Страница 181 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Опишите круговорот углерода в живой и неживой природе.

Круговорот углерода — это сложный биогеохимический цикл, описывающий непрерывное перемещение углерода между основными резервуарами на Земле: атмосферой, гидросферой (океаны и другие водоемы), литосферой (земная кора) и биосферой (живые организмы). Углерод является основой всех органических молекул, поэтому его круговорот имеет фундаментальное значение для поддержания жизни.

Процесс можно условно разделить на биологический (быстрый) и геологический (медленный) циклы.

Биологический круговорот

Этот цикл включает быстрый обмен углеродом между атмосферой, океанами и живыми организмами.

• Поглощение углерода из неживой природы. Основной процесс — это фотосинтез. Растения, водоросли и некоторые бактерии (продуценты) поглощают углекислый газ ($CO_2$) из воздуха или воды и, используя энергию света, синтезируют органические вещества (например, глюкозу). Суммарное уравнение реакции:
  $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{свет}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$
• Передача углерода по пищевым цепям. Углерод, включенный в органические соединения растений, передается дальше. Травоядные животные (консументы I порядка) получают его, поедая растения. Хищники (консументы II и высших порядков) — поедая других животных. Таким образом, углерод становится частью биомассы всех живых существ в экосистеме.
• Возвращение углерода в неживую природу. Углерод возвращается в атмосферу и гидросферу несколькими путями:
  • Дыхание: Абсолютно все живые организмы (включая растения) дышат. В процессе клеточного дыхания они расщепляют органические вещества для получения энергии, выделяя при этом $CO_2$.
    $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия}$
  • Разложение: После гибели организмов их останки разлагаются редуцентами — бактериями и грибами. В ходе этого процесса органический углерод также преобразуется в $CO_2$ и возвращается в атмосферу.

Геологический круговорот

Этот цикл протекает гораздо медленнее, в масштабах миллионов лет, и включает перемещение углерода с участием земной коры.

• Седиментация и образование ископаемого топлива. Часть мертвой органики (особенно в водной среде) не разлагается полностью, а оседает на дно. Раковины и скелеты морских организмов, состоящие из карбоната кальция ($CaCO_3$), также опускаются на дно. Со временем эти отложения превращаются в осадочные породы (известняк) и ископаемое топливо (уголь, нефть, природный газ), выводя углерод из активного оборота на очень долгий срок.
• Высвобождение геологического углерода. Углерод, «законсервированный» в литосфере, может возвращаться в атмосферу естественными путями, например, при извержениях вулканов (выбросы $CO_2$) или при химическом выветривании карбонатных пород.

Влияние человека на круговорот углерода

В современную эпоху деятельность человека стала мощной силой, нарушающей естественный баланс углерода.

• Сжигание ископаемого топлива: Использование угля, нефти и газа в промышленности, для производства энергии и на транспорте приводит к быстрому высвобождению огромных количеств $CO_2$, которые накапливались в недрах миллионы лет.
• Обезлесение: Масштабная вырубка и сжигание лесов лишает планету значительной части «зеленых легких», способных поглощать $CO_2$ в процессе фотосинтеза. Само сжигание древесины также является источником выбросов $CO_2$.
• Промышленное производство и сельское хозяйство: Производство цемента, некоторые виды химической промышленности и животноводство (выделение метана $CH_4$) также вносят существенный вклад в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере.

В результате антропогенного воздействия концентрация $CO_2$ в атмосфере стремительно растет, что усиливает парниковый эффект и является главной причиной современного глобального потепления.

Ответ: Круговорот углерода представляет собой совокупность процессов перемещения углерода между живой и неживой природой. Растения поглощают углекислый газ ($CO_2$) из атмосферы в процессе фотосинтеза, создавая органическое вещество. Это вещество передается по пищевым цепям животным. Углерод возвращается в атмосферу в результате дыхания всех живых организмов и разложения их останков микроорганизмами. Существует также медленный геологический цикл, в ходе которого углерод консервируется в осадочных породах и ископаемом топливе. Деятельность человека, в первую очередь сжигание ископаемого топлива, резко ускоряет выброс углерода в атмосферу, нарушая природный баланс и приводя к изменению климата.

2. В виде каких минеральных и органических соединений углерод содержится в земной коре; Мировом океане?

в земной коре

Углерод в земной коре (литосфере) находится в виде разнообразных минеральных и органических соединений. Эти соединения являются результатом геологических и биологических процессов, протекавших на протяжении миллионов лет.

Минеральные соединения:

Основная масса углерода в литосфере сосредоточена в карбонатных породах.

• Карбонаты: Наиболее распространенным является карбонат кальция ($CaCO_3$), который образует такие породы, как известняк, мел и мрамор. Также значительные запасы углерода содержатся в доломите ($CaMg(CO_3)_2$), магнезите ($MgCO_3$) и сидерите ($FeCO_3$).
• Самородный углерод: Встречается в виде двух аллотропных модификаций — алмаза и графита.
• Диоксид углерода ($CO_2$): Присутствует в свободном виде в вулканических газах, а также в виде включений в различных минералах.

Органические соединения:

Эта форма углерода образовалась из остатков живых организмов.

• Ископаемое топливо (каустобиолиты): Уголь (каменный и бурый), нефть, природный газ (главный компонент — метан, $CH_4$), горючие сланцы, торф. Эти вещества являются основным источником энергии для человечества.
• Гумус: Органическое вещество почвы, которое образуется в результате разложения растительных и животных остатков.
• Кероген: Рассеянное в осадочных породах органическое вещество, из которого при определенных условиях могут образовываться нефть и газ.

Ответ: В земной коре углерод содержится в виде минералов (в основном карбонаты, такие как $CaCO_3$ и $CaMg(CO_3)_2$; самородный углерод — алмаз и графит) и органических соединений (ископаемое топливо: уголь, нефть, природный газ; торф, гумус, кероген).

Мировом океане

Мировой океан является огромным резервуаром углерода, который активно участвует в глобальном углеродном цикле. Углерод в нем также представлен неорганическими и органическими формами.

Минеральные (неорганические) соединения:

Большая часть углерода в океане находится в растворенном неорганическом виде.

• Растворенный неорганический углерод (DIC): Эта система находится в химическом равновесии и включает в себя: растворенный в воде диоксид углерода ($CO_2 (aq)$), угольную кислоту ($H_2CO_3$), бикарбонат-ионы ($HCO_3^−$) и карбонат-ионы ($CO_3^{2−}$). Преобладающей формой являются бикарбонат-ионы.
• Карбонатные отложения: Многие морские организмы (кораллы, моллюски, фораминиферы, кокколитофориды) используют карбонат кальция ($CaCO_3$) для построения своих раковин и скелетов. После отмирания организмов их останки опускаются на дно, формируя мощные слои известняковых и меловых отложений.

Органические соединения:

Органический углерод в океане представлен живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности.

• Живая биомасса: Углерод — основа органических веществ (белков, липидов, углеводов) всех морских обитателей, от микроскопического фитопланктона до гигантских китов.
• Растворенное органическое вещество (DOM): Огромный пул сложных органических молекул, растворенных в морской воде. Образуется при разложении организмов и в результате их метаболизма.
• Взвешенное органическое вещество (POM): Включает отмершие организмы, их фрагменты, фекальные гранулы и агрегаты, известные как "морской снег", которые переносят углерод из поверхностных вод в глубину.

Ответ: В Мировом океане углерод содержится в виде растворенных неорганических соединений (в основном бикарбонат-ионы $HCO_3^−$), в составе карбонатных скелетов и раковин живых организмов и донных отложений ($CaCO_3$), а также в виде органических соединений: в живой биомассе, в растворенном и взвешенном органическом веществе.

3. В одной из двух склянок имеется раствор гидроксида натрия, в другой — карбоната натрия. Как распознать содержимое каждой склянки? Приведите уравнения реакций.

Решение

Для того чтобы распознать содержимое двух склянок, в одной из которых находится раствор гидроксида натрия ($NaOH$), а в другой — раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$), необходимо провести качественные реакции. Это реакции, которые сопровождаются хорошо заметным внешним эффектом (выделение газа, выпадение осадка, изменение цвета) и позволяют однозначно идентифицировать вещество. Поскольку оба раствора имеют щелочную среду, использование обычных индикаторов, таких как лакмус или фенолфталеин, не поможет их различить, так как оба дадут щелочную реакцию. Рассмотрим два надёжных способа распознавания.

Способ 1. Действие сильной кислотой

Этот способ основан на том, что карбонаты реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа, а щёлочи вступают в реакцию нейтрализации без видимых признаков.

Проведение опыта: Из каждой склянки отбираем в отдельные пробирки небольшие пробы растворов. Затем в каждую пробирку осторожно приливаем раствор сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$).

Наблюдения:

• В пробирке, содержащей карбонат натрия, начнется бурное выделение пузырьков бесцветного газа без запаха (углекислого газа).
• В пробирке с гидроксидом натрия никаких видимых изменений (газа или осадка) не произойдет.

Уравнения реакций:

Реакция с карбонатом натрия:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Реакция с гидроксидом натрия (нейтрализация):

$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

Ответ: Склянка, при добавлении кислоты к содержимому которой наблюдается выделение газа, содержит раствор карбоната натрия. Соответственно, в другой склянке находится раствор гидроксида натрия.

Способ 2. Действие растворимой солью бария или кальция

Этот способ основан на различной растворимости солей. Карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) образует нерастворимые осадки с ионами бария ($Ba^{2+}$) и кальция ($Ca^{2+}$), в то время как гидроксиды бария и кальция растворимы в воде (гидроксид кальция — малорастворим, но в данных условиях осадок обычно не выпадает).

Проведение опыта: Из каждой склянки отбираем в отдельные пробирки пробы растворов. Затем в каждую пробирку добавляем несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$) или хлорида кальция ($CaCl_2$).

Наблюдения:

• В пробирке с раствором карбоната натрия немедленно выпадет белый осадок (карбонат бария или карбонат кальция).
• В пробирке с раствором гидроксида натрия видимых изменений не произойдет.

Уравнения реакций (на примере хлорида бария):

Реакция с карбонатом натрия:

$Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Реакция с гидроксидом натрия:

$2NaOH + BaCl_2 \rightarrow Ba(OH)_2 + 2NaCl$ (осадок не образуется)

Ответ: Склянка, при добавлении к содержимому которой раствора соли бария или кальция выпадает белый осадок, содержит раствор карбоната натрия. В другой склянке — раствор гидроксида натрия.

4. Напишите уравнения реакций, соответствующие схеме:

$C \rightarrow CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \rightarrow CO_2$

Решение

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо написать уравнения для каждой стадии.

1. C → CO₂

Первое превращение — это получение диоксида углерода (углекислого газа) из простого вещества углерода. Этого можно достичь путем сжигания угля в избытке кислорода. Реакция протекает при нагревании.

Ответ: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$.

2. CO₂ → Na₂CO₃

Второе превращение — получение карбоната натрия из диоксида углерода. Так как диоксид углерода является кислотным оксидом, он реагирует со щелочами, например, с гидроксидом натрия, с образованием соли и воды.

Ответ: $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$.

3. Na₂CO₃ → CaCO₃

Третье превращение — получение карбоната кальция из карбоната натрия. Это реакция ионного обмена. К раствору карбоната натрия необходимо добавить раствор какой-либо растворимой соли кальция, например, хлорида кальция. В результате реакции выпадает нерастворимый осадок карбоната кальция.

Ответ: $Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$.

4. CaCO₃ → CO₂

Четвертое превращение — получение диоксида углерода из карбоната кальция. Это можно осуществить двумя распространенными способами: термическим разложением карбоната кальция при сильном нагревании или действием сильной кислоты (например, соляной), которая вытесняет более слабую угольную кислоту из её соли.

Ответ: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$ (термическое разложение) или $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$ (реакция с кислотой).

5. Схемы реакций, происходящих в процессе круговорота углерода, имеют вид:

$CO_2 \to O_2 \to CO_2 \to Ca(HCO_3)_2 \to CaCO_3 \to CO_2$.

Напишите уравнения реакций, соответствующие этим схемам.

Решение

Ниже приведены уравнения химических реакций, соответствующие каждому этапу в представленной схеме круговорота углерода.

1. $CO_2 \rightarrow O_2$

Данное превращение является ключевым процессом фотосинтеза. В зелёных растениях и некоторых микроорганизмах под действием солнечного света углекислый газ и вода преобразуются в органические вещества (например, глюкозу) и кислород.

Ответ: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu, \text{хлорофилл}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

2. $O_2 \rightarrow CO_2$

Это обратный процесс, который происходит при дыхании живых организмов или при горении. Например, при сжигании ископаемого топлива или простого углерода (угля) в кислороде образуется диоксид углерода.

Ответ: $C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$

3. $CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Это превращение происходит в природе, когда дождевая вода, содержащая растворенный углекислый газ, просачивается через известняковые породы (карбонат кальция). В результате образуется растворимый гидрокарбонат кальция, что приводит к образованию карстовых пещер и временной жёсткости воды.

Ответ: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

4. $Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3$

Гидрокарбонат кальция является термически неустойчивым соединением. При нагревании его раствора или при испарении воды он разлагается, образуя нерастворимый карбонат кальция (который выпадает в осадок), воду и углекислый газ. Так формируются сталактиты и сталагмиты в пещерах, а также накипь в чайниках.

Ответ: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

5. $CaCO_3 \rightarrow CO_2$

Получить углекислый газ из карбоната кальция можно двумя основными способами: термическим разложением (промышленный обжиг известняка) или действием сильных кислот (естественный процесс выветривания под действием кислотных дождей или лабораторный метод).

Вариант 1: Термическое разложение

Ответ: $CaCO_3 \xrightarrow{850-900 ^\circ C} CaO + CO_2 \uparrow$

Вариант 2: Реакция с кислотой

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