Страница 223 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. В каком виде в земной коре встречаются соединения железа? Назовите 3–4 минерала.

Железо является одним из самых распространенных химических элементов в земной коре. Ввиду своей высокой химической активности оно встречается преимущественно в виде соединений, образуя многочисленные минералы. В самородном виде (чистое железо) оно встречается крайне редко, в основном в составе метеоритов.

Соединения железа в земной коре представлены главным образом:

• Оксидами и гидроксидами: это наиболее важная группа железосодержащих минералов, служащих основной рудой для получения железа.
• Сульфидами: соединения железа с серой.
• Карбонатами: соли угольной кислоты.
• Силикатами: соли кремниевых кислот, входят в состав многих породообразующих минералов.

Вот 4 распространенных минерала, содержащих железо:

1. Гематит (красный железняк) — оксид железа(III). Это основной компонент большинства железных руд. Химическая формула: $Fe_2O_3$.
2. Магнетит (магнитный железняк) — смешанный оксид железа(II, III), обладающий сильными магнитными свойствами. Химическая формула: $Fe_3O_4$.
3. Пирит (железный или серный колчедан) — дисульфид железа. Из-за своего золотистого цвета и металлического блеска его часто называют «золотом дураков». Химическая формула: $FeS_2$.
4. Сидерит (железный шпат) — карбонат железа(II). Химическая формула: $FeCO_3$.

Ответ: В земной коре железо встречается в связанном виде в составе различных минералов, преимущественно в виде оксидов, сульфидов и карбонатов. Примеры 4 минералов: гематит ($Fe_2O_3$), магнетит ($Fe_3O_4$), пирит ($FeS_2$), сидерит ($FeCO_3$).

2. Что называют сталью; чугуном?

Сталь

Сталь — это сплав железа ($Fe$) с углеродом ($C$), содержание которого не превышает 2,14%. Кроме углерода, в состав стали могут входить и другие элементы (легирующие добавки), такие как марганец ($Mn$), кремний ($Si$), хром ($Cr$), никель ($Ni$) и другие, которые вводятся для придания сплаву определённых свойств. Ключевым отличием стали от чугуна является её пластичность и ковкость. Благодаря этим свойствам сталь хорошо поддаётся обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке, волочению. Это позволяет изготавливать из неё широкий ассортимент изделий — от тонкого листа и проволоки до сложных конструкционных элементов. В зависимости от химического состава и назначения стали классифицируют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами (например, нержавеющие, жаропрочные).

Ответ: Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором массовая доля углерода не превышает 2,14%.

Чугун

Чугун — это сплав железа ($Fe$) с углеродом ($C$), в котором содержание углерода составляет более 2,14% (обычно находится в диапазоне от 2,14% до 4,3%). Высокое содержание углерода придаёт чугуну специфические свойства. В отличие от стали, он является хрупким материалом и не поддаётся обработке давлением в нагретом состоянии. Однако чугун обладает превосходными литейными качествами: он имеет более низкую температуру плавления по сравнению со сталью и хорошую текучесть, что позволяет отливать из него детали сложной формы. В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплаве (в виде карбида железа — цементита, или в виде свободного графита), различают белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугун широко используется для производства массивных деталей, работающих на сжатие и не испытывающих ударных нагрузок: станины станков, блоки цилиндров, тормозные барабаны, радиаторы отопления.

Ответ: Чугуном называют сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода превышает 2,14%, характеризующийся хорошими литейными свойствами, но повышенной хрупкостью.

3. Как по свойствам отличаются чугун и сталь; отпущенная и закалённая сталь?

Как по свойствам отличаются чугун и сталь

Чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом, но ключевое различие между ними заключается в содержании углерода, что коренным образом влияет на их свойства.

• Содержание углерода: В стали содержание углерода не превышает 2,14%, в то время как в чугуне оно составляет от 2,14% до 6,67%.
• Пластичность и ковкость: Сталь пластична, её можно ковать, прокатывать и вытягивать. Чугун, напротив, хрупок и не поддается ковке — при ударе он не деформируется, а ломается.
• Твёрдость и прочность: Чугун твёрже стали, но при этом более хрупкий. Сталь обладает высокой прочностью на разрыв, в то время как чугун хорошо работает на сжатие.
• Температура плавления: У чугуна температура плавления ниже (около 1150–1250 °C), чем у стали (около 1450–1520 °C). Это делает чугун более текучим и удобным для литья сложных форм.
• Свариваемость: Большинство сталей хорошо свариваются, в то время как сварка чугуна является сложным технологическим процессом из-за его хрупкости и склонности к образованию трещин.

Ответ: Основное отличие в содержании углерода: в стали его меньше (до 2,14%), в чугуне — больше (свыше 2,14%). Из-за этого сталь пластичная, прочная на разрыв и хорошо сваривается, а чугун — твёрдый, хрупкий, но отлично подходит для литья и хорошо работает на сжатие.

Как по свойствам отличаются отпущенная и закалённая сталь

Закалённая и отпущенная сталь — это результат разных этапов термической обработки одной и той же стали, направленной на получение заданных механических свойств.

• Закалённая сталь: Это сталь, которую нагрели до высокой температуры (выше критической точки) и затем резко охладили (в воде, масле или на воздухе). Этот процесс называется закалкой.
  • Свойства: В результате закалки сталь приобретает структуру мартенсита. Она становится очень твёрдой, прочной, износостойкой, но при этом очень хрупкой и имеет высокие внутренние напряжения. Использовать её в таком состоянии для деталей, испытывающих ударные нагрузки, опасно.
• Отпущенная сталь: Это закалённая сталь, которую после закалки подвергли дополнительному нагреву до более низкой температуры (ниже критической точки, обычно 150–650 °C) с последующим охлаждением. Этот процесс называется отпуском.
  • Свойства: Отпуск снимает внутренние напряжения и уменьшает хрупкость. Твёрдость несколько снижается, но при этом значительно возрастают пластичность и ударная вязкость. Конечные свойства зависят от температуры отпуска: чем она выше, тем меньше твёрдость и больше пластичность.

Таким образом, отпуск является обязательной операцией после закалки для большинства деталей, чтобы придать им необходимое сочетание твёрдости и вязкости.

Ответ: Закалённая сталь — очень твёрдая, но хрупкая. Отпущенная сталь (полученная из закалённой путём дополнительного нагрева) менее твёрдая, но зато значительно более пластичная, вязкая и менее хрупкая, что делает её пригодной для практического применения.

4. Как из железа получить хлорид железа(II); хлорид железа(III)? Напишите уравнения реакций.

Для получения хлоридов железа(II) и железа(III) из металлического железа необходимо провести реакции с разными реагентами, так как от силы окислителя будет зависеть степень окисления железа в продукте реакции.

Получение хлорида железа(II)

Хлорид железа(II) ($FeCl_2$) можно получить в результате реакции металлического железа с соляной кислотой ($HCl$). Железо, будучи более активным металлом, чем водород, вытесняет его из кислоты. В данном случае ионы водорода ($H^+$) выступают в качестве окислителя, но их окислительной способности достаточно лишь для того, чтобы окислить железо до степени окисления +2.

Уравнение реакции:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

Ответ: Для получения хлорида железа(II) необходимо провести реакцию железа с соляной кислотой. Уравнение реакции: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$.

Получение хлорида железа(III)

Хлорид железа(III) ($FeCl_3$) получают при взаимодействии железа с более сильным окислителем, таким как газообразный хлор ($Cl_2$). Реакция протекает при нагревании, железо сгорает в токе хлора. Молекулярный хлор является сильным окислителем и окисляет железо до его высшей устойчивой степени окисления +3.

Уравнение реакции:

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$

Ответ: Для получения хлорида железа(III) необходимо провести реакцию железа с газообразным хлором при нагревании. Уравнение реакции: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$.

5. Предложите химический способ очистки железа от ржавчины.

Решение

Химический способ очистки железа от ржавчины основан на реакции кислот с оксидами и гидроксидами металлов, из которых в основном и состоит ржавчина. Ржавчина — это сложная смесь, включающая в себя гидратированный оксид железа(III) ($Fe_2O_3 \cdot nH_2O$) и гидроксид железа(III) ($Fe(OH)_3$). Эти соединения обладают основными свойствами и вступают в реакцию с кислотами, образуя соли, которые, как правило, хорошо растворимы в воде и легко удаляются.

В качестве реагента можно использовать растворы различных кислот:

1. Сильные неорганические кислоты. Например, раствор соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$) кислоты. Они эффективно растворяют ржавчину. Реакция с основным компонентом ржавчины, оксидом железа(III), выглядит следующим образом:

$Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$

Недостатком этого метода является то, что кислота также реагирует и с самим металлическим железом, вызывая его коррозию и разрушение:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

Чтобы минимизировать повреждение металлического изделия, в раствор кислоты добавляют ингибиторы коррозии (например, уротропин). Ингибитор замедляет реакцию кислоты с металлом, но не влияет на скорость растворения ржавчины.

2. Ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$). Это один из самых распространенных и эффективных способов. Ортофосфорная кислота не только удаляет ржавчину, но и вступает в реакцию с поверхностью железа, образуя прочную, нерастворимую пленку фосфата железа. Эта пленка защищает металл от дальнейшего контакта с кислородом и влагой, предотвращая повторное появление коррозии. Этот процесс называется пассивацией.

$Fe_2O_3 + 2H_3PO_4 \rightarrow 2FePO_4 \downarrow + 3H_2O$

3. Органические кислоты. Растворы лимонной ($C_6H_8O_7$) или щавелевой ($H_2C_2O_4$) кислоты также могут быть использованы. Они действуют как хелатирующие агенты, образуя с ионами железа(III) устойчивые растворимые комплексные соединения, которые легко смываются водой.

Ответ: Для химической очистки железа от ржавчины можно обработать его поверхность раствором кислоты. Наиболее эффективным и щадящим методом является использование ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$), которая не только растворяет ржавчину (оксиды и гидроксиды железа), но и создает на металлической поверхности прочный защитный слой фосфата железа, предотвращающий дальнейшую коррозию. Также можно использовать растворы сильных кислот (соляной, серной) с добавлением ингибитора коррозии для защиты самого металла или растворы органических кислот (лимонной, щавелевой).

6. Как отличить соли железа(II) от солей железа(III)?

Чтобы отличить соли железа(II) от солей железа(III), необходимо провести качественные реакции на ионы $Fe^{2+}$ и $Fe^{3+}$. Для этого можно использовать несколько реагентов, которые дают характерные, визуально различимые продукты реакции. Предположим, что в двух пробирках находятся растворы солей железа(II) и железа(III) соответственно.

Решение

1. Реакция со щелочами (например, $NaOH$ или $KOH$)

Это один из самых распространенных способов. При добавлении раствора щелочи к растворам солей железа(II) и железа(III) образуются нерастворимые гидроксиды разного цвета.

- В пробирку с солью железа(II) (например, $FeSO_4$) добавляем раствор щелочи. Наблюдаем образование осадка гидроксида железа(II) $Fe(OH)_2$ грязно-зеленого или белого цвета. Этот осадок на воздухе постепенно буреет из-за окисления до гидроксида железа(III).

Уравнение реакции в ионном виде: $Fe^{2+} + 2OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow$

- В пробирку с солью железа(III) (например, $FeCl_3$) добавляем раствор щелочи. Наблюдаем мгновенное образование объемистого осадка гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$ бурого (красно-коричневого) цвета.

Уравнение реакции в ионном виде: $Fe^{3+} + 3OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow$

Ответ: При добавлении щелочи соль железа(II) дает грязно-зеленый осадок, а соль железа(III) — бурый осадок.

2. Реакция с гексацианоферратами калия

Использование гексацианоферратов (желтой и красной кровяной соли) является классическим методом определения ионов железа. Это очень чувствительные реакции.

- Использование красной кровяной соли (гексацианоферрата(III) калия, $K_3[Fe(CN)_6]$). Этот реактив является качественным на ион $Fe^{2+}$. При добавлении к соли железа(II) образуется темно-синий осадок, называемый турнбулевой синью. С ионами $Fe^{3+}$ этот реактив дает только коричневатое окрашивание раствора, без образования синего осадка.

Уравнение реакции для $Fe^{2+}$: $3Fe^{2+} + 2[Fe(CN)_6]^{3-} \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2 \downarrow$

- Использование желтой кровяной соли (гексацианоферрата(II) калия, $K_4[Fe(CN)_6]$). Этот реактив является качественным на ион $Fe^{3+}$. При добавлении к соли железа(III) образуется темно-синий осадок, называемый берлинской лазурью. С ионами $Fe^{2+}$ этот реактив дает светло-голубой или белый осадок.

Уравнение реакции для $Fe^{3+}$: $4Fe^{3+} + 3[Fe(CN)_6]^{4-} \rightarrow Fe_4[Fe(CN)_6]_3 \downarrow$

Ответ: Для различения можно использовать красную кровяную соль ($K_3[Fe(CN)_6]$), которая с солью железа(II) даст темно-синий осадок, а с солью железа(III) не даст. Альтернативно, можно использовать желтую кровяную соль ($K_4[Fe(CN)_6]$), которая с солью железа(III) даст темно-синий осадок, а с солью железа(II) — светло-голубой осадок.

3. Реакция с роданидами (например, $KSCN$ или $NH_4SCN$)

Эта реакция очень чувствительна и специфична для ионов железа(III).

- При добавлении раствора роданида к соли железа(III) раствор приобретает интенсивное кроваво-красное окрашивание из-за образования роданидных комплексов железа(III), например, $[Fe(SCN)(H_2O)_5]^{2+}$.

Упрощенное уравнение реакции в ионном виде: $Fe^{3+} + nSCN^{-} \rightarrow [Fe(SCN)_n]^{(3-n)+}$

- С солями железа(II) роданиды не реагируют, и раствор остается практически бесцветным (или сохраняет бледно-зеленую окраску, характерную для гидратированных ионов $Fe^{2+}$).

Ответ: При добавлении раствора роданида калия или аммония соль железа(III) даст кроваво-красное окрашивание, а соль железа(II) не изменит цвет раствора.

7. Предложите три способа получения железа из магнитного железняка.

Магнитный железняк — это железная руда, основным компонентом которой является минерал магнетит, имеющий химическую формулу $Fe_3O_4$ (оксид железа(II, III)). Получение чистого железа из этого оксида основано на реакциях восстановления. Ниже представлены три способа осуществления этого процесса.

1. Восстановление углеродом и оксидом углерода(II) (Доменный процесс)

Это основной промышленный способ получения железа (в виде чугуна) из железных руд. Процесс осуществляется в доменных печах при высоких температурах. В качестве восстановителей выступают кокс (углерод) и угарный газ (оксид углерода(II)), который образуется при неполном сгорании кокса. Восстановление магнетита происходит ступенчато.

Основные химические реакции:

Сначала магнетит восстанавливается до оксида железа(II):

$Fe_3O_4 + CO \xrightarrow{t} 3FeO + CO_2$

Затем оксид железа(II) восстанавливается до чистого железа угарным газом или раскаленным коксом:

$FeO + CO \xrightarrow{t} Fe + CO_2$

$FeO + C \xrightarrow{t} Fe + CO$

Суммарное уравнение реакции восстановления магнетита угарным газом выглядит так:

$Fe_3O_4 + 4CO \xrightarrow{t} 3Fe + 4CO_2$

Или при восстановлении непосредственно углеродом:

$Fe_3O_4 + 4C \xrightarrow{t} 3Fe + 4CO$

2. Алюмотермия

Это способ получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием при высокой температуре. Реакция является сильно экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества тепла. Этот метод используется для получения небольших количеств чистого железа, а также в термитной сварке.

Для проведения реакции смешивают порошок оксида железа(II, III) с порошком алюминия (так называемый термит) и поджигают. Алюминий, будучи более активным металлом, чем железо, восстанавливает его из оксида:

$3Fe_3O_4 + 8Al \xrightarrow{t} 9Fe + 4Al_2O_3$

В результате реакции образуется расплавленное железо и шлак из оксида алюминия.

3. Восстановление водородом

Этот метод позволяет получать очень чистое железо, так называемое губчатое железо. Процесс заключается в восстановлении железной руды газообразным водородом при нагревании. Этот способ является более экологически чистым по сравнению с доменным процессом, так как единственным побочным продуктом является вода.

Реакция восстановления магнетита водородом:

$Fe_3O_4 + 4H_2 \xrightarrow{t} 3Fe + 4H_2O$

Этот процесс лежит в основе технологии прямого восстановления железа (DRI - Direct Reduced Iron), которая получает все большее распространение в современной металлургии.

Ответ:

Три способа получения железа из магнитного железняка ($Fe_3O_4$):

1. Восстановление в доменной печи с использованием углерода (кокса) и оксида углерода(II) в качестве восстановителей ($Fe_3O_4 + 4CO \rightarrow 3Fe + 4CO_2$).

2. Алюмотермия — восстановление порошкообразным алюминием ($3Fe_3O_4 + 8Al \rightarrow 9Fe + 4Al_2O_3$).

3. Восстановление водородом с получением чистого губчатого железа ($Fe_3O_4 + 4H_2 \rightarrow 3Fe + 4H_2O$).

8. При растворении стальной проволоки массой 57 г в соляной кислоте выделился 1 моль водорода. Определите массовую долю углерода в стали.

Дано:

$m(\text{стали}) = 57$ г

$n(H_2) = 1$ моль

Найти:

$\omega(C)$ - ?

Решение:

Сталь представляет собой сплав железа (Fe) с углеродом (C). При взаимодействии с соляной кислотой (HCl) в реакцию вступает только железо, так как углерод является неметаллом и не реагирует с разбавленными кислотами-неокислителями.

Запишем уравнение реакции, которая происходит при растворении стали в соляной кислоте:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$

Согласно уравнению реакции, из 1 моль железа образуется 1 моль водорода. Это означает, что их мольные соотношения равны $1:1$. Зная количество выделившегося водорода, мы можем найти количество вещества прореагировавшего железа:

$n(Fe) = n(H_2) = 1 \text{ моль}$

Далее вычислим массу железа, используя его молярную массу ($M(Fe) \approx 56 \text{ г/моль}$):

$m(Fe) = n(Fe) \cdot M(Fe) = 1 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = 56 \text{ г}$

Поскольку стальная проволока состоит только из железа и углерода, масса углерода в ней будет равна разности между общей массой проволоки и массой прореагировавшего железа:

$m(C) = m(\text{стали}) - m(Fe) = 57 \text{ г} - 56 \text{ г} = 1 \text{ г}$

Теперь мы можем определить массовую долю углерода в стали. Массовая доля вещества в смеси (или сплаве) — это отношение массы этого вещества к общей массе смеси, выраженное в долях единицы или процентах.

$\omega(C) = \frac{m(C)}{m(\text{стали})} \cdot 100\% = \frac{1 \text{ г}}{57 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 1.75438...\% \approx 1.75\%$

Ответ: массовая доля углерода в стали составляет примерно 1.75%.

9. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующим схемам:

а) $Fe \to X \to Fe(OH)_2$;

б) $Fe \to Y \to Fe(OH)_3$.

Определите неизвестные вещества.

Решение

а) Для осуществления цепочки превращений $Fe \rightarrow X \rightarrow Fe(OH)_2$ необходимо выполнить две последовательные реакции. Конечным продуктом является гидроксид железа(II), в котором железо имеет степень окисления +2. Это означает, что промежуточное вещество $X$ является солью железа(II).

1. Чтобы получить соль железа(II) из металлического железа, можно провести реакцию с кислотой-неокислителем, например, с соляной кислотой ($HCl$) или разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$). Возьмем соляную кислоту:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

В этой реакции образуется хлорид железа(II), который является веществом $X$.

2. Чтобы из соли железа(II) получить гидроксид железа(II) ($Fe(OH)_2$), который является нерастворимым основанием, необходимо провести реакцию обмена с растворимым основанием (щелочью), например, с гидроксидом натрия ($NaOH$).

$FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

В результате реакции выпадает осадок гидроксида железа(II) серо-зеленого цвета.

Ответ: Неизвестное вещество $X$ – хлорид железа(II) ($FeCl_2$). Уравнения реакций:

1. $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

2. $FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$

б) Для осуществления цепочки превращений $Fe \rightarrow Y \rightarrow Fe(OH)_3$ необходимо также выполнить две реакции. Конечным продуктом является гидроксид железа(III), в котором железо имеет степень окисления +3. Это означает, что промежуточное вещество $Y$ является солью железа(III).

1. Чтобы получить соль железа(III) из металлического железа, необходимо использовать сильный окислитель. Например, можно провести реакцию железа с хлором при нагревании.

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$

В этой реакции образуется хлорид железа(III), который является веществом $Y$.

2. Чтобы из соли железа(III) получить гидроксид железа(III) ($Fe(OH)_3$), который является нерастворимым основанием, необходимо провести реакцию обмена со щелочью, например, с гидроксидом натрия ($NaOH$).

$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

В результате реакции выпадает бурый осадок гидроксида железа(III).

Ответ: Неизвестное вещество $Y$ – хлорид железа(III) ($FeCl_3$). Уравнения реакций:

1. $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$

2. $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

*10. В составе каких соединений железо присутствует в организме человека? Сколько примерно граммов железа в вашем организме?

В составе каких соединений железо присутствует в организме человека?

Железо является жизненно важным микроэлементом и входит в состав множества сложных органических соединений в организме человека, выполняющих ключевые функции. Основные из них:

Гемоглобин – это сложный железосодержащий белок, находящийся в эритроцитах (красных кровяных тельцах). Его главная функция – связывание и транспорт кислорода от легких ко всем тканям и органам, а также участие в переносе углекислого газа от тканей к легким. На долю гемоглобина приходится около 65-70% всего железа в организме.

Миоглобин – белок, который содержится в скелетных мышцах и мышце сердца (миокарде). Он связывает кислород, создавая его внутримышечный резерв, который используется клетками при значительных и продолжительных физических нагрузках.

Ферритин и гемосидерин – это белковые комплексы, отвечающие за хранение (депонирование) железа в организме. Основные запасы железа в виде ферритина сосредоточены в клетках печени, селезенки и костного мозга. Гемосидерин является производным ферритина и также служит для хранения железа.

Трансферрин – это белок плазмы крови, который осуществляет транспорт ионов железа $Fe^{3+}$ между органами – от места всасывания в кишечнике или мест распада эритроцитов к костному мозгу для синтеза нового гемоглобина и другим клеткам.

Цитохромы и другие ферменты – ионы железа входят в состав активных центров многих ферментов (например, каталазы, пероксидазы) и белков-цитохромов. Эти соединения играют важнейшую роль в процессах клеточного дыхания (в цепи переноса электронов в митохондриях), обезвреживании токсичных веществ, синтезе ДНК и других метаболических путях.

Ответ: Железо в организме человека присутствует в составе гемоглобина (транспорт кислорода), миоглобина (запас кислорода в мышцах), ферритина и гемосидерина (хранение), трансферрина (транспорт), а также различных ферментов и цитохромов (участие в клеточном дыхании и других метаболических процессах).

Сколько примерно граммов железа в вашем организме?

Общее количество железа в организме взрослого человека колеблется в среднем от 3 до 5 граммов. Эта величина зависит от множества факторов: массы тела, пола, возраста, роста и общего состояния здоровья. Например, у мужчин содержание железа несколько выше, чем у женщин. Для расчета примерного количества железа в вашем организме можно использовать усредненное содержание железа на килограмм массы тела.

Дано:

Для примера расчета возьмем взрослого человека с массой тела $M_{тела} = 75 \text{ кг}$.

Среднее содержание железа в организме ($k$) составляет примерно 50-60 мг на 1 кг массы тела. Для расчета возьмем среднее значение $k = 55 \text{ мг/кг}$.

Переведем коэффициент в г/кг:

$k = 55 \text{ мг/кг} = 0.055 \text{ г/кг}$

Найти:

Массу железа в организме $m_{Fe}$.

Решение:

Массу железа в организме можно рассчитать, умножив массу тела на коэффициент содержания железа. Формула для расчета:

$m_{Fe} = M_{тела} \cdot k$

Подставим в формулу значения из раздела "Дано":

$m_{Fe} = 75 \text{ кг} \cdot 0.055 \text{ г/кг} = 4.125 \text{ г}$

Таким образом, в организме человека массой 75 кг содержится примерно 4.1-4.2 грамма железа. Вы можете подставить свою массу тела в эту формулу, чтобы получить примерную оценку для своего организма.

Ответ: В организме взрослого человека содержится в среднем 3-5 граммов железа. В организме человека массой 75 кг содержится примерно 4.125 г железа.

1. Объясните, почему калий не может вытеснить натрий из водного раствора поваренной соли. Попытайтесь описать результаты такого опыта.

Калий ($K$) не может вытеснить натрий ($Na$) из водного раствора поваренной соли ($NaCl$) несмотря на то, что в ряду активности металлов калий стоит левее натрия и является более активным. Причина заключается в том, что калий, как и все щелочные металлы, обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью по отношению к воде. При попадании в водный раствор соли калий в первую очередь и практически мгновенно вступает в бурную реакцию с растворителем — водой, а не с ионами натрия из соли. Эта реакция является конкурирующей и протекает гораздо интенсивнее, чем гипотетическая реакция вытеснения натрия.

Если провести такой опыт и опустить кусочек металлического калия в водный раствор хлорида натрия, произойдет следующее:

• Калий начнет бурно реагировать с водой с шипением и выделением газа — водорода ($H_2$). Уравнение реакции: $2K_{(тв)} + 2H_2O_{(ж)} \rightarrow 2KOH_{(раств)} + H_2{(г)} \uparrow$
• За счет выделяющегося газа кусочек калия будет быстро двигаться по поверхности раствора.
• Реакция сильно экзотермическая (протекает с выделением большого количества тепла), поэтому выделяющийся водород, как правило, самовоспламеняется.
• Пламя будет окрашено в характерный для соединений калия лилово-фиолетовый цвет.
• В конечном итоге весь калий прореагирует с водой, образуя щелочь — гидроксид калия ($KOH$). Хлорид натрия ($NaCl$) останется в растворе в неизменном виде. Выделения металлического натрия не произойдет.

Ответ: Калий не вытесняет натрий из водного раствора поваренной соли, потому что он в первую очередь реагирует с водой. В результате этого взаимодействия образуются гидроксид калия и водород, который может воспламениться, окрашивая пламя в фиолетовый цвет. Металлический натрий при этом не образуется.

2. В природе встречаются кристаллы поваренной соли, окрашенные в розовый и фиолетовый цвет. Используя Интернет, найдите фотографии таких кристаллов и объясните, чем может быть обусловлена такая окраска.

Кристаллы поваренной соли (химическая формула $NaCl$), известные как минерал галит, в чистом виде являются бесцветными и прозрачными. Однако в природе встречаются их окрашенные разновидности. Окраска в розовый и фиолетовый цвета обусловлена разными причинами.

Розовая окраска

Розовый или красноватый цвет кристаллов соли чаще всего обусловлен наличием механических примесей других минералов или органических веществ. Наиболее известным примером является гималайская розовая соль. Основная причина — это примеси оксида железа(III) ($Fe_2O_3$), также известного как гематит. Даже незначительное его количество придает соли характерный розовый оттенок. Реже цвет может быть связан с деятельностью микроорганизмов. Например, некоторые одноклеточные водоросли (Dunaliella salina) в условиях высокой солености вырабатывают каротиноидные пигменты, которые могут окрашивать кристаллы соли.

Ответ: Розовая окраска кристаллов поваренной соли чаще всего вызвана примесями оксида железа(III), реже — включениями органических веществ, например, пигментов, производимых микроорганизмами.

Фиолетовая окраска

Фиолетовая (а также синяя) окраска галита имеет не химическую, а физическую природу. Она возникает из-за дефектов в кристаллической решетке соли, которые называются центрами окраски или F-центрами (от нем. Farbzentrum — центр окраски). F-центр — это вакансия аниона (место, где в идеальной решетке должен находиться ион хлора $Cl^-$), на которой локализован электрон. Такие дефекты образуются под воздействием естественного ионизирующего излучения (например, от радиоактивного изотопа калия-40, часто встречающегося в соляных месторождениях) или в результате сильных геологических деформаций. Электрон в F-центре поглощает свет в желто-оранжевой части видимого спектра, в результате чего кристалл приобретает дополнительный к поглощаемому цвет — синий или фиолетовый. Окраска часто распределена неравномерно, в виде пятен или полос.

Ответ: Фиолетовая окраска кристаллов поваренной соли обусловлена наличием дефектов в кристаллической решетке (F-центров), которые изменяют спектр поглощения света кристаллом. Это физическое явление, не связанное с химическими примесями.