себе, в воду добавляют коагулянты (например, соли алюминия или железа). Эти вещества заставляют частицы слипаться в более крупные и тяжелые хлопья (флокулы), которые быстро оседают.

Фильтрация

Осветленная после отстаивания вода пропускается через фильтры. Чаще всего используются песчаные фильтры, состоящие из слоев песка и гравия разной крупности. Фильтрация эффективно удаляет оставшиеся взвешенные вещества, а также значительную часть бактерий и простейших.

Обеззараживание (дезинфекция)

Это критически важный этап, целью которого является уничтожение или инактивация болезнетворных микроорганизмов (вирусов, бактерий, простейших), оставшихся в воде после предыдущих стадий. Применяются следующие методы:

• Хлорирование: Самый распространенный и надежный метод. В воду добавляют газообразный хлор или его соединения (гипохлориты). Хлор не только убивает микроорганизмы, но и сохраняется в воде в небольших концентрациях (остаточный хлор), предотвращая ее вторичное заражение в водопроводной сети.

• Озонирование: Обработка воды озоном ($O_3$) — мощным окислителем. Озон более эффективен против некоторых вирусов и простейших, чем хлор, а также улучшает вкус и запах воды. Однако озон быстро распадается и не обеспечивает длительного обеззараживающего эффекта.

• УФ-облучение: Вода подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, которое повреждает генетический материал микроорганизмов и лишает их способности размножаться. Этот метод не вносит в воду химических реагентов, но, как и озонирование, не имеет остаточного действия.

Специальные методы очистки

В зависимости от состава исходной воды могут применяться дополнительные методы очистки:

• Сорбция: Пропускание воды через активированный уголь для удаления растворенных органических соединений, которые придают воде неприятный вкус, цвет и запах.

• Умягчение: Снижение жесткости воды путем удаления избытка солей кальция и магния (например, с помощью ионообменных смол).

• Аэрация: Насыщение воды кислородом воздуха для удаления летучих соединений (например, сероводорода) и окисления растворенного железа и марганца.

В результате прохождения всех необходимых этапов вода становится безопасной для употребления и соответствует установленным санитарным нормам.

Ответ:

Очистка питьевой воды — это многоступенчатый процесс, включающий механическую очистку (отстаивание, коагуляция) для удаления взвешенных частиц, фильтрацию (обычно через песок) для удаления более мелких примесей и обеззараживание (хлорирование, озонирование или УФ-облучение) для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. В зависимости от качества исходной воды могут применяться и специальные методы, например, сорбция на активированном угле или умягчение.

4. Как получают дистиллированную воду и где её применяют? Можно ли дождевую воду назвать дистиллированной? Ответ поясните.

Как получают дистиллированную воду

Дистиллированную воду получают методом дистилляции (перегонки). Этот процесс основан на испарении воды с последующей конденсацией пара. Обычную воду нагревают до температуры кипения ($100^{\circ}C$ при нормальном атмосферном давлении). При этом вода превращается в пар, а все нелетучие примеси (соли тяжелых металлов, минералы, органические вещества) остаются в исходной емкости. Затем водяной пар поступает в специальное охлаждающее устройство – конденсатор (или змеевик), где он охлаждается, снова переходит в жидкое состояние и собирается в чистый приемник. Полученная таким образом вода и является дистиллированной, так как она практически полностью очищена от растворенных в ней примесей.

Ответ: Дистиллированную воду получают путем испарения обычной воды и последующей конденсации образовавшегося пара. Этот процесс, называемый дистилляцией, позволяет отделить чистые молекулы воды ($H_2O$) от нелетучих примесей.

Где её применяют

Благодаря высокой степени очистки, дистиллированная вода находит широкое применение в различных сферах. В медицине и фармацевтике её используют для приготовления инъекционных растворов, вакцин и других лекарственных препаратов. В химических и научных лабораториях она служит чистым растворителем, используется для промывки посуды и необходима для проведения точных анализов и экспериментов, где наличие примесей недопустимо. В автомобильной отрасли дистиллированной водой разбавляют концентраты антифриза и доливают её в свинцово-кислотные аккумуляторы, чтобы избежать повреждения пластин. В быту её заливают в паровые утюги, увлажнители воздуха и парогенераторы для предотвращения образования накипи. Также она используется в промышленности, например, при производстве микроэлектроники и в лазерных установках.

Ответ: Дистиллированную воду применяют в медицине, научных лабораториях, химической промышленности, для обслуживания автомобилей (аккумуляторы, системы охлаждения) и в бытовых приборах (утюги, увлажнители) – везде, где требуется вода высокой степени чистоты без примесей.

Можно ли дождевую воду назвать дистиллированной? Ответ поясните.

Назвать дождевую воду дистиллированной в строгом смысле этого слова нельзя, хотя процесс её образования в природе очень похож на дистилляцию. Вода испаряется с поверхности океанов, морей и рек, оставляя растворенные соли и другие нелетучие вещества, а затем конденсируется в атмосфере, образуя облака и выпадая в виде дождя.
Однако, проходя через атмосферу, дождевые капли поглощают различные вещества, которые в ней содержатся. В первую очередь, это растворенные газы: углекислый газ ($CO_2$), оксиды азота ($NO_x$) и серы ($SO_x$). Растворяясь в воде, они образуют кислоты (например, угольную кислоту $H_2CO_3$), поэтому дождевая вода всегда имеет слабокислую реакцию (pH ≈ 5.6). В промышленных районах это приводит к кислотным дождям. Кроме того, дождевая вода захватывает из воздуха пыль, сажу, пыльцу растений, споры грибов, бактерии и другие твердые частицы.
Таким образом, дождевая вода, в отличие от дистиллированной, не является химически чистой, так как содержит растворенные газы и взвешенные частицы.

Ответ: Нет, дождевую воду нельзя считать дистиллированной. Несмотря на то, что она образуется в результате естественного процесса, похожего на дистилляцию, при падении на землю она загрязняется растворенными в воздухе газами (что делает ее слабокислой) и различными твердыми частицами (пыль, пыльца), поэтому не является химически чистой водой ($H_2O$).

5. Выполните проект на одну из тем: «Исследование питьевой воды местности, где я живу», «Гидросфера нашей планеты», «Круговорот воды в природе».

«Исследование питьевой воды местности, где я живу»

Данный проект представляет собой план практического исследования качества питьевой воды из различных источников в конкретной местности.

Цель проекта:

Оценить качество образцов питьевой воды (водопроводной, бутилированной, родниковой) по органолептическим и некоторым физико-химическим показателям.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретические основы: стандарты качества питьевой воды (например, СанПиН), основные показатели и методы их определения.

2. Отобрать пробы воды из разных источников (например, водопроводный кран, местный родник, популярная марка бутилированной воды).

3. Провести органолептический анализ проб (оценка цвета, прозрачности, запаха, вкуса).

4. Провести доступные в школьной лаборатории или домашних условиях химические анализы (определение pH, общей жесткости, наличия хлоридов).

5. Сравнить полученные результаты с нормативными значениями.

6. Сделать выводы о пригодности исследуемой воды для питья и составить рекомендации.

План практической части:

1. Подготовка: Собрать необходимое оборудование (чистые колбы для проб, индикаторные полоски для pH, набор для определения жесткости).

2. Отбор проб: Взять пробы воды объемом не менее 1 литра в чистую тару.

3. Органолептический анализ:

– Цветность и мутность: Визуально оценить в проходящем свете на белом фоне.

– Запах: Оценить при комнатной температуре и при нагревании до 60°C.

– Вкус: Проводить дегустацию можно только у заведомо безопасной воды (например, водопроводной), соблюдая осторожность. Описать привкус (солоноватый, горьковатый, металлический и т.д.).

4. Физико-химический анализ:

– Определение водородного показателя (pH): С помощью универсальной индикаторной бумаги или pH-метра. Норма для питьевой воды: $6.0 - 9.0$.

– Определение общей жесткости: С помощью титрования или специальных тест-полосок. Жесткость обусловлена ионами кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Норматив: не более 7 мг-экв/л.

5. Оформление результатов: Занести все полученные данные в сводную таблицу для наглядного сравнения.

Ожидаемые выводы:

На основе проведенных исследований будет сделан вывод, какой из источников воды является наиболее качественным и безопасным для употребления в данной местности.

Ответ:

Представлен развернутый план-проект по исследованию качества питьевой воды. План включает постановку цели и задач, описание методик проведения органолептического и простого физико-химического анализа, а также структуру для оформления результатов и выводов. Этот план может быть использован для выполнения практической исследовательской работы.

«Гидросфера нашей планеты»

Данный проект представляет собой теоретическое исследование, посвященное водной оболочке Земли — гидросфере.

Цель проекта:

Сформировать целостное представление о гидросфере, ее составе, значении для планеты и существующих экологических проблемах.

План проекта:

1. Введение

– Дать определение понятию «гидросфера».

– Обозначить ее роль как колыбели жизни и важнейшего климатообразующего фактора.

2. Состав и структура гидросферы

– Мировой океан: Рассмотреть его части (океаны, моря), соленость, температуру. Подчеркнуть роль океана в поглощении $CO_2$ и регуляции климата.

– Воды суши: Описать реки, озера, ледники, болота и подземные воды. Отметить, что это основной источник пресной воды для человечества.

– Вода в атмосфере: Рассказать о водяном паре, облаках и осадках как о важнейшем звене круговорота воды.

3. Уникальные свойства воды

– Рассмотреть аномальные свойства воды (высокая теплоемкость, свойство быть универсальным растворителем, расширение при замерзании) и объяснить, как они делают возможной жизнь на Земле.

4. Глобальные проблемы гидросферы

– Загрязнение: Описать основные источники загрязнения (промышленные стоки, агрохимия, бытовой мусор, нефтепродукты) и их последствия.

– Истощение ресурсов пресной воды: Показать проблему неравномерного распределения и растущего потребления воды.

– Влияние изменения климата: Рассказать о таянии ледников, повышении уровня Мирового океана, закислении океана.

5. Пути сохранения гидросферы

– Предложить меры по решению проблем: рациональное водопользование, очистка сточных вод, борьба с загрязнением, международное сотрудничество.

6. Заключение

– Подвести итоги, еще раз подчеркнув уникальность гидросферы и ответственность человечества за ее сохранение.

Ответ:

Представлен структурированный план для теоретического проекта о гидросфере. План охватывает все ключевые аспекты темы: от состава и свойств водной оболочки до глобальных экологических проблем и путей их решения. Этот план позволяет подготовить комплексный и информативный доклад или реферат.

«Круговорот воды в природе»

Введение

Вода — самое распространенное вещество на Земле и основа жизни. Она постоянно находится в движении, переходя из одного состояния в другое и перемещаясь по всей планете. Этот непрерывный процесс называется мировым круговоротом воды, или гидрологическим циклом. Круговорот воды — это замкнутый процесс перемещения воды в земной биосфере, включающий испарение, конденсацию, выпадение осадков, сток и фильтрацию. Этот цикл имеет колоссальное значение, поскольку он обеспечивает перераспределение воды и энергии, поддерживает жизнь на суше, формирует климат и погоду, а также очищает воду естественным путем. Цель данного проекта — подробно рассмотреть этапы круговорота воды, его движущие силы, значение для планеты и влияние на него человеческой деятельности.

Основные этапы круговорота воды

Круговорот воды можно разделить на несколько ключевых этапов, которые происходят одновременно и непрерывно по всему земному шару.

Испарение

Это процесс, при котором жидкая вода превращается в газообразное состояние (водяной пар) под действием солнечной энергии. Основная масса воды испаряется с поверхности Мирового океана (около 85-90%), а также с поверхности рек, озер и других водоемов. Скорость испарения зависит от температуры воздуха, влажности, скорости ветра и площади водной поверхности.

Транспирация

Это процесс испарения воды растениями через мелкие поры (устьица) на их листьях. Растения поглощают воду корнями из почвы, и значительная ее часть затем испаряется в атмосферу. Транспирация играет важную роль в круговороте воды, особенно в лесистых районах. Часто процессы испарения и транспирации объединяют в один термин — суммарное испарение, или эвапотранспирация.

Конденсация

Поднимаясь вверх, теплый и влажный воздух охлаждается. При достижении определенной высоты, называемой точкой росы, водяной пар начинает конденсироваться — превращаться обратно в мельчайшие капельки воды или кристаллики льда. Эти капельки и кристаллы, скапливаясь вместе вокруг микроскопических частиц пыли или соли в воздухе, образуют облака и туман.

Осадки

Когда капли воды или кристаллы льда в облаках становятся достаточно тяжелыми, они под действием силы тяжести выпадают на земную поверхность. Этот процесс называется выпадением осадков. Осадки могут быть в жидком (дождь, морось) или твердом (снег, град, крупа) виде. Они являются основным источником пополнения запасов пресной воды на суше.

Сток

Часть воды, выпавшей на поверхность суши в виде осадков, не впитывается в почву, а стекает по поверхности. Этот поверхностный сток формирует ручьи и реки, которые несут воду обратно в озера, моря и океаны, замыкая таким образом большой круг. Величина стока зависит от рельефа местности, типа почвы и растительного покрова.

Инфильтрация (просачивание)

Другая часть осадков просачивается в почву и горные породы. Этот процесс называется инфильтрацией. Вода, просочившаяся вглубь, пополняет запасы почвенной влаги и формирует подземные воды. Подземные воды также находятся в движении, хотя и очень медленном, и в конечном итоге могут выйти на поверхность в виде родников или влиться в реки и океаны, участвуя в общем круговороте.

Движущие силы и значение круговорота воды

Главными движущими силами круговорота воды являются солнечная энергия и сила тяжести.

– Солнечная энергия нагревает воду, вызывая ее испарение и обеспечивая подъем водяного пара в атмосферу. Таким образом, она является «мотором» всего цикла.

– Сила тяжести (гравитация) заставляет сконденсированную влагу выпадать в виде осадков, а также обеспечивает движение рек (поверхностный сток) и подземных вод к Мировому океану.

Значение круговорота воды для планеты огромно:

– Возобновление ресурсов пресной воды: Круговорот постоянно пополняет запасы пресной воды на суше, которая необходима для питья, сельского хозяйства и промышленности.

– Очищение воды: При испарении соли и другие примеси остаются, и в атмосферу поступает практически дистиллированная вода.

– Формирование климата и погоды: Перенос водяного пара в атмосфере — это и перенос скрытой тепловой энергии. Конденсация этой энергии высвобождается, влияя на температуру воздуха и формирование погодных явлений.

– Геологическая деятельность: Потоки воды (реки, ледники) активно изменяют рельеф Земли, создавая долины, каньоны и откладывая наносы.

Влияние человека на круговорот воды

Хозяйственная деятельность человека оказывает все более заметное влияние на естественный гидрологический цикл, изменяя его отдельные звенья.

– Строительство водохранилищ и плотин: Изменяет режим речного стока, увеличивает испарение с водной поверхности и может приводить к заболачиванию территорий.

– Орошение (ирригация) в сельском хозяйстве: Приводит к интенсивному забору воды из рек и подземных источников, большая часть которой затем испаряется, не достигая океана.

– Вырубка лесов: Уменьшает транспирацию и инфильтрацию, что ведет к усилению поверхностного стока, увеличению риска наводнений и эрозии почв.

– Урбанизация: Асфальтирование и застройка больших территорий препятствуют инфильтрации дождевой воды в почву, резко увеличивая поверхностный сток и нагрузку на ливневую канализацию.

– Загрязнение водоемов и атмосферы: Промышленные и бытовые стоки загрязняют реки и озера. Выбросы в атмосферу могут приводить к кислотным дождям, которые изменяют химический состав осадков и наносят вред экосистемам.

– Глобальное потепление: Изменение климата приводит к таянию ледников, повышению уровня Мирового океана и изменению режима выпадения осадков, делая одни регионы более засушливыми, а другие — более влажными.

Заключение

Мировой круговорот воды — это сложный, но жизненно важный процесс, который связывает воедино все компоненты гидросферы, атмосферы, литосферы и биосферы. Он обеспечивает планету пресной водой, регулирует климат и поддерживает жизнь. Деятельность человека все сильнее вмешивается в этот отлаженный природный механизм, что может привести к серьезным экологическим последствиям, таким как дефицит водных ресурсов, наводнения и засухи. Понимание принципов гидрологического цикла и последствий его нарушения необходимо для разработки мер по рациональному использованию и охране водных ресурсов нашей планеты.

Ответ:

Представлен детальный проект на тему «Круговорот воды в природе». В проекте последовательно раскрыты все ключевые аспекты: дано определение, описаны основные этапы цикла (испарение, транспирация, конденсация, осадки, сток, инфильтрация), указаны его движущие силы (солнечная энергия и гравитация), показано огромное значение для планеты и проанализировано негативное влияние антропогенной деятельности. Проект завершается выводом о необходимости бережного отношения к водным ресурсам.