Страница 32 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

Один древнегреческий философ заметил, что нельзя дважды войти в одну и ту же реку. Докажите или опровергните это утверждение, пользуясь приобретёнными вами химическими знаниями.

Решение

Утверждение древнегреческого философа Гераклита о том, что «нельзя дважды войти в одну и ту же реку», является абсолютно верным с точки зрения химии. Река — это не статичный объект, а сложная, открытая и динамически изменяющаяся система. Это можно доказать, рассмотрев её состав и процессы, протекающие в ней.

1. Постоянное обновление воды. Самый очевидный аспект — это течение. Масса воды, которая составляет реку в определённом месте, постоянно смещается и заменяется новой. Молекулы воды ($H_2O$), которые омывали вас в первый момент, через секунду уже будут унесены вниз по течению, а на их месте окажутся совершенно другие молекулы. Таким образом, вы входите в ту же географическую точку, но уже в другую воду.

2. Непрерывное изменение химического состава. Речная вода является сложным водным раствором, состав которого никогда не бывает постоянным. Он меняется под действием множества факторов:

• Растворение веществ: Вода, протекая по руслу, постоянно растворяет минералы и органические вещества из горных пород, почвы и донных отложений. В результате в ней постоянно меняется концентрация ионов, таких как $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $HCO_3^-$, $SO_4^{2-}$.
• Влияние окружающей среды: С дождем и талыми водами в реку попадают новые вещества, как природные (например, гуминовые кислоты), так и антропогенные (удобрения, промышленные стоки, остатки нефтепродуктов).
• Газообмен с атмосферой: В воде растворены газы из атмосферы, в первую очередь кислород ($O_2$) и диоксид углерода ($CO_2$). Их концентрация зависит от температуры (чем холоднее вода, тем лучше растворяются газы), давления и, что очень важно, от биологической активности.
• Биохимические процессы: Река — это живая экосистема. Водные растения и фитопланктон в процессе фотосинтеза днём потребляют $CO_2$ и выделяют $O_2$. В то же время все живые организмы (рыбы, бактерии, растения) постоянно дышат, потребляя $O_2$ и выделяя $CO_2$. Процессы разложения (гниения) органических остатков также активно изменяют химический состав воды, потребляя кислород и насыщая воду продуктами распада. Эти процессы приводят к суточным колебаниям pH и концентрации растворенных газов.

3. Изменение физических свойств. Температура, прозрачность и мутность воды также постоянно меняются. Это зависит от времени суток, погоды и сезона. Изменение температуры, в свою очередь, влияет на скорость всех химических реакций и на растворимость веществ.

Таким образом, в любой момент времени река представляет собой уникальное сочетание молекул воды и растворенных/взвешенных в ней веществ. Через мгновение это будет уже другая система с другим химическим и физическим состоянием.

Ответ: Утверждение древнегреческого философа верно. С точки зрения химии, река — это открытая динамическая система, в которой из-за течения, непрерывных химических реакций, биологических процессов и обмена веществом с окружающей средой постоянно меняется как состав самой воды, так и концентрация растворенных в ней веществ. Поэтому войти в одну и ту же реку дважды невозможно.

В старом словаре иностранных слов химический элемент определяется как вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества. Обсудите правильность такого определения.

Данное определение химического элемента, предложенное в период становления химии как науки, было актуальным и практически применимым для своего времени. На том уровне знаний, когда основным инструментом исследования были химические реакции, элементы действительно представляли собой предел делимости вещества. Например, оксид ртути(II) можно было разложить на ртуть и кислород, а вот дальнейшее разложение ртути или кислорода химическими методами было невозможно. Следовательно, их справедливо считали элементами.

Однако с точки зрения современной науки это определение является устаревшим и неточным по двум ключевым причинам:

1. Отождествление понятий «химический элемент» и «простое вещество». Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Простое вещество — это одна из форм существования химического элемента. Один и тот же элемент может существовать в виде нескольких простых веществ (это явление называется аллотропией). Классический пример — химический элемент кислород (O), который образует два простых вещества: дикислород ($O_2$) и озон ($O_3$). При определенных условиях озон может разлагаться с образованием дикислорода по реакции $2O_3 \rightarrow 3O_2$. Получается, что одно простое вещество (озон) разлагается на другое (дикислород), хотя оба состоят из атомов одного и того же химического элемента. Это прямо противоречит старому определению.

2. Игнорирование ядерных превращений. Старое определение подразумевает невозможность разложения элемента с помощью химических методов. Однако с открытием радиоактивности и развитием ядерной физики стало известно, что атомы одного элемента могут превращаться в атомы других элементов. В ходе радиоактивного распада тяжелые ядра распадаются, образуя ядра более легких («простых») элементов. Например, уран-238 в результате длинной цепочки распадов превращается в стабильный свинец-206. Этот процесс является фактическим разложением одного элемента на другие, хотя и происходит за счет ядерных, а не химических сил.

Современное определение, основанное на строении атома, лишено этих недостатков: химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Ответ: Рассматриваемое определение химического элемента не является правильным с точки зрения современной науки. Оно некорректно, так как, во-первых, не учитывает существование аллотропных модификаций, когда одно простое вещество может разлагаться на другое простое вещество того же элемента (например, озон на кислород). Во-вторых, оно не принимает во внимание возможность ядерных реакций, в ходе которых атомы одних элементов могут распадаться, образуя атомы других, более легких элементов. Таким образом, определение не является универсальным.

Если на весах уравновесить свечу и потом её зажечь, то... Нарисуйте схему установки, с помощью которой можно доказать, что в данном случае закон сохранения массы веществ не нарушается. Объясните принцип действия установки.

Если зажечь свечу, стоящую на весах в открытой системе (например, на открытом воздухе), то можно наблюдать, как чаша весов со свечой постепенно поднимается. Это создает обманчивое впечатление, что масса в процессе горения уменьшается, и закон сохранения массы нарушается. На самом деле, это происходит потому, что продукты горения — углекислый газ и водяной пар — являются летучими газообразными веществами. Они рассеиваются в окружающем воздухе, и весы не могут учесть их массу.

Чтобы доказать, что закон сохранения массы веществ в действительности не нарушается, необходимо провести этот опыт в замкнутой (изолированной) системе, то есть в такой системе, которая не обменивается веществом с окружающей средой.

Установка для демонстрации закона сохранения массы при горении свечи представляет собой рычажные весы. На одной чаше весов установлена свеча. Свеча накрыта герметичным стеклянным колпаком (или находится внутри большой, плотно закрытой колбы), который также стоит на этой же чаше весов. Это необходимо для создания замкнутой системы. На другой чаше весов располагаются гири (противовес), которые уравновешивают систему до начала горения. Схематически это можно представить как весы в состоянии равновесия, где на одной чаше находится свеча под колпаком, а на другой — гири.

Принцип действия установки основан на взвешивании замкнутой системы до и после химической реакции.

1. Подготовка к опыту. На чашу весов помещают свечу и накрывают ее герметичным колпаком. С помощью гирь на другой чаше весы приводят в состояние равновесия. В этот момент мы фиксируем общую массу замкнутой системы, которая складывается из массы свечи, массы воздуха (содержащего кислород, необходимый для горения) под колпаком, и массы самого колпака.

2. Проведение реакции. Свечу внутри герметичного сосуда поджигают. Это можно осуществить, не нарушая герметичности, например, сфокусировав на фитиле солнечный луч с помощью линзы. Начинается химическая реакция горения. Парафин, из которого состоит свеча (смесь высших углеводородов, общая формула $C_xH_y$), взаимодействует с кислородом ($O_2$) из воздуха под колпаком. В результате реакции образуются новые вещества: углекислый газ ($CO_2$) и вода (в виде пара, $H_2O$). Уравнение этой реакции в общем виде выглядит так: $C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

3. Наблюдение. В процессе горения свечи, пока она не погаснет из-за нехватки кислорода, равновесие весов не нарушается. Это означает, что общая масса системы остается неизменной.

4. Объяснение результата. Согласно закону сохранения массы, масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. В данном эксперименте масса "исчезнувшего" парафина и израсходованного кислорода в точности равна массе образовавшихся углекислого газа и воды. Поскольку реакция протекает в замкнутом сосуде, все газообразные продукты остаются внутри колпака и их масса, в отличие от опыта на открытом воздухе, учитывается весами. Таким образом, суммарная масса системы до реакции (свеча + кислород под колпаком + колпак) равна суммарной массе системы после реакции (остаток свечи + углекислый газ + вода + оставшийся воздух + колпак). Это и доказывает, что закон сохранения массы не нарушается.

Ответ: Чтобы доказать, что закон сохранения массы при горении свечи не нарушается, нужно провести эксперимент в замкнутой системе. Для этого на одну чашу весов помещают свечу под герметичным стеклянным колпаком и уравновешивают ее гирями на другой чаше. Затем свечу поджигают. В процессе горения масса свечи и кислорода под колпаком уменьшается, но одновременно образуются продукты реакции — углекислый газ и водяной пар, которые остаются внутри колпака. Поскольку общая масса веществ в замкнутой системе не изменяется (масса реагентов равна массе продуктов), весы на протяжении всего опыта остаются в равновесии. Это наглядно демонстрирует справедливость закона сохранения массы.