Страница 91 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какое значение имеет озон для жизни на Земле? Используя дополнительные источники информации, узнайте, над какими участками Земли озоновый слой наиболее тонкий.

Озон ($O_3$) — это аллотропная модификация кислорода, состоящая из трехатомных молекул. Основная масса озона в атмосфере Земли сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 35 км, образуя так называемый озоновый слой.
Главное значение озонового слоя для жизни на Земле заключается в его способности поглощать большую часть жесткого ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Он практически полностью блокирует наиболее опасное излучение УФ-C и значительно ослабляет УФ-B. Без этой защиты интенсивное УФ-излучение достигало бы поверхности Земли, оказывая губительное воздействие на живые организмы: у человека и животных оно вызывает рак кожи, катаракту и ослабление иммунитета; повреждает ДНК, что ведет к мутациям; угнетает рост и фотосинтез у растений; губит фитопланктон, составляющий основу морских пищевых цепей. Таким образом, озоновый слой — это естественный щит, который сделал возможным выход жизни из океана на сушу и ее дальнейшее развитие.

Наиболее значительное истончение озонового слоя, известное как «озоновая дыра», наблюдается над полярными регионами Земли. Самая большая и глубокая озоновая дыра ежегодно формируется над Антарктидой. Она достигает максимальных размеров в весенний период Южного полушария (сентябрь-октябрь). Это связано с антропогенными выбросами озоноразрушающих веществ (например, фреонов) и особыми погодными условиями: в стратосфере над Антарктикой зимой образуются полярные стратосферные облака, которые катализируют реакции разрушения озона под действием солнечного света весной. Менее выраженное истончение слоя также периодически наблюдается над Арктикой.

Ответ: Озон имеет жизненно важное значение, поскольку его слой в стратосфере поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, защищая от него все живые организмы на Земле. Самые тонкие участки озонового слоя («озоновые дыры») образуются над полярными регионами, причем наиболее крупная и устойчивая дыра ежегодно возникает над Антарктидой.

2. Сравните свойства кислорода и озона. На основе этих примеров поясните сущность аллотропии.

Решение

Сравнение свойств кислорода и озона

Кислород и озон являются аллотропными модификациями одного химического элемента — кислорода (O), но их свойства существенно различаются из-за разного строения молекул.

Кислород (дикислород)
Химическая формула: $O_2$. Молекула состоит из двух атомов кислорода.
Физические свойства: В нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха. Плохо растворяется в воде.
Химические свойства: Сильный окислитель, но менее активный, чем озон. Поддерживает процессы горения и дыхания. Молекула $O_2$ относительно устойчива.
Биологическая роль: Жизненно необходим для дыхания большинства живых организмов.

Озон (трикислород)
Химическая формула: $O_3$. Молекула состоит из трёх атомов кислорода.
Физические свойства: В нормальных условиях — газ бледно-голубого цвета с характерным резким запахом («запах грозы»). Растворяется в воде лучше, чем кислород.
Химические свойства: Очень сильный окислитель, значительно более реакционноспособный, чем кислород. Молекула $O_3$ нестабильна и легко распадается: $2O_3 \rightarrow 3O_2$.
Биологическая роль: Является токсичным, ядовитым газом. В стратосфере озоновый слой поглощает вредное ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая жизнь на Земле.

Объяснение сущности аллотропии

Сравнение свойств кислорода и озона позволяет наглядно объяснить суть явления аллотропии. Аллотропия — это способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ, которые называются аллотропными модификациями или аллотропами.

Причина аллотропии заключается в различном строении этих простых веществ. Аллотропы могут отличаться либо числом атомов в молекуле (как кислород $O_2$ и озон $O_3$), либо строением кристаллической решётки (как алмаз и графит, которые являются аллотропами углерода).

Именно различие в строении — два атома в молекуле кислорода против трёх атомов в молекуле озона — и является причиной столь разительных отличий в их физических (цвет, запах) и химических (окислительная активность, стабильность) свойствах. Таким образом, существование двух разных по свойствам веществ, состоящих из атомов одного и того же элемента, является проявлением аллотропии.

Ответ: Кислород ($O_2$) и озон ($O_3$) — аллотропные модификации элемента кислорода, различающиеся свойствами из-за разного числа атомов в молекуле. Кислород — бесцветный газ без запаха, необходимый для дыхания, умеренно активный окислитель. Озон — бледно-голубой газ с резким запахом, токсичный, очень сильный окислитель, образует защитный слой в стратосфере. Сущность аллотропии заключается в способности химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ, различных по строению (число атомов в молекуле, тип кристаллической решетки) и, как следствие, по свойствам.

3. Расскажите соседу по парте об озоне по следующему плану:

1) нахождение в природе;

2) получение;

3) свойства;

4) применение.

Оцените работу друг друга.

1) нахождение в природе;
Озон ($O_3$) — это аллотропная модификация кислорода, то есть вещество, состоящее из тех же атомов кислорода, но имеющее другую структуру молекулы. Основная масса озона в природе сконцентрирована в верхних слоях атмосферы, в стратосфере, на высоте примерно 20–25 км. Этот слой называют озоновым. Он имеет колоссальное значение для всего живого на Земле, так как поглощает большую часть губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения Солнца. Образуется озон в стратосфере под действием этого же излучения на молекулы кислорода: сначала молекула кислорода ($O_2$) распадается на два атома ($O$), а затем атом кислорода соединяется с другой молекулой кислорода, образуя озон ($O_3$).
В небольших количествах озон также образуется в приземном слое воздуха во время грозы под действием электрических разрядов молний. Именно поэтому после грозы мы чувствуем характерный запах свежести — это запах озона. Также озон может образовываться при окислении смолистых веществ хвойных деревьев.
Ответ: В природе озон в основном находится в стратосфере, образуя озоновый слой, и в небольших количествах возникает во время гроз.

2) получение;
В промышленных и лабораторных условиях озон получают с помощью специальных приборов — озонаторов. Принцип их работы заключается в пропускании тихого электрического разряда через поток чистого сухого кислорода или воздуха. Под действием электрической энергии часть молекул кислорода ($O_2$) распадается на атомы, которые затем реагируют с другими молекулами кислорода, образуя озон ($O_3$). Уравнение этой реакции выглядит так: $3O_2 \rightleftharpoons 2O_3$. Реакция является обратимой и эндотермической (то есть идет с поглощением тепла), поэтому для повышения выхода озона процесс ведут при охлаждении, так как при нагревании озон легко разлагается обратно на кислород.
Ответ: В лаборатории и промышленности озон получают в озонаторах, пропуская электрический разряд через кислород.

3) свойства;
Физические свойства: При нормальных условиях озон — это газ голубоватого цвета с характерным резким запахом, который люди часто описывают как «запах свежести» или «запах после грозы». Озон тяжелее воздуха: его молярная масса составляет 48 г/моль, в то время как средняя молярная масса воздуха — около 29 г/моль. В жидком состоянии озон представляет собой жидкость тёмно-синего цвета, а в твёрдом — тёмно-фиолетовые, почти чёрные кристаллы.
Химические свойства: Озон является одним из самых сильных окислителей, значительно превосходя по активности обычный кислород ($O_2$). Его высокая химическая активность объясняется неустойчивостью молекулы $O_3$, которая легко распадается, выделяя очень реакционноспособный атомарный кислород: $O_3 \rightarrow O_2 + O$. Благодаря этому озон реагирует с большинством металлов (за исключением золота и платины) и неметаллов, обесцвечивает многие органические красители, разрушает резину и убивает микроорганизмы. В высоких концентрациях озон ядовит.
Ответ: Озон — это голубоватый газ с резким запахом, обладающий очень высокой окислительной способностью из-за своей химической неустойчивости.

4) применение.
Уникальные свойства озона, в первую очередь его высокая окислительная способность, определяют его широкое применение в различных сферах:
• Обеззараживание воды и воздуха. Озонирование — это современный и экологически чистый метод дезинфекции питьевой воды, воды в бассейнах и очистки сточных вод. Озон эффективно уничтожает бактерии, вирусы и грибки. Его также используют для дезодорации и стерилизации воздуха в помещениях.
• Промышленность. Озон используется как отбеливающее средство для бумаги, тканей, масел и восков. Это более безопасная альтернатива соединениям хлора. В химической промышленности его применяют для синтеза различных веществ.
• Медицина. Существует направление — озонотерапия, где озон в контролируемых дозах используется для дезинфекции и в лечебных целях.
• Пищевая промышленность. Озоном обрабатывают продукты для увеличения срока их хранения, а также стерилизуют оборудование и упаковку.
Ответ: Озон применяют главным образом для обеззараживания (воды, воздуха), отбеливания в промышленности и в медицинских целях благодаря его сильным окислительным свойствам.

1. Аллотропными модификациями являются

1) кислород и водород

2) кислород и озон

3) натрий и калий

4) алюминий и медь

Решение

Аллотропия — это явление существования одного химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти простые вещества называют аллотропными модификациями или аллотропами. Ключевое условие — вещества должны состоять из атомов одного и того же химического элемента.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) кислород и водород

Кислород (O) и водород (H) — это два разных химических элемента. Следовательно, они не могут быть аллотропными модификациями друг друга.

2) кислород и озон

Кислород (имеется в виду двухатомная молекула $O_2$) и озон ($O_3$) оба состоят исключительно из атомов химического элемента кислорода (O). Однако они различаются по количеству атомов в молекуле и, соответственно, по строению и свойствам. Кислород ($O_2$) и озон ($O_3$) являются классическим примером аллотропных модификаций.

3) натрий и калий

Натрий (Na) и калий (K) — это два разных химических элемента, относящиеся к щелочным металлам. Они не являются аллотропами.

4) алюминий и медь

Алюминий (Al) и медь (Cu) — это два разных химических элемента, металлы. Они не являются аллотропами.

Таким образом, единственная пара, представляющая собой аллотропные модификации, — это кислород и озон.

Ответ: 2

2. Озон получают

1) в аппарате Киппа

2) в озонаторе

3) в кристаллизаторе

4) в газометре

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо знать назначение каждого из перечисленных приборов.

Озон ($O_3$) — это аллотропная модификация кислорода. В лабораторных и промышленных условиях его получают пропусканием тихого электрического разряда через кислород или сухой воздух. Этот процесс описывается уравнением: $3O_2 \rightleftharpoons 2O_3$. Устройство, в котором осуществляется этот процесс, имеет специальное название.

Рассмотрим варианты:

1) Аппарат Киппа используется для получения газов в лаборатории путем реакции твердого вещества с жидкостью. Например, для получения водорода ($Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$) или углекислого газа ($CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$). Он не подходит для получения озона.

2) Озонатор — это прибор, специально предназначенный для синтеза озона из кислорода или воздуха. Его действие основано на создании тихого (коронного) электрического разряда, под действием которого молекулы кислорода ($O_2$) распадаются на атомы, а затем эти атомы соединяются с другими молекулами кислорода, образуя озон ($O_3$). Это правильный вариант.

3) Кристаллизатор — это лабораторная посуда или промышленное оборудование, предназначенное для проведения процесса кристаллизации, то есть для получения твердых кристаллов из раствора или расплава. Он не используется для синтеза газов.

4) Газометр — это прибор для сбора, хранения и измерения объема газа при постоянном давлении. Он не предназначен для производства газов.

Исходя из анализа, озон получают в специальном приборе — озонаторе.

Ответ: 2) в озонаторе.

3. Определите вещество по описанию: газ с характерным запахом свежести, голубого цвета, в 1,5 раза тяжелее кислорода.

1) озон

2) аммиак

3) углекислый газ

4) сероводород

Чтобы определить вещество, необходимо проанализировать его свойства, данные в условии, и сравнить их со свойствами предложенных газов.

В описании указаны три ключевых свойства:

• газ с характерным запахом свежести;
• голубого цвета;
• в 1,5 раза тяжелее кислорода.

Сначала проанализируем качественные свойства (цвет и запах) для каждого варианта:

1. Озон ($O_3$): это аллотропная модификация кислорода. Озон действительно имеет характерный запах свежести (как после грозы) и в газообразном состоянии имеет бледно-голубой цвет. Этот вариант соответствует описанию.
2. Аммиак ($NH_3$): это бесцветный газ с резким, удушливым запахом. Этот вариант не соответствует описанию.
3. Углекислый газ ($CO_2$): это бесцветный газ без запаха. Этот вариант не соответствует описанию.
4. Сероводород ($H_2S$): это бесцветный газ с резким неприятным запахом тухлых яиц. Этот вариант не соответствует описанию.

Уже на основе качественных признаков можно сделать вывод, что искомое вещество — озон. Для окончательного подтверждения выполним расчет, используя третье свойство — относительную массу.

Относительная плотность искомого газа (X) по кислороду ($O_2$) равна 1,5.

$D_{O_2}(X) = 1,5$

Искомый газ X.

Относительная плотность одного газа по другому — это безразмерная величина, равная отношению их молярных или молекулярных масс. Чтобы проверить утверждение, необходимо сравнить молярную массу искомого газа с молярной массой кислорода ($O_2$).

1. Вычислим молярную массу кислорода ($O_2$). Относительная атомная масса кислорода $Ar(O) \approx 16$.

$M(O_2) = 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 16 = 32$ г/моль.

2. Зная, что искомый газ в 1,5 раза тяжелее кислорода, найдем его молярную массу $M(X)$:

$M(X) = D_{O_2}(X) \cdot M(O_2)$

Подставим известные значения:

$M(X) = 1,5 \cdot 32 = 48$ г/моль.

3. Теперь вычислим молярную массу озона ($O_3$), чтобы проверить, совпадает ли она с расчетной:

$M(O_3) = 3 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 16 = 48$ г/моль.

Молярная масса озона совпадает с расчетной. Таким образом, все три признака (запах, цвет и относительная масса) однозначно указывают на озон.

Ответ: 1) озон.

Прочитайте в Интернете об озоновых дырах.

Что такое озоновый слой и озоновая дыра?

Озоновый слой — это область в стратосфере Земли, расположенная на высоте примерно от 15 до 35 км, которая содержит высокую концентрацию озона ($O_3$). Этот слой играет жизненно важную роль, поглощая большую часть вредного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, тем самым защищая жизнь на планете.

Озоновая дыра — это не буквальное отверстие в небе, а научный термин для обозначения значительного локального истощения озонового слоя, то есть сильного падения концентрации стратосферного озона. Наиболее известная озоновая дыра формируется ежегодно над Антарктикой в весенний период (сентябрь-октябрь). Область считается «дырой», если концентрация озона в ней падает ниже 220 единиц Добсона (стандартная мера толщины озонового слоя).

Причины образования озоновых дыр

Основной причиной разрушения озонового слоя является выброс в атмосферу химических веществ антропогенного происхождения, известных как озоноразрушающие вещества (ОРВ). Ключевую роль среди них играют хлорфторуглероды (ХФУ, или фреоны), которые в XX веке широко применялись в холодильной технике, кондиционерах, аэрозольных спреях и в качестве промышленных растворителей.

Механизм разрушения озона выглядит следующим образом:
1. Молекулы ХФУ очень устойчивы и, не распадаясь в нижних слоях атмосферы, поднимаются в стратосферу.
2. В стратосфере под воздействием жесткого солнечного ультрафиолета молекулы ХФУ разрушаются, высвобождая атомы хлора ($Cl$) и брома ($Br$).
3. Эти атомы запускают каталитические циклы разрушения озона. Один атом хлора может уничтожить десятки тысяч молекул озона, прежде чем будет нейтрализован.
Основной каталитический цикл с участием хлора можно описать уравнениями:
$Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2$
$ClO + O \rightarrow Cl + O_2$
В итоге атом хлора ($Cl$) высвобождается и готов снова атаковать молекулу озона, а сам озон ($O_3$) превращается в обычный кислород ($O_2$).

Формированию гигантской озоновой дыры над Антарктикой способствуют уникальные метеорологические условия: очень низкие температуры полярной ночи приводят к образованию полярных стратосферных облаков. На поверхности их ледяных частиц происходят химические реакции, которые превращают неактивные соединения хлора в активные формы. С приходом полярной весны и солнечного света эти активные соединения массово разрушают озон.

Последствия разрушения озонового слоя

Истощение озонового слоя приводит к увеличению количества ультрафиолетового излучения типа B (УФ-B), достигающего поверхности Земли. Это влечет за собой ряд серьезных последствий. Для здоровья человека: повышается риск развития рака кожи (особенно меланомы), возникновения катаракты и других поражений глаз, а также подавляется работа иммунной системы. Для экосистем: УФ-B повреждает ДНК растений, снижая их рост и урожайность сельскохозяйственных культур; оно губительно для фитопланктона, который является основой пищевых цепей в Мировом океане, и наносит вред ранним стадиям развития рыб, крабов и амфибий. Для материалов: ускоряется деградация синтетических полимеров, таких как пластик и резина.

Меры по защите и восстановление озонового слоя

Угроза, связанная с разрушением озонового слоя, привела к беспрецедентным международным действиям. В 1987 году был подписан Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Это международное соглашение обязало страны-участницы поэтапно прекратить производство и потребление основных ОРВ, включая ХФУ.

Монреальский протокол признан одним из самых успешных примеров международного сотрудничества в области охраны окружающей среды. Благодаря его реализации мировое потребление озоноразрушающих веществ сократилось более чем на 98%. В результате этих мер озоновый слой начал медленно восстанавливаться. По прогнозам ученых, при сохранении текущих тенденций озоновый слой над средними широтами должен восстановиться к 2040 году, над Арктикой — к 2045 году, а антарктическая озоновая дыра должна полностью исчезнуть к 2066 году.

Ответ: Озоновая дыра — это значительное локальное снижение концентрации озона в стратосфере Земли, вызываемое преимущественно антропогенными выбросами озоноразрушающих веществ, таких как хлорфторуглероды (фреоны). Эти вещества, достигая стратосферы, высвобождают атомы хлора и брома, которые каталитически разрушают молекулы озона. Последствия этого явления включают увеличение потока вредного УФ-излучения на Землю, что приводит к росту раковых заболеваний у людей, повреждению экосистем и другим негативным эффектам. Решением проблемы стало принятие Монреальского протокола в 1987 году, который успешно ограничил производство и использование этих веществ, благодаря чему озоновый слой начал медленно восстанавливаться.