Страница 169 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Что представляют собой древесный уголь; сажа; каменный уголь; кокс?

древесный уголь

Древесный уголь — это твёрдый, пористый, высокоуглеродистый продукт, который получают из древесины путём пиролиза, то есть её нагревания до высоких температур (450–550 °C) без доступа кислорода. В процессе пиролиза из древесины удаляются вода и летучие органические соединения (смолы, кислоты), в результате чего остаётся твёрдый остаток, состоящий преимущественно из аморфного углерода ($C$). Древесный уголь отличается своей пористой структурой, что наделяет его хорошими адсорбционными (поглощающими) свойствами. Он используется как бытовое и промышленное топливо, в качестве восстановителя в металлургии, для производства активированного угля, который применяется в фильтрах и медицине, а также как компонент чёрного пороха.

Ответ: Твердый пористый продукт, получаемый при нагревании древесины без доступа воздуха, состоящий в основном из углерода и используемый как топливо и адсорбент.

сажа

Сажа (или технический углерод) — это дисперсный аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов (например, природного газа, нефти). Она состоит из мельчайших сферических частиц чистого углерода ($C$). В зависимости от способа получения и исходного сырья свойства сажи могут сильно различаться. Основное применение сажи — в качестве усиливающего наполнителя при производстве резины и пластмасс, что значительно улучшает их прочность и износостойкость (например, в автомобильных шинах). Также сажа является основным чёрным пигментом, используемым в производстве типографских красок, туши, лаков, а также в косметике (тушь для ресниц).

Ответ: Продукт неполного сгорания углеводородов, состоящий из мельчайших частиц аморфного углерода и используемый как наполнитель для резины и черный пигмент.

каменный уголь

Каменный уголь — это твёрдое горючее полезное ископаемое, осадочная порода, образовавшаяся в недрах Земли из продуктов разложения остатков древних растений (папоротников, хвощей) в течение миллионов лет под воздействием высокого давления и температуры. В отличие от древесного угля или сажи, это не чистое вещество, а сложная смесь высокомолекулярных органических соединений, в состав которой входят углерод ($C$), водород ($H$), кислород ($O$), азот ($N$) и сера ($S$), а также негорючие минеральные примеси (зола). Каменный уголь является одним из важнейших видов ископаемого топлива, используемого для получения электроэнергии и тепла, а также как сырьё для химической промышленности, в частности, для производства кокса.

Ответ: Ископаемое твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, представляющее собой сложную смесь органических соединений и минеральных примесей.

кокс

Кокс — это твёрдый, пористый и прочный продукт серого цвета, получаемый в процессе коксования — нагревания каменного угля (специальных коксующихся марок) до высоких температур (900–1100 °C) без доступа воздуха. При этом из угля удаляются летучие вещества (каменноугольная смола, аммиак, коксовый газ), а твёрдый остаток состоит преимущественно из углерода ($C$) с небольшим содержанием золы и серы. Кокс обладает большей теплотой сгорания и прочностью по сравнению с каменным углем. Его основное применение — в металлургии, особенно в доменном производстве чугуна, где он выполняет три ключевые функции: топлива, восстановителя железной руды (восстанавливает оксиды железа до металла) и разрыхлителя шихты.

Ответ: Твердый пористый продукт с высоким содержанием углерода, получаемый путем нагрева каменного угля без доступа воздуха и используемый в основном в металлургии в качестве топлива и восстановителя.

2. Какой уголь называют активированным? Где он используется?

Какой уголь называют активированным?

Активированным углем, или активным углем, называют вещество с высокоразвитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения (например, древесного угля, каменноугольного кокса, скорлупы кокосовых орехов).

Ключевой характеристикой активированного угля является его огромная удельная поверхность, достигаемая за счет большого количества микропор. Процесс создания такой структуры называется активацией. Он заключается в специальной обработке исходного сырья, которая вскрывает и значительно увеличивает количество пор. Существует два основных метода активации:

• Физическая (парогазовая) активация: предварительно карбонизованный материал обрабатывают при высокой температуре (800–1000 °C) водяным паром или диоксидом углерода. Это приводит к выгоранию части углерода, что создает и расширяет поры.
• Химическая активация: сырье (например, древесные опилки) пропитывают растворами химических реагентов (чаще всего фосфорной кислотой или хлоридом цинка), а затем нагревают при более низких температурах (400–800 °C) без доступа воздуха.

В результате этих процессов площадь внутренней поверхности всего одного грамма активированного угля может достигать 500–2500 м². Именно эта огромная поверхность наделяет уголь его главным свойством — высокой адсорбционной способностью, то есть способностью поглощать и удерживать на своей поверхности молекулы других веществ из газовой или жидкой среды.

Ответ: Активированный уголь — это форма углерода со специально созданной, чрезвычайно пористой структурой и огромной удельной поверхностью, что делает его мощным адсорбентом (поглотителем).

Где он используется?

Благодаря своим уникальным адсорбционным свойствам активированный уголь широко применяется в различных сферах:

• Медицина и фармакология: Используется как универсальный энтеросорбент при пищевых отравлениях, передозировках лекарств, интоксикациях. Он связывает токсины, яды и аллергены в желудочно-кишечном тракте, препятствуя их всасыванию в кровь. Также применяется для снижения газообразования (метеоризма).
• Промышленность:
  • Очистка воды: Является ключевым компонентом в бытовых и промышленных фильтрах для очистки питьевой и технологической воды от хлора, органических соединений, пестицидов, а также для улучшения ее вкуса и запаха.
  • Очистка воздуха и газов: Применяется в промышленных и бытовых системах очистки воздуха, в противогазах и респираторах для улавливания вредных газов, паров растворителей и неприятных запахов.
  • Пищевая промышленность: Для обесцвечивания и рафинации сахара, глюкозы, растительных масел, а также для осветления соков и алкогольных напитков.
  • Химическая промышленность: В качестве носителя катализаторов, для разделения и очистки веществ, а также для рекуперации (возврата в технологический цикл) паров органических растворителей.
  • Золотодобыча: Для извлечения золота из цианистых растворов (процесс «уголь в пульпе»).
• Бытовое применение: Встречается в сменных картриджах для фильтров-кувшинов, в угольных фильтрах для кухонных вытяжек, в поглотителях запаха для холодильников и обуви.

Ответ: Активированный уголь используется для очистки (воды, воздуха, продуктов питания), в медицине (как сорбент при отравлениях), в различных отраслях промышленности (химической, пищевой, золотодобывающей) и в быту.

3. Что такое адсорбция? Приведите пример.

Что такое адсорбция? Приведите пример.

Адсорбция — это процесс самопроизвольного увеличения концентрации вещества (называемого адсорбатом) из объема фазы (газа или жидкости) на поверхности другой фазы (называемой адсорбентом, обычно твердым телом). Этот процесс происходит на границе раздела фаз и обусловлен наличием нескомпенсированных межмолекулярных сил на поверхности адсорбента.

Адсорбцию следует отличать от абсорбции, при которой вещество поглощается всем объемом другого тела. Адсорбция — это исключительно поверхностное явление. Эффективными адсорбентами являются материалы с сильно развитой пористой структурой и, как следствие, очень большой удельной поверхностью (например, активированный уголь, силикагель, цеолиты).

Различают два основных типа адсорбции:

1. Физическая адсорбция: возникает за счет слабых межмолекулярных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) между молекулами адсорбата и поверхностью адсорбента. Этот процесс обратим и неспецифичен.

2. Химическая адсорбция (хемосорбция): сопровождается образованием химических связей между адсорбатом и адсорбентом. Этот процесс подобен химической реакции, часто необратим и характеризуется высокой специфичностью.

Пример адсорбции:

Ярким и широко известным примером является использование активированного угля.

- В бытовых фильтрах для воды: активированный уголь адсорбирует на своей поверхности растворенные органические вещества, хлор и его соединения, которые придают воде неприятный вкус и запах.

- В противогазах: фильтрующий элемент содержит активированный уголь, который поглощает (адсорбирует) ядовитые и отравляющие вещества из воздуха, делая его безопасным для дыхания.

- В медицине: таблетки активированного угля принимают при пищевых отравлениях. Попадая в желудочно-кишечный тракт, уголь адсорбирует токсины, яды и другие вредные вещества, препятствуя их всасыванию в кровь и способствуя их выведению из организма.

Ответ: Адсорбция – это процесс поглощения вещества из газообразной или жидкой среды поверхностным слоем другого вещества (адсорбента). Пример: очистка воды от вредных примесей и запахов с помощью фильтра с активированным углем.

4. Сажа, наряду с водородом, образуется при пиролизе метана $CH_4$ — нагревании его без доступа воздуха. Напишите уравнение реакции. Рассчитайте массу сажи, образующейся при пиролизе $56 \text{ м}^3$ метана, если выход продукта реакции составляет $95\%$.

Напишите уравнение реакции.

Пиролиз метана (нагревание без доступа воздуха) приводит к его разложению на простые вещества: углерод (сажу) и водород. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2$

Ответ: $CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2$

Рассчитайте массу сажи, образующейся при пиролизе 56 м³ метана, если выход продукта реакции составляет 95%. Дано:

$V(CH_4) = 56 \text{ м³}$

$\eta(\text{C}) = 95\%$

Перевод в систему СИ не требуется, так как объем уже дан в м³. Молярный объем при нормальных условиях (н.у.) составляет $V_m = 22.4 \cdot 10^{-3} \text{ м³/моль}$.

Найти:

$m_{практ}(\text{C}) - ?$

Решение:

1. Найдем количество вещества (моль) метана, вступившего в реакцию. Расчет ведем, принимая условия нормальными (н.у.):

$n(CH_4) = \frac{V(CH_4)}{V_m} = \frac{56 \text{ м³}}{22.4 \cdot 10^{-3} \text{ м³/моль}} = 2500 \text{ моль}$

2. Согласно уравнению реакции $CH_4 \rightarrow C + 2H_2$, из 1 моль метана образуется 1 моль углерода (сажи). Следовательно, соотношение количеств веществ метана и углерода равно 1:1.

$n_{теор}(\text{C}) = n(CH_4) = 2500 \text{ моль}$

3. Рассчитаем теоретическую массу сажи, которая могла бы образоваться при 100% выходе. Молярная масса углерода $M(C) = 12 \text{ г/моль}$.

$m_{теор}(\text{C}) = n_{теор}(\text{C}) \cdot M(\text{C}) = 2500 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 30000 \text{ г} = 30 \text{ кг}$

4. Рассчитаем практическую массу сажи с учетом выхода продукта реакции, который составляет 95% (или 0.95 в долях).

$m_{практ}(\text{C}) = m_{теор}(\text{C}) \cdot \eta(\text{C}) = 30 \text{ кг} \cdot 0.95 = 28.5 \text{ кг}$

Ответ: масса образующейся сажи составляет 28.5 кг.

5. Пользуясь рисунком 78, опишите устройство противогаза.

Поскольку рисунок 78 не предоставлен, будет описано общее устройство стандартного фильтрующего противогаза, которое, как правило, изображается на подобных схемах.

Противогаз — это средство индивидуальной защиты органов дыхания, глаз и кожи лица от отравляющих, радиоактивных, аварийно-химически опасных веществ и биологических аэрозолей. Он состоит из двух основных частей: лицевой части и фильтрующе-поглощающей коробки (ФПК).

Лицевая часть (маска-шлем)

Это основной элемент, который обеспечивает защиту лица и органов дыхания. Она изготавливается из эластичной резины и должна герметично прилегать к лицу. В её состав входят: корпус маски, который обеспечивает герметичное прилегание; очковый узел — прозрачные стекла для обзора; клапанная коробка — узел с клапанами вдоха и выдоха для распределения потоков воздуха; переговорное устройство (мембрана) для облегчения общения; и система крепления (наголовник) для надежной фиксации маски на голове.

Фильтрующе-поглощающая коробка (ФПК)

Этот компонент отвечает за очистку вдыхаемого воздуха от вредных примесей. Он представляет собой герметичный корпус, чаще всего цилиндрической формы, который крепится к лицевой части напрямую или через соединительную трубку. Внутри ФПК находятся два основных элемента: противоаэрозольный фильтр (ПАФ), который улавливает пыль, дым, туман и другие аэрозоли, и поглощающий слой (шихта), состоящий из активированного угля-катализатора, который поглощает (адсорбирует) ядовитые газы и пары.

Принцип действия

При вдохе под маской создается разрежение, и загрязненный воздух засасывается в ФПК. Там он последовательно проходит через противоаэрозольный фильтр и поглощающий слой, где полностью очищается. Чистый воздух через клапан вдоха поступает в подмасочное пространство к органам дыхания. При выдохе клапан вдоха закрывается, а клапаны выдоха открываются, выпуская воздух наружу и предотвращая попадание влаги в ФПК.

Ответ: Противогаз состоит из двух главных частей: лицевой части (маски) и фильтрующе-поглощающей коробки (ФПК). Лицевая часть защищает лицо и глаза, обеспечивает герметичность и имеет очковый узел, клапанную коробку и систему крепления. ФПК очищает вдыхаемый воздух с помощью противоаэрозольного фильтра (от пыли и дыма) и поглощающего слоя активированного угля (от ядовитых газов). Воздух при вдохе проходит через ФПК и очищенным попадает под маску, а при выдохе выводится наружу через специальные клапаны, минуя фильтр.

*6. На какой реакции основано применение каменного угля в качестве исходного вещества для получения водорода?

*6. Применение каменного угля в качестве исходного сырья для получения водорода основано на процессе, называемом паровой газификацией угля (или паровой конверсией угля). Этот промышленный метод заключается во взаимодействии раскаленного угля с водяным паром при очень высоких температурах (обычно около 1000 °C).

Основная химическая реакция, которая лежит в основе этого процесса, описывается следующим уравнением:

$C_{\text{(тв)}} + H_2O_{\text{(г)}} \xrightarrow{t^\circ} CO_{\text{(г)}} + H_{2\text{(г)}}$

В этой реакции твердый углерод (упрощенное представление угля) реагирует с водяным паром ($H_2O$) с образованием смеси двух газов: оксида углерода(II) ($CO$), известного как угарный газ, и водорода ($H_2$). Эта газовая смесь называется синтез-газом или водяным газом.

Для увеличения выхода водорода полученный синтез-газ часто подвергают дальнейшей обработке в процессе, известном как конверсия водяного газа (или реакция сдвига водяного газа). В этой реакции оксид углерода(II) взаимодействует с дополнительным количеством водяного пара в присутствии катализатора (например, на основе оксидов железа или меди), что приводит к образованию еще большего количества водорода и диоксида углерода ($CO_2$):

$CO_{\text{(г)}} + H_2O_{\text{(г)}} \rightleftharpoons CO_{2\text{(г)}} + H_{2\text{(г)}}$

После этого диоксид углерода удаляется из газовой смеси, оставляя чистый или обогащенный водород.

Ответ: Применение каменного угля для получения водорода основано на реакции его паровой газификации — взаимодействии раскаленного угля (углерода) с водяным паром при высокой температуре с образованием синтез-газа (смеси оксида углерода(II) и водорода).

*7. Каменный уголь используют на теплоэлектростанциях для производства энергии. К каким экологическим последствиям приводит работа таких станций?

Работа теплоэлектростанций (ТЭЦ), использующих каменный уголь в качестве топлива, приводит к комплексному негативному воздействию на окружающую среду, затрагивающему атмосферу, гидросферу и литосферу. Основные экологические последствия можно сгруппировать следующим образом:

• Загрязнение атмосферного воздуха. Это одно из самых серьезных последствий. При сжигании угля в атмосферу выбрасываются:
  • Парниковые газы: В первую очередь, диоксид углерода ($CO_2$), который является основной причиной глобального потепления и изменения климата. Угольные станции — один из крупнейших в мире источников антропогенных выбросов $CO_2$.
  • Оксиды серы и азота: Диоксид серы ($SO_2$) и оксиды азота ($NO_x$) вступают в реакцию с атмосферной влагой, образуя серную и азотную кислоты. Эти кислоты выпадают на землю в виде кислотных дождей, которые наносят вред лесам, закисляют почвы и водоемы, а также разрушают здания и памятники архитектуры.
  • Твердые частицы: Мелкодисперсная пыль, сажа и зола, попадая в воздух, образуют смог. Эти частицы могут проникать глубоко в дыхательные пути человека, вызывая и обостряя респираторные и сердечно-сосудистые заболевания.
  • Тяжелые металлы: Каменный уголь содержит примеси токсичных металлов, таких как ртуть, свинец, кадмий и мышьяк. При сжигании они попадают в атмосферу, а затем оседают на почву и в водоемы, накапливаются в пищевых цепях и оказывают отравляющее воздействие на живые организмы.
• Тепловое загрязнение гидросферы. Для охлаждения турбин и другого оборудования ТЭЦ используют большие объемы воды из близлежащих водоемов. Нагретая в процессе охлаждения вода сбрасывается обратно. Это приводит к повышению температуры воды в реках и озерах, что снижает содержание в ней растворенного кислорода и губительно сказывается на водной флоре и фауне, вплоть до гибели некоторых видов рыб и растений.
• Образование и складирование отходов. После сжигания угля остается большое количество твердых отходов — золы и шлака. Для их хранения требуются огромные площади, называемые золоотвалами. Эти отвалы не только выводят земли из хозяйственного оборота, но и являются источником загрязнения: пыль с них разносится ветром, а содержащиеся в золе токсичные вещества могут просачиваться в грунтовые воды, загрязняя их.
• Воздействие на этапе добычи. Экологические проблемы начинаются еще до сжигания угля. Его добыча, особенно открытым способом в карьерах, приводит к полному уничтожению экосистем на огромных территориях, нарушению ландшафта и гидрологического режима местности.

Ответ: Работа теплоэлектростанций на каменном угле приводит к таким экологическим последствиям, как: выбросы парниковых газов (в основном $CO_2$), вызывающие глобальное потепление; загрязнение атмосферы оксидами серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$), приводящее к кислотным дождям; выбросы твердых частиц и токсичных тяжелых металлов, опасных для здоровья; тепловое загрязнение водоемов, наносящее вред водным экосистемам; образование огромного количества золошлаковых отходов, которые загрязняют почву и грунтовые воды.