Страница 175 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Опишите физические свойства углекислого газа.

Углекислый газ, также известный как диоксид углерода или оксид углерода(IV), с химической формулой $CO_2$, представляет собой соединение со следующими ключевыми физическими свойствами:

• Агрегатное состояние: В стандартных условиях (температура 0 °C и давление 1 атмосфера) углекислый газ является газом.
• Цвет, запах и вкус: Это бесцветный газ. В низких концентрациях он не имеет запаха, однако в очень высоких концентрациях может обладать резким кисловатым запахом. При растворении в воде образует слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$), что придает напиткам (например, газированной воде) характерный кисловатый вкус.
• Плотность: Углекислый газ значительно плотнее воздуха. Его плотность при нормальных условиях составляет примерно $1,98 \text{ кг/м}^3$, что почти в 1,5 раза больше плотности воздуха (около $1,29 \text{ кг/м}^3$). Из-за этого свойства он имеет тенденцию скапливаться в низко расположенных, непроветриваемых пространствах, таких как подвалы, колодцы или шахты, вытесняя кислород и создавая опасность удушья.
• Растворимость: Углекислый газ растворим в воде. Его растворимость увеличивается с повышением давления и понижением температуры.
• Фазовые переходы: Уникальной особенностью углекислого газа является то, что при нормальном атмосферном давлении он не может существовать в жидком состоянии. При охлаждении до температуры $-78,5 \text{ °C}$ он переходит непосредственно из газообразного состояния в твердое, образуя так называемый «сухой лед». Этот процесс прямого перехода из газа в твердое тело называется десублимацией, а обратный процесс — сублимацией или возгонкой. Жидкий $CO_2$ можно получить только при давлении выше 5,11 атмосфер (тройная точка).
• Прочие свойства: Углекислый газ не горюч и не поддерживает горение. Это свойство используется в углекислотных огнетушителях.

Ответ: Углекислый газ ($CO_2$) — это бесцветный газ без запаха, который примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. Он растворяется в воде, образуя угольную кислоту и придавая ей кисловатый вкус. При нормальном атмосферном давлении и температуре $-78,5 \text{ °C}$ он переходит из газообразного состояния в твердое («сухой лед»), минуя жидкую фазу, в процессе сублимации/десублимации. Углекислый газ не горит и не поддерживает горение.

2. На чём основано использование углекислого газа при тушении пожаров, при приготовлении газированных напитков?

Использование при тушении пожаров

Применение углекислого газа ($CO_2$) для тушения пожаров основано на комплексе его физических и химических свойств. Для возникновения и поддержания горения необходимы три условия, образующие «треугольник огня»: горючее вещество, окислитель (обычно кислород из воздуха) и источник тепла (высокая температура). Углекислый газ эффективно воздействует сразу на два из этих трёх компонентов.

1. Прекращение доступа кислорода. Углекислый газ химически инертен, он не горит и не поддерживает горение. Кроме того, он значительно плотнее воздуха: молярная масса $CO_2$ составляет примерно $44$ г/моль, тогда как средняя молярная масса воздуха — около $29$ г/моль. Будучи в ~1,5 раза тяжелее воздуха, углекислый газ при распылении оседает и окутывает очаг возгорания, вытесняя более лёгкий кислород и тем самым прекращая его доступ к горящему веществу.

2. Охлаждение. В огнетушителях углекислый газ хранится в сжиженном состоянии под высоким давлением. При срабатывании огнетушителя жидкий $CO_2$ выходит наружу, где давление резко падает до атмосферного. Этот процесс (адиабатическое расширение) сопровождается интенсивным поглощением тепла из окружающей среды, что приводит к резкому охлаждению. Температура падает до $-78,5$ °C, и часть углекислого газа превращается в твёрдые белые хлопья — «сухой лёд». Попадая на горящие предметы, сухой лёд отнимает у них большое количество тепла, охлаждая их ниже температуры воспламенения.

Ответ: Использование углекислого газа при тушении пожаров основано на его негорючести, способности вытеснять кислород из зоны горения (так как он значительно тяжелее воздуха) и сильном охлаждающем эффекте, который возникает при его резком расширении из сжиженного состояния.

Использование при приготовлении газированных напитков

Применение углекислого газа ($CO_2$) в пищевой промышленности для создания газированных напитков основано на его способности растворяться в воде и вступать с ней в химическую реакцию.

1. Растворимость и образование угольной кислоты. В соответствии с законом Генри, растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над жидкостью. На производстве напитки насыщают углекислым газом под высоким давлением, что заставляет большое количество $CO_2$ раствориться в воде. Растворённый углекислый газ вступает в обратимую реакцию с водой, образуя слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$):

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Именно угольная кислота придает напиткам характерный, слегка острый и освежающий вкус.

2. Эффект газирования («шипучесть»). Когда мы открываем бутылку, давление внутри неё быстро падает до атмосферного. Это приводит к резкому снижению растворимости $CO_2$. Химическое равновесие сдвигается влево, угольная кислота распадается, и избыток углекислого газа, который больше не может удерживаться в растворе, выделяется в виде многочисленных пузырьков, создавая всем известный эффект шипения.

3. Консервирующие свойства. Угольная кислота создаёт слабокислую среду, а высокое содержание $CO_2$ обеспечивает анаэробные (бескислородные) условия. Оба этих фактора подавляют рост многих микроорганизмов (бактерий, плесени, дрожжей), что позволяет увеличить срок хранения напитков.

Ответ: Использование углекислого газа при приготовлении газированных напитков основано на его хорошей растворимости в воде под давлением, в результате чего образуется угольная кислота, которая придает напитку характерный вкус, а при сбросе давления выделяется в виде пузырьков (газирование) и дополнительно выступает в роли консерванта.

3. Если на кусок мрамора подействовать серной кислотой вместо соляной, выделение углекислого газа быстро прекращается. Чем это можно объяснить?

Решение

Данное явление объясняется свойствами продуктов реакции, образующихся при взаимодействии мрамора (основной компонент – карбонат кальция, $CaCO_3$) с серной и соляной кислотами.

1. Реакция с серной кислотой ($H_2SO_4$)

При действии серной кислоты на карбонат кальция происходит следующая химическая реакция:

$CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

Одним из продуктов этой реакции является сульфат кальция ($CaSO_4$). Это малорастворимое в воде и в растворе кислоты вещество. Образуясь на поверхности куска мрамора, сульфат кальция формирует плотную, нерастворимую пленку (осадок). Эта пленка физически изолирует реагенты друг от друга: она не дает серной кислоте достигнуть непрореагировавшего карбоната кальция. В результате реакция быстро замедляется и прекращается, а вместе с ней останавливается и выделение углекислого газа. Этот процесс называется пассивацией поверхности.

2. Реакция с соляной кислотой ($HCl$) для сравнения

При взаимодействии мрамора с соляной кислотой образуются другие продукты:

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

В этом случае образуется хлорид кальция ($CaCl_2$), который является хорошо растворимой солью. Он уходит в раствор, не создавая защитной пленки на поверхности мрамора. Поэтому соляная кислота имеет постоянный доступ к поверхности реагента, и реакция продолжается до тех пор, пока не израсходуется один из исходных веществ.

Ответ: Выделение углекислого газа быстро прекращается из-за образования на поверхности мрамора нерастворимого сульфата кальция ($CaSO_4$), который создает защитную пленку и препятствует дальнейшему контакту серной кислоты с карбонатом кальция.

4. Известны случаи смертельных отравлений углекислым газом, скопившимся на дне погребов, в которых хранятся овощи. Как следует убедиться в безопасности нахождения в погребе?

Углекислый газ ($CO_2$), который приводит к отравлениям, образуется в погребе в результате процесса дыхания хранящихся там овощей и корнеплодов. В процессе дыхания они поглощают кислород ($O_2$) и выделяют углекислый газ. Поскольку погреб — это, как правило, замкнутое и плохо проветриваемое пространство, концентрация $CO_2$ со временем может достичь опасных для жизни значений.

Углекислый газ тяжелее воздуха. Молярная масса $CO_2$ составляет примерно 44 г/моль, в то время как средняя молярная масса воздуха — около 29 г/моль. Из-за большей плотности углекислый газ опускается вниз и скапливается у пола погреба, вытесняя оттуда кислород. Так как $CO_2$ не имеет цвета и запаха, человек не может обнаружить его своими органами чувств. Нахождение в такой атмосфере приводит к кислородному голоданию (гипоксии), быстрой потере сознания и смерти от удушья (асфиксии).

Чтобы убедиться в безопасности нахождения в погребе, следует предпринять следующие шаги:

1. Тщательное проветривание. Перед тем как спускаться в погреб, его необходимо хорошо проветрить. Для этого нужно открыть все люки, двери и вентиляционные отверстия на длительное время (от нескольких часов до суток). Это обеспечит приток свежего воздуха и позволит вытеснить скопившийся углекислый газ.
2. Проверка состава воздуха. Так как углекислый газ невидим, необходимо проверить его концентрацию перед входом одним из следующих способов:
   • Народный способ: Опустить в погреб на веревке или длинной палке зажженную свечу. Если пламя горит ровно и ярко, особенно у самого дна, значит, кислорода в погребе достаточно. Если пламя становится тусклым или гаснет — это верный признак опасной концентрации углекислого газа и недостатка кислорода. Процесс горения, как и дыхание, невозможен без кислорода. Входить в такой погреб категорически запрещено.
   • Современный способ: Использовать портативный газоанализатор. Это специальный прибор, который точно измерит процентное содержание углекислого газа и кислорода в воздухе. Это наиболее надежный и безопасный метод проверки.
3. Соблюдение мер предосторожности. Категорически не рекомендуется спускаться в погреб в одиночку. Наверху обязательно должен оставаться страхующий человек, который сможет немедленно вызвать помощь (например, службу спасения по номеру 112) в случае экстренной ситуации. Не пытайтесь самостоятельно спасать потерявшего сознание человека без специальных средств защиты органов дыхания, так как вы рискуете сами стать жертвой.

Ответ: Чтобы убедиться в безопасности нахождения в погребе, необходимо сначала его тщательно проветрить, затем проверить концентрацию кислорода с помощью зажженной свечи (если она гаснет — входить опасно) или газоанализатора, а также спускаться в погреб только при наличии страхующего человека наверху.

5. Что такое парниковый эффект и каковы его возможные последствия?

Что такое парниковый эффект

Парниковый эффект — это процесс нагрева нижних слоёв атмосферы планеты вследствие того, что определённые газы в атмосфере (парниковые газы) задерживают тепловое излучение, исходящее от её поверхности. Этот эффект назван по аналогии с теплицей (парником), где стекло или плёнка выполняют схожую функцию. Механизм этого явления можно описать в несколько этапов:

1. Солнечная радиация, преимущественно в коротковолновом диапазоне (видимый свет и ультрафиолет), проникает сквозь атмосферу Земли.

2. Поверхность планеты (суша и океаны) поглощает эту энергию и нагревается.

3. Нагретая земная поверхность излучает тепло обратно в атмосферу в виде длинноволнового инфракрасного излучения.

4. Молекулы парниковых газов, к которым относятся водяной пар ($H_2O$), углекислый газ ($CO_2$), метан ($CH_4$), оксид азота(I) ($N_2O$) и другие, эффективно поглощают это исходящее инфракрасное излучение, не давая ему уйти в космос.

5. Поглотив энергию, эти газы переизлучают её во всех направлениях, в том числе и обратно к поверхности Земли, что вызывает дополнительный нагрев поверхности и нижнего слоя атмосферы — тропосферы.

Естественный парниковый эффект является критически важным для поддержания жизни на Земле. Без него средняя температура на планете составляла бы около $-18^\circ C$, что сделало бы её непригодной для большинства живых организмов. Благодаря этому эффекту средняя температура поддерживается на уровне около $+15^\circ C$. Проблема, обсуждаемая в настоящее время, связана с антропогенным (вызванным деятельностью человека) усилением парникового эффекта. Сжигание ископаемого топлива, промышленные процессы, вырубка лесов и сельское хозяйство приводят к значительному росту концентрации парниковых газов, в первую очередь $CO_2$, что нарушает естественный тепловой баланс планеты.

Ответ: Парниковый эффект — это естественный процесс, при котором газы в атмосфере Земли задерживают солнечное тепло, поддерживая на планете комфортную температуру. Усиление этого эффекта из-за выбросов парниковых газов в результате деятельности человека приводит к глобальному потеплению.

Каковы его возможные последствия

Усиление парникового эффекта приводит к глобальному изменению климата, которое проявляется в ряде серьёзных и взаимосвязанных последствий для планеты и человечества:

1. Глобальное потепление. Это наиболее прямое последствие — неуклонный рост средней глобальной температуры воздуха и поверхности океана.

2. Увеличение частоты и интенсивности экстремальных погодных явлений. К ним относятся волны аномальной жары, засухи, проливные дожди, вызывающие наводнения, а также более мощные ураганы и тайфуны.

3. Таяние ледников и вечной мерзлоты. Повышение температуры ускоряет таяние ледников в горах и полярных ледяных щитов в Гренландии и Антарктиде. Таяние вечной мерзлоты высвобождает дополнительное количество метана ($CH_4$), что ещё больше усиливает парниковый эффект.

4. Подъём уровня Мирового океана. Уровень моря повышается из-за двух основных факторов: притока воды от тающих наземных ледников и термического расширения самой морской воды (нагреваясь, вода увеличивается в объёме). Это создаёт угрозу затопления для густонаселённых прибрежных районов и целых островных государств.

5. Окисление океана. Океаны поглощают около четверти антропогенного $CO_2$. Растворяясь в воде, углекислый газ образует угольную кислоту ($CO_2 + H_2O \leftrightarrow H_2CO_3$), что снижает pH морской воды, делая её более кислой. Это негативно влияет на морские экосистемы, в частности на коралловые рифы, моллюсков и планктон, которые не могут формировать свои раковины и скелеты в кислой среде.

6. Угрозы для биоразнообразия. Изменение климатических условий заставляет многие виды животных и растений мигрировать в поисках подходящей среды обитания. Виды, не способные к быстрой адаптации или миграции, находятся под угрозой вымирания, что ведёт к сокращению биоразнообразия.

7. Последствия для человека. Изменения климата угрожают продовольственной безопасности из-за снижения урожайности, создают дефицит пресной воды в одних регионах и наводнения в других, способствуют распространению инфекционных заболеваний и повышают риски для здоровья людей из-за волн жары.

Ответ: Возможные последствия усиления парникового эффекта включают глобальное потепление, более частые и сильные экстремальные погодные явления, таяние льдов и подъём уровня моря, окисление океана, вымирание видов и значительные риски для сельского хозяйства, здоровья и безопасности человечества.

6. Расскажите об использовании углекислого газа (рис. 84).

В качестве применения $CO_2$:

Средства пожаротушения

В пищевой промышленности

Хладагент («сухой лёд»)

Также $CO_2$ используется для:

Производство солей угольной кислоты

При этом получают:

Поташ

Кальцинированная (стиральная) сода

Пищевая сода

Кристаллическая сода

Рис. 84. Применение углекислого газа

Углекислый газ, или диоксид углерода ($CO_2$), является важным химическим соединением с широким спектром применения в различных отраслях промышленности и в быту. На основе представленной схемы можно выделить несколько ключевых направлений его использования.

Средства пожаротушения

Углекислый газ является эффективным средством для тушения пожаров. Его действие основано на нескольких принципах. Во-первых, $CO_2$ не поддерживает горение. Во-вторых, будучи в 1,5 раза тяжелее воздуха, он опускается вниз и вытесняет кислород из зоны горения, прекращая доступ окислителя к пламени. В углекислотных огнетушителях газ находится под высоким давлением в сжиженном состоянии. При выпуске он резко расширяется, что сопровождается сильным охлаждением до температуры сублимации (-78,5 °C) с образованием твердых хлопьев «сухого льда». Этот эффект охлаждения помогает снизить температуру горящих материалов ниже точки воспламенения. Углекислотные огнетушители особенно эффективны для тушения электроустановок под напряжением и горючих жидкостей, так как $CO_2$ не проводит электричество и испаряется без остатка.

Ответ: Углекислый газ используется в огнетушителях для охлаждения горящих веществ и вытеснения кислорода из зоны горения.

В пищевой промышленности

В этой отрасли углекислый газ (известный как пищевая добавка E290) используется прежде всего для газирования напитков, таких как лимонады, минеральная вода, пиво и шампанское. При растворении в воде под давлением он образует слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$), которая придает напиткам характерный освежающий вкус и «игристость». Также $CO_2$ применяется в технологии упаковки пищевых продуктов в модифицированной газовой среде. Замещение кислорода в упаковке на углекислый газ замедляет рост аэробных бактерий и плесени, что позволяет значительно продлить срок хранения продуктов, таких как мясо, рыба, сыры и выпечка.

Ответ: В пищевой промышленности углекислый газ применяется для газирования напитков и как консервант при упаковке продуктов.

Хладагент («сухой лёд»)

Твердый диоксид углерода, известный как «сухой лёд», является мощным хладагентом. Его уникальное свойство заключается в сублимации — переходе из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу, при атмосферном давлении и температуре -78,5 °C. Благодаря этому свойству сухой лёд обеспечивает сильное и длительное охлаждение, не оставляя влаги. Его используют для транспортировки и хранения замороженных и скоропортящихся продуктов (например, мороженого, медицинских препаратов), в лабораторной практике для создания низких температур, а также в индустрии развлечений для создания сценического дыма (тумана), который образуется при контакте сухого льда с теплой водой.

Ответ: Твердый углекислый газ («сухой лёд») используется как эффективный и чистый хладагент для транспортировки и хранения, а также для создания спецэффектов.

Производство солей угольной кислоты

Углекислый газ является сырьем для получения различных солей угольной кислоты — карбонатов и гидрокарбонатов, которые имеют огромное промышленное и бытовое значение. К ним относятся:

Поташ ($K_2CO_3$, карбонат калия) — используется в производстве стекла (особенно оптического), жидкого мыла, красителей и в качестве удобрения.

Кальцинированная (стиральная) сода ($Na_2CO_3$, карбонат натрия) — один из важнейших продуктов химической промышленности. Применяется в производстве стекла, моющих средств, бумаги, а также для умягчения воды.

Пищевая сода ($NaHCO_3$, гидрокарбонат натрия) — широко используется в кулинарии как разрыхлитель для теста (при нагревании выделяет $CO_2$), в медицине как антацидное средство, а также в быту как чистящее средство.

Кристаллическая сода ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$, кристаллогидрат карбоната натрия) — применяется в быту для стирки и умягчения воды, так как легко растворяется в воде.

Процесс получения этих солей, например, по методу Сольве, напрямую включает реакцию с участием углекислого газа: $NH_3 + CO_2 + H_2O + NaCl \rightarrow NaHCO_3 \downarrow + NH_4Cl$.

Ответ: Углекислый газ служит сырьем для производства важных химических продуктов: поташа, кальцинированной, пищевой и кристаллической соды.

7. Почему при топке печи опасно преждевременно закрывать заслонку?

Преждевременное закрытие печной заслонки смертельно опасно из-за риска отравления угарным газом. Разберем процесс подробнее.

Для полноценного горения топлива, будь то дрова или уголь, необходим постоянный и достаточный приток кислорода. Когда заслонка дымохода открыта, создается тяга, которая обеспечивает поступление свежего воздуха в топку и отвод продуктов сгорания наружу.

При полном сгорании, когда кислорода достаточно, углерод, содержащийся в топливе, окисляется до диоксида углерода (углекислого газа, $CO_2$). Это относительно безопасный газ, который является естественной частью атмосферы.

Если же закрыть заслонку до того, как все топливо полностью прогорело (даже если остались только тлеющие угли), приток кислорода в топку резко сокращается. В условиях кислородного голодания происходит процесс неполного сгорания. В результате этого процесса вместо углекислого газа образуется чрезвычайно ядовитый оксид углерода(II), более известный как угарный газ ($CO$). Процесс неполного сгорания углерода можно описать уравнением:

$2C + O_2 \rightarrow 2CO$

Главная опасность угарного газа заключается в его свойствах: он не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Человек не может обнаружить его присутствие в воздухе своими органами чувств. Накапливаясь в помещении, угарный газ при вдыхании попадает в кровь и связывается с гемоглобином намного прочнее (в 200–300 раз), чем кислород. В результате кровь теряет способность переносить кислород от легких к тканям и органам. Наступает кислородное голодание (гипоксия), которое приводит к головной боли, головокружению, тошноте, потере сознания, а при высоких концентрациях — к смерти.

Именно поэтому печную заслонку можно закрывать только после того, как топливо полностью прогорело и в печи не осталось даже синеватых огоньков над углями, которые свидетельствуют о догорании угарного газа.

Ответ: Преждевременное закрытие заслонки прекращает доступ кислорода к еще не прогоревшим углям, что приводит к неполному сгоранию топлива и образованию смертельно ядовитого угарного газа ($CO$), который не имеет цвета и запаха. Проникая в помещение, он может вызвать тяжелое отравление и смерть.

8. Свойства угарного газа были подробно изучены в 1776 г. химиком Ларссоном. «Из смеси цинковой окалины (оксида цинка) и большого количества угольного порошка, заключённой в пистолетное дуло, я извлёк в жару кузнечного горна 96 л газа», — записал он в дневнике. Приведите уравнение реакции. Какую массу цинковой окалины взял учёный?

Приведите уравнение реакции.

В задаче описана реакция восстановления оксида цинка (цинковой окалины) углеродом (угольным порошком) при высокой температуре в кузнечной печи. В результате этой реакции образуется металлический цинк и угарный газ, свойства которого и изучал учёный.

Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$ZnO + C \xrightarrow{t^{\circ}} Zn + CO$

Ответ: $ZnO + C = Zn + CO$.

Какую массу цинковой окалины взял учёный? Дано:

Объём угарного газа $V(CO) = 96 \text{ л}$

Найти:

Масса цинковой окалины $m(ZnO)$

Решение:

Поскольку в условии не указаны температура и давление, при которых измерялся объём газа, для расчётов примем нормальные условия (н.у.). При нормальных условиях молярный объём любого газа $V_m$ составляет $22,4$ л/моль.

1. Рассчитаем количество вещества (число молей) угарного газа ($CO$), полученного в ходе эксперимента, по формуле $n = V / V_m$:

$n(CO) = \frac{V(CO)}{V_m} = \frac{96 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 4,286 \text{ моль}$

2. Согласно уравнению реакции $ZnO + C = Zn + CO$, стехиометрические коэффициенты перед оксидом цинка ($ZnO$) и угарным газом ($CO$) равны 1. Следовательно, их количества вещества находятся в соотношении 1:1.

$n(ZnO) = n(CO) \approx 4,286 \text{ моль}$

3. Вычислим молярную массу оксида цинка ($ZnO$), сложив относительные атомные массы цинка ($Ar(Zn) \approx 65$ г/моль) и кислорода ($Ar(O) = 16$ г/моль):

$M(ZnO) = Ar(Zn) + Ar(O) = 65 + 16 = 81 \text{ г/моль}$

4. Найдём массу цинковой окалины ($ZnO$), которая потребовалась для реакции, по формуле $m = n \times M$:

$m(ZnO) = n(ZnO) \times M(ZnO) \approx 4,286 \text{ моль} \times 81 \text{ г/моль} \approx 347,146 \text{ г}$

Округлим полученный результат до целых чисел.

Ответ: учёный взял примерно 347 г цинковой окалины.