Страница 187 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Составьте кроссворд на тему «Неметаллы».

Кроссворд «Неметаллы»

По горизонтали:

1. Газ, составляющий около 78% объёма земной атмосферы, его название переводится с греческого как "безжизненный".
2. Неметалл, название которого означает "светоносный", его белая аллотропная модификация светится в темноте.
3. Единственный жидкий при нормальных условиях неметалл, относящийся к галогенам.
4. Твердое вещество, самая известная аллотропная модификация углерода, являющееся эталоном твёрдости.

По вертикали:

5. Газ, необходимый для дыхания, самый распространенный химический элемент в земной коре.
6. Желтое кристаллическое вещество, известное с древности, используется для вулканизации каучука и производства серной кислоты.
7. Основа полупроводниковой промышленности и второй по распространенности элемент в земной коре.
8. Аллотропная модификация кислорода, образующая защитный слой в стратосфере Земли и обладающая характерным запахом свежести.

Решение (заполненный кроссворд):

Ответ:

• По горизонтали: 1. Азот. 2. Кремний (перенумеровано для соответствия сетке). 3. Озон (перенумеровано). 4. Алмаз.
• По вертикали: 5. Кислород. 6. Сера. 7. Кремний (пересечение). 8. Озон (пересечение).

Ответ (согласно сетке):

• По горизонтали: 1. Азот. 4. Алмаз. 7. Кремний.
• По вертикали: 5. Кислород. 6. Сера. 8. Озон.

2. Используя справочную литературу и ресурсы Интернета, найдите названия и изображения минералов, состав которых соответствует формуле $SO_2$.

В задании требуется найти названия и изображения минералов, состав которых соответствует химической формуле $SO_2$.

Следует отметить, что диоксид серы ($SO_2$), или сернистый газ, при стандартных атмосферных условиях на Земле является газом. Минерал по определению — это твёрдое природное тело с кристаллической структурой. Таким образом, в земных условиях минерал, состоящий исключительно из $SO_2$, не образуется. Твердый диоксид серы (лёд) может существовать при очень низких температурах (ниже –72 °C) и в таком виде встречается, например, на вулканически активном спутнике Юпитера Ио. В рамках планетологии такое образование можно считать минералом.

Наиболее вероятно, что в условии задачи содержится опечатка и имелся в виду диоксид кремния, формула которого $SiO_2$. Это одно из самых распространенных соединений в земной коре, которое образует множество известных минералов.

Ниже приведены основные минералы и их разновидности, имеющие состав $SiO_2$.

Кварц

Кварц — широко распространенный минерал, кристаллическая модификация диоксида кремния. Он обладает высокой твердостью и химической стойкостью. Существует множество разновидностей кварца, которые ценятся как драгоценные и поделочные камни.

• Горный хрусталь — бесцветная и полностью прозрачная разновидность кварца.

  

• Аметист — фиолетовая разновидность кварца. Окраска обусловлена примесями железа.

  

• Цитрин — разновидность кварца от светло-лимонного до янтарно-медового цвета.

  

• Розовый кварц — полупрозрачный кварц нежно-розового цвета.

  

• Раухтопаз (дымчатый кварц) — кварц серого, дымчатого или коричневого цвета.

  

Халцедон

Халцедон — это скрытокристаллическая (состоящая из очень мелких кристаллов) разновидность диоксида кремния. Он имеет волокнистое строение и часто бывает полупрозрачным.

• Агат — слоисто-полосатая разновидность халцедона. Слои могут быть разного цвета, создавая уникальные узоры.

  

• Сердолик (карнеол) — халцедон красновато-оранжевых и желто-бурых оттенков.

  

Опал

Опал — это аморфный минералоид, который представляет собой гидрат диоксида кремния ($SiO_2 \cdot nH_2O$). Хотя его формула содержит воду, его относят к кремнезёмам. Благородные опалы ценятся за опалесценцию — радужную игру света.

Ответ: На Земле не существует минерала с точной формулой $SO_2$, так как это соединение является газом при нормальных условиях. Вероятно, в задании допущена опечатка, и имелся в виду диоксид кремния ($SiO_2$). Минералы, соответствующие формуле $SiO_2$, очень многочисленны. Основные из них: кварц (и его разновидности: горный хрусталь, аметист, цитрин, розовый кварц, раухтопаз), халцедон (и его разновидности: агат, сердолик) и опал (являющийся гидратом диоксида кремния).

3. Предложите способ определения наличия в кварцевой породе примеси карбонатов.

Для определения наличия примесей карбонатов в кварцевой породе следует использовать их характерное химическое свойство — реакцию с кислотами. Кварц, являясь диоксидом кремния ($SiO_2$), химически стоек и не реагирует с большинством сильных кислот (кроме плавиковой). Карбонаты же (например, карбонат кальция $CaCO_3$, являющийся основой известняка и мрамора) при взаимодействии с кислотами разлагаются с выделением углекислого газа.

Предлагаемый способ заключается в следующем. На небольшой образец исследуемой породы (для лучшего результата его можно предварительно измельчить, чтобы увеличить площадь контакта) необходимо капнуть несколько капель сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или уксусной ($CH_3COOH$).

Если в породе содержатся карбонаты, начнется видимая реакция, сопровождающаяся шипением и выделением пузырьков газа. Это происходит из-за образования углекислого газа ($CO_2$) в результате реакции. Например, для карбоната кальция и соляной кислоты реакция выглядит так:

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

Если же образец представляет собой чистый кварц без карбонатных примесей, то при добавлении кислоты никаких видимых изменений (шипения) не произойдет. Таким образом, наличие "вскипания" при контакте с кислотой является качественным признаком присутствия карбонатных примесей.

Ответ: Следует обработать образец породы раствором сильной или уксусной кислоты. Появление шипения (выделение пузырьков углекислого газа) будет свидетельствовать о наличии в породе примесей карбонатов. Если реакции не наблюдается, значит, карбонаты отсутствуют.

4. Найдите в литературе и Интернете информацию о том, когда йодную настойку впервые начали использовать в медицине.

История использования иодной настойки в медицине начинается вскоре после открытия самого элемента иода и проходит в несколько этапов.

Открытие иода и первые медицинские применения

Элемент иод был открыт в 1811 году французским химиком Бернаром Куртуа. Практически сразу началось изучение его свойств. Уже в 1820 году швейцарский врач Жан-Франсуа Куанде установил, что иод является эффективным средством для лечения зоба — заболевания, связанного с увеличением щитовидной железы. Это было первое задокументированное применение иода в медицине, хотя в то время использовались водные растворы, а не спиртовая настойка.

Появление иодной настойки как антисептика

Использование спиртового раствора иода, то есть иодной настойки, в качестве антисептика для обеззараживания ран началось несколько позже. Ключевым моментом в истории ее применения стал 1839 год, когда французский хирург Буанэ (Boinet) впервые сообщил об успешном применении именно спиртовой настойки иода для лечения ран и инфекций.

Значительный вклад в распространение этого метода внес великий русский хирург Николай Иванович Пирогов. В 1854–1855 годах, во время Крымской войны, он широко и успешно применял иодную настойку для обработки огнестрельных ран на поле боя. Он на практике доказал, что это значительно снижает риск развития гангрены и других гнойных осложнений. Благодаря Пирогову иодная настойка стала одним из первых эффективных антисептиков в военно-полевой хирургии, опередив знаменитые работы Джозефа Листера по применению карболовой кислоты.

Окончательное признание в качестве стандартного хирургического антисептика иодная настойка получила в 1908 году. Итальянский хирург Антонио Гроссич предложил использовать ее для дезинфекции кожи операционного поля перед хирургическим вмешательством. Метод показал высочайшую эффективность, и эта практика быстро распространилась по всему миру, став «золотым стандартом» в хирургии на многие десятилетия.

Таким образом, хотя первые попытки применения иодной настойки для лечения ран относятся к 1830-м годам, её широкое и системное использование в качестве антисептика связано с работами Н. И. Пирогова в середине XIX века, а в качестве средства для подготовки к операциям — с началом XX века.

Ответ:

Иодную настойку (спиртовой раствор иода) впервые начали применять в качестве антисептика для лечения ран в 1830-х годах (первое документальное свидетельство — французский хирург Буанэ, 1839 г.). Широкое применение в военно-полевой хирургии она получила благодаря русскому хирургу Н. И. Пирогову во время Крымской войны (1854–1855 гг.). В качестве стандартного средства для предоперационной обработки кожи иодная настойка стала использоваться повсеместно с 1908 года по предложению итальянского хирурга А. Гроссича.

5. Что может произойти с газообразным хлором, если он случайно попадёт в окружающую среду? Составьте краткий рассказ на эту тему.

Представим себе аварию на химическом предприятии или при транспортировке: из поврежденной цистерны вырывается газообразный хлор ($Cl_2$). Это не просто невидимый газ. В воздухе образуется тяжелое, желтовато-зеленое облако с резким, удушливым запахом, напоминающим запах хлорки. Поскольку хлор примерно в 2.5 раза тяжелее воздуха, он не улетает вверх, а стелется по земле, заполняя низины, подвалы и первые этажи зданий, что делает эвакуацию особенно сложной.

Попадая в окружающую среду, хлор начинает активно взаимодействовать с влагой, которая есть повсюду: в воздухе, в почве, на поверхности растений. В результате этой реакции образуются соляная ($HCl$) и хлорноватистая ($HClO$) кислоты:

$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$

Эти кислоты губительны для всего живого. Листья деревьев и трава на пути облака быстро желтеют и засыхают, получая сильный химический ожог. Хлорноватистая кислота, являясь сильным окислителем, обесцвечивает растительные пигменты. Экосистема получает серьезный урон: гибнут растения, насекомые, а при попадании в водоемы хлор и продукты его реакции отравляют водную флору и фауну.

Для человека и животных хлор смертельно опасен. При вдыхании он вызывает резкое раздражение и ожог слизистых оболочек дыхательных путей. Начинается мучительный кашель, удушье, боль в груди. При высоких концентрациях развивается отек легких, который может привести к смерти. Даже если человек выживает, последствия для здоровья могут быть очень тяжелыми.

Таким образом, случайный выброс хлора в атмосферу — это серьезная техногенная катастрофа с тяжелыми последствиями для экологии и здоровья людей.

Ответ: Случайное попадание газообразного хлора в окружающую среду приводит к образованию ядовитого, стелющегося по земле облака, которое при взаимодействии с влагой образует кислоты. Это вызывает химические ожоги и гибель растений, отравление животных и тяжелейшее поражение дыхательных путей у людей, вплоть до летального исхода.

6. Человек при дыхании расходует около 20 л кислорода и выделяет около 20 л углекислого газа в час. Оцените, какое время можно находиться в непроветриваемой комнате объёмом $50 \text{ м}^3$ без угрозы для здоровья.

Дано:

Скорость потребления кислорода: $v_{O_2} \approx 20 \text{ л/ч} = 20 \times 10^{-3} \text{ м}^3\text{/ч}$

Скорость выделения углекислого газа: $v_{CO_2} \approx 20 \text{ л/ч} = 20 \times 10^{-3} \text{ м}^3\text{/ч}$

Объем комнаты: $V_{комнаты} = 50 \text{ м}^3$

Найти:

$t$ - время безопасного нахождения в комнате.

Решение:

Чтобы оценить время, в течение которого можно безопасно находиться в непроветриваемой комнате, необходимо определить, какой из двух факторов станет критическим раньше: снижение концентрации кислорода ($O_2$) до опасного уровня или повышение концентрации углекислого газа ($CO_2$) до опасного уровня.

Для этого сделаем следующие допущения, основанные на общеизвестных фактах:

• Нормальный состав атмосферного воздуха: около 21% кислорода, 0.04% углекислого газа и 78% азота.
• Безопасный для здоровья уровень кислорода — не ниже 18%.
• Предельно допустимая концентрация углекислого газа, при которой не возникает угрозы для здоровья при длительном нахождении — около 0.5%.

Сначала переведем объем комнаты в литры: $V_{комнаты} = 50 \text{ м}^3 = 50 \times 1000 \text{ л} = 50000 \text{ л}$.

Теперь рассмотрим каждый фактор отдельно.

1. Расчет по снижению концентрации кислорода ($O_2$)

Начальный объем кислорода в комнате:

$V_{O_2, нач} = V_{комнаты} \times 0.21 = 50000 \text{ л} \times 0.21 = 10500 \text{ л}$

Критический объем кислорода (при концентрации 18%):

$V_{O_2, крит} = V_{комнаты} \times 0.18 = 50000 \text{ л} \times 0.18 = 9000 \text{ л}$

Объем кислорода, который может быть израсходован без угрозы для здоровья:

$\Delta V_{O_2} = V_{O_2, нач} - V_{O_2, крит} = 10500 \text{ л} - 9000 \text{ л} = 1500 \text{ л}$

Время, за которое будет израсходован этот объем кислорода:

$t_{O_2} = \frac{\Delta V_{O_2}}{v_{O_2}} = \frac{1500 \text{ л}}{20 \text{ л/ч}} = 75 \text{ часов}$

2. Расчет по повышению концентрации углекислого газа ($CO_2$)

Начальный объем углекислого газа в комнате:

$V_{CO_2, нач} = V_{комнаты} \times 0.0004 = 50000 \text{ л} \times 0.0004 = 20 \text{ л}$

Критический объем углекислого газа (при концентрации 0.5%):

$V_{CO_2, крит} = V_{комнаты} \times 0.005 = 50000 \text{ л} \times 0.005 = 250 \text{ л}$

Объем углекислого газа, который может накопиться в комнате до достижения критического уровня:

$\Delta V_{CO_2} = V_{CO_2, крит} - V_{CO_2, нач} = 250 \text{ л} - 20 \text{ л} = 230 \text{ л}$

Время, за которое накопится этот объем углекислого газа:

$t_{CO_2} = \frac{\Delta V_{CO_2}}{v_{CO_2}} = \frac{230 \text{ л}}{20 \text{ л/ч}} = 11.5 \text{ часов}$

Вывод

Сравнивая полученные значения времени, видим, что $t_{CO_2} (11.5 \text{ ч}) \ll t_{O_2} (75 \text{ ч})$. Это означает, что концентрация углекислого газа достигнет опасного для здоровья уровня гораздо раньше, чем концентрация кислорода упадет до критической отметки. Таким образом, именно накопление $CO_2$ является лимитирующим фактором.

Ответ: В непроветриваемой комнате объемом 50 м³ можно находиться без угрозы для здоровья примерно 11.5 часов.

7. Используя информационные ресурсы, установите, сколько сернистого газа попадает в атмосферу из природных источников, а сколько — в результате деятельности человека.

Сернистый газ, или диоксид серы ($SO_2$), попадает в атмосферу из двух основных типов источников: природных и антропогенных (связанных с деятельностью человека). Соотношение их вкладов в общее загрязнение атмосферы является ключевым показателем влияния цивилизации на окружающую среду.

Природные источники

Основным естественным источником сернистого газа являются вулканические извержения, при которых в атмосферу выбрасываются огромные объемы этого соединения. К другим природным источникам относятся лесные пожары, а также биологические процессы разложения органики и окисление сероводорода ($H_2S$), выделяемого океанами и почвой. По различным научным оценкам, суммарный вклад природных источников в годовые выбросы $SO_2$ составляет от 20 до 40 миллионов тонн.

Антропогенные источники

Деятельность человека является доминирующим источником выбросов сернистого газа. Общий объем антропогенных выбросов $SO_2$ в мире оценивается примерно в 100–110 миллионов тонн в год, что составляет около 70-80% от общего количества. Основными источниками, связанными с деятельностью человека, являются:

• Сжигание ископаемого топлива, в первую очередь угля и мазута с высоким содержанием серы, на тепловых электростанциях, в котельных и на промышленных предприятиях.
• Металлургическая промышленность, в частности, обжиг сульфидных руд при производстве цветных металлов (меди, свинца, никеля, цинка).
• Нефтепереработка и химическая промышленность, например, производство серной кислоты.

Хотя в развитых странах Европы и Северной Америки объемы выбросов $SO_2$ значительно сократились благодаря внедрению технологий очистки и использованию более чистого топлива, глобальные выбросы остаются высокими из-за роста промышленности в странах Азии.

Ответ: Ежегодно в атмосферу из природных источников (преимущественно вулканов) поступает около 20–40 миллионов тонн сернистого газа ($SO_2$), в то время как в результате деятельности человека (в основном от сжигания ископаемого топлива) — примерно 100–110 миллионов тонн. Таким образом, антропогенные источники являются преобладающими.

8. Какова основная область применения серной кислоты? На что расходуется наибольшее её количество?

Серная кислота ($H_2SO_4$) — одно из важнейших веществ в химической промышленности, объемы ее производства и потребления настолько велики, что ее часто называют «хлебом» химической промышленности. Спектр её применения очень широк.

Основной областью применения серной кислоты является производство минеральных удобрений. На эту отрасль приходится более половины (около 60%) всего мирового производства $H_2SO_4$.

Наибольшее количество серной кислоты расходуется на переработку природных фосфатов (апатитов и фосфоритов) для получения фосфорных удобрений. В ходе этого процесса нерастворимые фосфаты переводятся в растворимые, доступные для питания растений формы. Основной реакцией является получение простого суперфосфата:

$Ca_3(PO_4)_2 \text{ (фосфорит)} + 2H_2SO_4 \rightarrow Ca(H_2PO_4)_2 \text{ (суперфосфат)} + 2CaSO_4$

Также серная кислота используется для получения других видов удобрений, например, сульфата аммония (азотно-серное удобрение):

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

Хотя производство удобрений является главным потребителем, серная кислота также играет ключевую роль в других отраслях:

• Химический синтез: получение других кислот (соляной, фосфорной, борной), солей, красителей, лекарственных препаратов, моющих средств, синтетических волокон (например, вискозы).
• Металлургия: травление (очистка) поверхности металлов перед нанесением покрытий; извлечение металлов (урана, меди, цинка, никеля) из руд (гидрометаллургия).
• Нефтепереработка: очистка нефтепродуктов (бензина, керосина, масел) от вредных примесей.
• Прочее: использование в качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах, как осушитель газов и жидкостей в лабораториях и промышленности, в производстве взрывчатых веществ.

Таким образом, несмотря на широкий спектр применения, доминирующей сферой, потребляющей наибольшее количество серной кислоты, остается агропромышленный комплекс.

Ответ: Основная область применения серной кислоты — производство минеральных удобрений. Наибольшее её количество расходуется на переработку природных фосфатов для получения фосфорных удобрений (в первую очередь, суперфосфата).

9. Азот входит в состав атмосферы не только Земли, но и ещё нескольких планет Солнечной системы, и даже одного из их спутников. Назовите их.

Азот ($N_2$), являющийся основным компонентом земной атмосферы (около 78%), также присутствует в газовых оболочках нескольких других планет и как минимум одного спутника в Солнечной системе.

К планетам, в атмосфере которых содержится азот, относятся:

• Венера: её очень плотная атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа, содержит около 3,5% азота.
• Марс: в разреженной атмосфере красной планеты доля азота составляет примерно 2,6%.
• Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун): в их атмосферах, где преобладают водород и гелий, азот присутствует в основном в виде соединений, таких как аммиак ($NH_3$), а также в следовых количествах в молекулярной форме.
• Плутон: хотя эта карликовая планета имеет очень разреженную атмосферу, она более чем на 98% состоит из азота.

Спутником, который обладает значительной азотной атмосферой, является:

• Титан: крупнейший спутник Сатурна. Он примечателен наличием плотной атмосферы, давление у поверхности которой в 1,5 раза превышает земное. Эта атмосфера на 95–98% состоит из азота. Это самый известный пример и, скорее всего, именно он имеется в виду в вопросе.

Кроме Титана, разреженная атмосфера, состоящая преимущественно из азота, также обнаружена у Тритона, крупнейшего спутника Нептуна.

Ответ: Планеты: Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Спутник: Титан (спутник Сатурна). Также азот является основным компонентом атмосферы карликовой планеты Плутон и спутника Нептуна - Тритона.

10. Аммиак — второе после серной кислоты по объёму промышленного производства вещество: ежегодно в мире получают 140 млн т аммиака. На какие цели расходуется такое огромное количество аммиака?

Огромные объемы производства аммиака ($NH_3$) обусловлены его широчайшим применением в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Аммиак является ключевым источником азота для множества химических синтезов. Основные цели расходования аммиака следующие:

Производство азотных удобрений. Это основная и самая масштабная сфера применения аммиака, на которую приходится около 80% всего мирового производства. Азот — жизненно важный элемент для роста и развития растений. Аммиак используется как в чистом виде (безводный аммиак), так и в качестве сырья для производства твердых и жидких азотных удобрений, таких как аммиачная селитра (нитрат аммония, $NH_4NO_3$), карбамид (мочевина, $(NH_2)_2CO$), сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$) и фосфаты аммония.

Производство азотной кислоты. Значительная часть производимого аммиака идет на синтез азотной кислоты ($HNO_3$) по методу Оствальда. Азотная кислота, в свою очередь, является важным реагентом для получения тех же аммиачных удобрений (нитрата аммония), а также взрывчатых веществ, красителей и полимеров.

Промышленный хладагент. Благодаря высокой теплоте испарения, жидкий аммиак является эффективным и дешевым хладагентом (R717). Он широко используется в крупных промышленных холодильных установках на предприятиях пищевой промышленности, складах и ледовых аренах.

Производство взрывчатых веществ. Аммиак является исходным сырьем для производства многих промышленных и военных взрывчатых веществ. Через азотную кислоту из него получают нитроглицерин, тротил, а также аммиачную селитру, которая является основой для взрывчатых смесей.

Производство полимеров и синтетических волокон. Аммиак служит сырьем в производстве капролактама и адипонитрила — мономеров для синтеза полиамидных волокон (капрона и нейлона). Также он используется в производстве полиуретанов.

Другие области применения. Аммиак также используется в производстве соды (метод Сольве), в виде водного раствора (нашатырный спирт) как чистящее средство, в медицине для синтеза лекарств, в текстильной промышленности для обработки тканей, а также для очистки промышленных выбросов от оксидов серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$).

Ответ: Огромное количество производимого аммиака расходуется в первую очередь на производство азотных удобрений (около 80% всего объема), что необходимо для обеспечения продовольственной безопасности в мире. Другими важными направлениями использования являются производство азотной кислоты, взрывчатых веществ, полимеров (например, нейлона), а также его применение в качестве промышленного хладагента и в производстве чистящих средств.