Страница 109 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте характеристику элемента углерода на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Решение

Углерод (химический символ $C$) — это химический элемент с порядковым номером 6, который расположен во 2-м периоде, IV группе, главной (A) подгруппе Периодической системы Д. И. Менделеева. На основании его положения можно дать следующую характеристику.

Положение в Периодической системе и строение атома. Порядковый номер 6 указывает, что заряд ядра атома углерода равен +6, в ядре находится 6 протонов, а вокруг него вращается 6 электронов. Нахождение во 2-м периоде означает, что электроны распределены по двум электронным слоям. Принадлежность к IV группе (главной подгруппе) говорит о том, что на внешнем электронном слое находится 4 валентных электрона. Электронная конфигурация атома углерода: $1s^2 2s^2 2p^2$.

Химические свойства. Углерод — типичный неметалл. Его высшая степень окисления равна номеру группы: +4. Ей соответствует высший оксид — $CO_2$ (диоксид углерода), который является кислотным оксидом (образует слабую угольную кислоту $H_2CO_3$). Низшая степень окисления для углерода составляет $4 - 8 = -4$. Этой степени окисления соответствует летучее водородное соединение — $CH_4$ (метан). Углерод также способен проявлять и другие степени окисления, например, +2 (в оксиде $CO$) и 0 (в простом веществе).

Сравнение с соседними элементами. В периоде при движении слева направо (от бора $B$ к азоту $N$) неметаллические свойства и электроотрицательность усиливаются. Таким образом, углерод — более сильный неметалл, чем бор, но слабее, чем азот. В группе при движении сверху вниз (от углерода $C$ к кремнию $Si$) неметаллические свойства и электроотрицательность ослабевают. Поэтому углерод — более активный неметалл, чем кремний.

Ответ: Углерод ($C$) — химический элемент с порядковым номером 6, расположен во 2-м периоде, IV группе, главной подгруппе. Атом углерода имеет заряд ядра +6 и 6 электронов на двух электронных слоях ($1s^2 2s^2 2p^2$), из них 4 — валентные. Углерод является неметаллом. Проявляет степени окисления от -4 до +4. Высший оксид $CO_2$ имеет кислотный характер, летучее водородное соединение — $CH_4$. Неметаллические свойства углерода сильнее, чем у бора и кремния, но слабее, чем у азота.

2. Сравните свойства алмаза и графита.

Решение

Алмаз и графит — это аллотропные модификации одного и того же химического элемента, углерода ($C$). Несмотря на то, что они состоят из одинаковых атомов, их свойства кардинально различаются из-за разного строения кристаллических решеток.

Кристаллическая структура

У алмаза атомная кристаллическая решетка имеет тетраэдрическое строение. Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и образует четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами. Это создает жесткий и очень прочный трехмерный каркас.

У графита решетка слоистая. Атомы углерода в слоях находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации и образуют плоские гексагональные (шестиугольные) сетки. Связи между этими слоями значительно слабее (ван-дер-ваальсовы силы), что позволяет слоям легко скользить относительно друг друга.

Твердость

Алмаз — эталон твердости, самое твердое из всех известных природных веществ (10 по шкале Мооса). Это свойство обусловлено прочной трехмерной структурой его решетки.

Графит — очень мягкий минерал (1-2 по шкале Мооса), легко расслаивается и оставляет след на бумаге (используется в карандашах). Его мягкость — следствие слабых межслоевых связей.

Электропроводность

Алмаз является диэлектриком (изолятором). В его структуре все валентные электроны задействованы в образовании прочных связей и не могут свободно перемещаться.

Графит хорошо проводит электрический ток. У каждого атома углерода в слое есть один делокализованный электрон, который может свободно двигаться в пределах слоя, обеспечивая электропроводность.

Плотность

Алмаз имеет высокую плотность, около $3,51 \, \text{г/см}^3$, так как его атомы упакованы очень компактно.

Графит имеет меньшую плотность, около $2,26 \, \text{г/см}^3$, из-за большего расстояния между слоями в его структуре.

Оптические свойства

Алмаз прозрачен для видимого света, обладает сильным блеском (алмазным) и высоким показателем преломления.

Графит непрозрачен, имеет темно-серый или черный цвет и металлический блеск.

Теплопроводность

Алмаз — один из лучших теплопроводников, превосходящий по этому показателю даже серебро и медь. Тепло эффективно передается за счет колебаний жесткой кристаллической решетки.

Графит также является хорошим проводником тепла, но уступает алмазу.

Химическая стабильность

При нормальных условиях (стандартное давление и температура) графит является термодинамически более стабильной формой углерода. Алмаз в этих условиях метастабилен и теоретически должен со временем превратиться в графит, однако этот процесс кинетически заторможен и занимает миллионы лет.

При высоких температурах графит химически активнее алмаза и загорается на воздухе при более низкой температуре (около $700°C$ против $850°C$ для алмаза).

Ответ: Алмаз и графит, являясь аллотропными модификациями углерода, обладают противоположными свойствами из-за различий в кристаллической структуре. Алмаз с его прочной трехмерной тетраэдрической решеткой ($sp^3$) является сверхтвердым, плотным, прозрачным диэлектриком. Графит со своей слоистой гексагональной структурой ($sp^2$) — мягкий, менее плотный, непрозрачный и электропроводный материал. При нормальных условиях графит термодинамически стабильнее алмаза.

3. Что представляет собой аморфный углерод? Какие виды такого углерода различают? Где их применяют?

Что представляет собой аморфный углерод?

Аморфный углерод — это аллотропная модификация углерода, не имеющая, в отличие от алмаза и графита, упорядоченной кристаллической структуры на больших расстояниях. Атомы углерода в его структуре расположены хаотично, образуя неупорядоченную сетку. Однако важно отметить, что большинство веществ, относимых к аморфному углероду, на самом деле являются нанокристаллическими. Они состоят из микроскопических, беспорядочно ориентированных кристаллитов графита. Аморфный углерод представляет собой твёрдое вещество чёрного цвета, характеризующееся высокой пористостью, большой удельной поверхностью и, как следствие, более высокой химической активностью по сравнению с графитом.

Какие виды такого углерода различают? Где их применяют?

Существует несколько основных видов аморфного углерода, каждый из которых находит своё применение в различных отраслях.

Древесный уголь — пористый продукт, который получают в результате нагревания древесины без доступа воздуха (пиролиза). Он обладает хорошей горючестью и адсорбционными свойствами.
Применение: используется как топливо в быту и на производстве (например, для мангалов или в кузнечном деле), в качестве восстановителя в металлургии для получения металлов из руд, для производства чёрного пороха, а также является сырьём для получения активированного угля.

Активированный уголь — это уголь с чрезвычайно развитой пористой структурой, что обеспечивает ему огромную площадь поверхности (до 2000 $м^2/г$). Его получают путём специальной обработки (активации) исходного угля.
Применение: благодаря выдающейся способности поглощать (адсорбировать) различные вещества, он широко используется в медицине как энтеросорбент при отравлениях, в промышленных и бытовых фильтрах для очистки воды и воздуха, в противогазах, для осветления и очистки растворов в пищевой промышленности (например, сахарного сиропа).

Кокс — твёрдый, прочный и пористый продукт серого цвета, получаемый при прокаливании каменного угля при высоких температурах (900-1100 °C) без доступа воздуха.
Применение: является незаменимым компонентом в чёрной металлургии, где он выступает в роли высококачественного бездымного топлива и химического восстановителя в доменном процессе для выплавки чугуна.

Сажа (технический углерод) — высокодисперсный порошок чёрного цвета, который образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов (например, природного газа или нефтепродуктов).
Применение: около 90% всей производимой сажи используется как усиливающий наполнитель в производстве резины, в первую очередь для автомобильных шин, что значительно повышает их прочность и износостойкость. Также сажа применяется как чёрный пигмент при изготовлении типографских красок, туши, тонеров для лазерных принтеров, пластмасс и лакокрасочных материалов.

Ответ: Аморфный углерод — это неупорядоченная, нанокристаллическая форма углерода. Основные его виды — древесный уголь, активированный уголь, кокс и сажа. Древесный уголь и кокс применяют как топливо и восстановители в металлургии; активированный уголь — как сорбент в медицине, фильтрах и промышленности; сажу — как наполнитель для резины и чёрный пигмент.

4. Что такое адсорбция? Расскажите о применении этого явления (на примере активированного угля).

Решение

Адсорбция — это физико-химический процесс, при котором происходит самопроизвольное увеличение концентрации одного вещества (газа, пара или растворенного вещества), называемого адсорбатом, на поверхности другого вещества (как правило, твердого тела), называемого адсорбентом. Важно отличать адсорбцию от абсорбции: адсорбция является поверхностным явлением, в то время как абсорбция — это поглощение вещества всем объемом другого тела.

Движущей силой адсорбции является наличие у адсорбента избыточной поверхностной энергии. Молекулы на поверхности твердого тела имеют нескомпенсированные силы межмолекулярного взаимодействия, которые и притягивают молекулы адсорбата, удерживая их на поверхности.

Применение адсорбции на примере активированного угля.

Активированный уголь — это классический пример высокоэффективного адсорбента. Его получают из углеродсодержащих материалов (например, древесины, скорлупы кокосовых орехов). В процессе специальной обработки (активации) в материале создается огромное количество пор разного размера, от макро- до микропор. За счет этой разветвленной пористой структуры удельная площадь поверхности активированного угля может достигать огромных значений — до 2000 $м^2$ на 1 грамм вещества. Именно эта гигантская поверхность и обеспечивает его выдающиеся адсорбционные свойства.

Примеры применения активированного угля:

• Медицина. Активированный уголь является универсальным энтеросорбентом. При пищевых отравлениях, интоксикациях или передозировке лекарствами он принимается внутрь. Попадая в желудок и кишечник, он своей пористой поверхностью связывает (адсорбирует) токсины, яды, аллергены, продукты жизнедеятельности бактерий, не позволяя им всасываться в кровь. Затем уголь вместе с поглощенными веществами выводится из организма естественным путем.
• Очистка воды. Угольные фильтры широко используются как в быту, так и в промышленности для очистки питьевой воды. Активированный уголь эффективно удаляет из воды растворенный хлор и его соединения, органические вещества (пестициды, нефтепродукты), которые придают воде неприятный вкус и запах.
• Очистка воздуха. Способность угля поглощать газы и пары используется в противогазах, респираторах, кухонных вытяжках и промышленных системах очистки воздуха. Он эффективно улавливает вредные летучие органические соединения, ядовитые газы и неприятные запахи.
• Пищевая промышленность. Активированный уголь применяют для обесцвечивания и рафинации (очистки) различных продуктов. Например, для осветления сахарного сиропа, растительных масел, фруктовых соков и алкогольных напитков.

Таким образом, уникальные адсорбционные свойства активированного угля, обусловленные его пористой структурой, находят широчайшее применение в самых разных сферах жизни человека.

Ответ:

Адсорбция — это процесс концентрирования (сгущения) вещества на поверхности другого вещества (адсорбента). Активированный уголь является ярким примером адсорбента, чья высокая эффективность обусловлена очень большой удельной площадью поверхности за счет пористой структуры. Это свойство используется в медицине для связывания и выведения токсинов из организма, в быту и промышленности для очистки воды и воздуха от вредных примесей и неприятных запахов, а также в пищевой промышленности для осветления и рафинации продуктов.

5. Охарактеризуйте химические свойства углерода. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Углерод (C) — химический элемент IVA группы, 2-го периода периодической системы. На внешнем электронном слое атом углерода имеет 4 валентных электрона, что позволяет ему в химических реакциях проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Степень окисления углерода в соединениях варьируется в широком диапазоне от -4 до +4. При обычных условиях углерод химически малоактивен, но при нагревании его реакционная способность значительно возрастает.

Восстановительные свойства

Наиболее характерны для углерода восстановительные свойства, которые он проявляет в реакциях с более электроотрицательными элементами и сложными веществами-окислителями. При этом углерод отдает электроны, повышая свою степень окисления (чаще всего до +2 или +4).

• Взаимодействие с простыми веществами — неметаллами:

  1. С кислородом. В зависимости от условий, горение углерода приводит к образованию разных оксидов.

  При избытке кислорода (полное сгорание) образуется диоксид углерода:

  $C^{0} + O_2 \xrightarrow{t} C^{+4}O_2$

  При недостатке кислорода (неполное сгорание) образуется оксид углерода(II) (угарный газ):

  $2C^{0} + O_2 \xrightarrow{t} 2C^{+2}O$

  2. С другими неметаллами (галогенами, серой, кремнием) углерод реагирует при сильном нагревании.

  Со фтором (реагирует без нагревания):

  $C + 2F_2 = CF_4$

  С серой (при 700-1000 °C):

  $C + 2S \xrightarrow{t} CS_2$

  С кремнием (в электропечах при ~2000 °C):

  $C + Si \xrightarrow{t} SiC$

• Взаимодействие с оксидами металлов:

  Углерод (в виде кокса) — важнейший восстановитель в металлургии, используемый для получения металлов из их руд (карботермия).

  Восстановление железа из оксида железа(III):

  $2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 4Fe + 3CO_2$

  Восстановление меди из оксида меди(II):

  $CuO + C \xrightarrow{t} Cu + CO$

  Восстановление цинка из оксида цинка:

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

• Взаимодействие с водой:

  При температуре выше 1000 °C углерод реагирует с водяным паром, образуя «водяной газ» — смесь угарного газа и водорода.

  $C + H_2O_{(пар)} \xrightarrow{t} CO + H_2$

• Взаимодействие с концентрированными кислотами-окислителями:

  При нагревании углерод окисляется концентрированными серной и азотной кислотами.

  С концентрированной серной кислотой:

  $C + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O$

  С концентрированной азотной кислотой:

  $C + 4HNO_3(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$

Ответ: Углерод проявляет восстановительные свойства, реагируя при нагревании с кислородом, неметаллами (фтором, серой), оксидами металлов, водяным паром и кислотами-окислителями. В продуктах реакций углерод имеет положительную степень окисления, например: $CO_2$, $CO$, $CS_2$.

Окислительные свойства

Окислительные свойства углерод проявляет в реакциях с менее электроотрицательными элементами — металлами и водородом. При этом углерод принимает электроны, понижая свою степень окисления до отрицательных значений.

• Взаимодействие с металлами:

  При высоких температурах углерод образует с металлами бинарные соединения — карбиды.

  С щелочноземельными металлами образуются карбиды-ацетилениды, в которых степень окисления углерода -1:

  $Ca + 2C \xrightarrow{t} CaC_2$

  С алюминием образуется карбид-метанид, в котором степень окисления углерода -4:

  $4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3$

• Взаимодействие с водородом:

  Реакция прямого синтеза метана из простых веществ протекает при высоком давлении, температуре и в присутствии катализатора (Ni).

  $C^{0} + 2H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} C^{-4}H_4$

Ответ: Углерод проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами и водородом, образуя карбиды (например, $CaC_2$, $Al_4C_3$) и метан ($CH_4$). В этих соединениях углерод имеет отрицательную степень окисления.

6. Какой процесс называют коксованием каменного угля? Назовите продукты коксохимического производства.

Какой процесс называют коксованием каменного угля?

Коксованием каменного угля называют промышленный метод его переработки, основанный на нагревании угля до высоких температур (обычно 950–1100 °C) в специальных печах без доступа кислорода воздуха. Этот процесс также известен как сухая перегонка или пиролиз угля. Основной целью коксования является получение кокса, а также улавливание и переработка летучих продуктов, образующихся при этом. Для коксования используют специальные спекающиеся сорта каменного угля.

Назовите продукты коксохимического производства.

Продукты, получаемые в результате коксования каменного угля, многообразны и являются ценным сырьем для различных отраслей промышленности. К ним относятся:

1. Кокс — это твёрдый, пористый остаток с высоким содержанием углерода (96-98%). Он является главным целевым продуктом. Кокс используется в качестве бездымного топлива, а также как восстановитель в доменных печах при выплавке чугуна, в литейном деле и в химической промышленности.

2. Коксовый газ — это смесь горючих газов, выделяющихся в процессе коксования. После очистки от примесей (таких как аммиак и сероводород) его используют как топливо. В его состав входят водород ($H_2$), метан ($CH_4$), оксид углерода(II) ($CO$), азот ($N_2$) и другие углеводороды.

3. Каменноугольная смола — это вязкая жидкость чёрного цвета, которая конденсируется при охлаждении летучих продуктов. Она представляет собой сложнейшую смесь органических веществ, в основном ароматического ряда (бензол, нафталин, антрацен, фенолы и т.д.). Смола — важнейшее сырьё для химической промышленности, из которого получают пластмассы, красители, лекарственные препараты, взрывчатые вещества и многое другое.

4. Надсмольная вода (аммиачная вода) — это водный раствор, который образуется при конденсации летучих продуктов. Он содержит аммиак ($NH_3$) и его соли, фенолы и другие вещества. Из аммиачной воды получают сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$), который является эффективным азотным удобрением.

5. Сырой бензол — это лёгкая маслянистая жидкость, улавливаемая из коксового газа. Она состоит из смеси ароматических углеводородов — бензола, толуола, ксилолов (фракция БТК). После разделения на компоненты используется в органическом синтезе.

Ответ: Коксование каменного угля — это процесс его нагревания до высоких температур (950–1100 °C) без доступа воздуха с целью получения кокса и других химических продуктов. Продуктами коксохимического производства являются: кокс, коксовый газ, каменноугольная смола, надсмольная (аммиачная) вода и сырой бензол.

7. Используя метод электронного баланса, определите коэффициенты в схеме реакции

$C + HNO_3 \to CO_2 + NO_2 + H_2O$

Укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Для того чтобы определить коэффициенты в уравнении реакции, воспользуемся методом электронного баланса. Сначала определим степени окисления элементов в каждом веществе до и после реакции.

$C^0 + H^{+1}N^{+5}O_3^{-2} \rightarrow C^{+4}O_2^{-2} + N^{+4}O_2^{-2} + H_2^{+1}O^{-2}$

Из схемы видно, что степени окисления изменили углерод и азот:

• Углерод ($C$) повысил свою степень окисления с 0 до +4. Он отдал 4 электрона, следовательно, он является восстановителем и подвергается окислению.
• Азот ($N$) понизил свою степень окисления с +5 до +4. Он принял 1 электрон, следовательно, азотная кислота ($HNO_3$) является окислителем, а азот в ее составе подвергается восстановлению.

Составим уравнения полуреакций окисления и восстановления (электронный баланс):

$C^0 - 4e^- \rightarrow C^{+4}$ | 1 | процесс окисления
$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 4 | процесс восстановления

Число отданных электронов должно быть равно числу принятых. Наименьшее общее кратное для 4 и 1 равно 4. Поэтому первую полуреакцию умножаем на 1, а вторую на 4. Эти числа и будут коэффициентами для соответствующих веществ в уравнении реакции.

Ставим коэффициент 1 перед C и CO₂ (коэффициент 1 обычно не пишется). Ставим коэффициент 4 перед HNO₃ и NO₂:

$C + 4HNO_3 \rightarrow CO_2 + 4NO_2 + H_2O$

Теперь уравняем количество атомов водорода и кислорода. Слева 4 атома водорода (в 4HNO₃), значит, справа перед H₂O нужно поставить коэффициент 2, чтобы также получить 4 атома водорода ($2 \times 2 = 4$).

$C + 4HNO_3 \rightarrow CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$

Проверим баланс атомов кислорода:

• Слева: $4 \times 3 = 12$ атомов O.
• Справа: $2$ (в $CO_2$) $+ 4 \times 2$ (в $NO_2$) $+ 2 \times 1$ (в $H_2O$) $= 2 + 8 + 2 = 12$ атомов O.

Количество атомов всех элементов слева и справа одинаково, следовательно, коэффициенты расставлены верно.

Определим окислитель и восстановитель:

• Восстановитель: $C^0$ (углерод), так как он отдает электроны и его степень окисления повышается.
• Окислитель: $HNO_3$ (азотная кислота, за счет $N^{+5}$), так как она принимает электроны и степень окисления азота понижается.

Ответ: Уравнение реакции с расставленными коэффициентами: $C + 4HNO_3 = CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$. Окислитель — $HNO_3$ (азот в степени окисления +5), восстановитель — $C$ (углерод в степени окисления 0).

8. Напишите уравнения реакций углерода с оксидом меди(II), серой, оксидом свинца(IV), магнием. Определите, какие свойства — окислительные или восстановительные — проявляет углерод в каждой из реакций.

Реакция углерода с оксидом меди(II)

Углерод восстанавливает медь из ее оксида при нагревании. В этой реакции углерод повышает свою степень окисления, а медь понижает.

Уравнение реакции:

$C + 2CuO \xrightarrow{t} 2Cu + CO_2$

Определим степени окисления углерода:

$C^0 + 2Cu^{+2}O^{-2} \rightarrow 2Cu^0 + C^{+4}O_2^{-2}$

Степень окисления углерода изменилась с 0 до +4. Углерод отдал электроны, то есть окислился. Следовательно, в этой реакции углерод является восстановителем.

Ответ: углерод проявляет восстановительные свойства.

Реакция углерода с серой

При взаимодействии углерода с серой при высокой температуре образуется сероуглерод. Электроотрицательность серы выше, чем у углерода, поэтому углерод будет отдавать электроны.

Уравнение реакции:

$C + 2S \xrightarrow{t} CS_2$

Определим степени окисления:

$C^0 + 2S^0 \rightarrow C^{+4}S_2^{-2}$

Степень окисления углерода повысилась с 0 до +4. Углерод является восстановителем, так как он окислился.

Ответ: углерод проявляет восстановительные свойства.

Реакция углерода с оксидом свинца(IV)

Оксид свинца(IV) является сильным окислителем. Углерод восстанавливает свинец из его оксида.

Уравнение реакции:

$C + PbO_2 \xrightarrow{t} Pb + CO_2$

Определим степени окисления:

$C^0 + Pb^{+4}O_2^{-2} \rightarrow Pb^0 + C^{+4}O_2^{-2}$

Степень окисления углерода изменилась с 0 до +4, он отдал электроны. Следовательно, углерод является восстановителем.

Ответ: углерод проявляет восстановительные свойства.

Реакция углерода с магнием

Магний — активный металл, который более электроположителен, чем углерод. Поэтому в реакции с углеродом магний будет восстановителем, а углерод — окислителем. При сплавлении образуется карбид магния.

Уравнение реакции:

$2Mg + C \xrightarrow{t} Mg_2C$

Определим степени окисления:

$2Mg^0 + C^0 \rightarrow Mg_2^{+2}C^{-4}$

Степень окисления углерода изменилась с 0 до -4. Углерод принял электроны, то есть восстановился. Следовательно, в данной реакции углерод является окислителем.

Ответ: углерод проявляет окислительные свойства.

9. Какая масса кокса (условно чистый углерод) потребуется для получения цинка из 216 т рудного концентрата, содержащего 75 % оксида цинка, если кокс необходимо взять в двукратном избытке?

Дано:
Масса рудного концентрата: $m_{конц.} = 216 \text{ т}$
Массовая доля оксида цинка ($ZnO$) в концентрате: $w(ZnO) = 75 \% \text{ или } 0.75$
Избыток кокса (углерода $C$): двукратный (в 2 раза больше теоретически необходимого).

Найти:
Массу кокса: $m(C) - ?$

Решение:
1. Запишем уравнение реакции восстановления цинка из оксида цинка с помощью кокса (углерода):$ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO$

2. Рассчитаем массу чистого оксида цинка ($ZnO$), содержащегося в 216 т рудного концентрата:$m(ZnO) = m_{конц.} \times w(ZnO) = 216 \text{ т} \times 0.75 = 162 \text{ т}$

3. Рассчитаем молярные массы оксида цинка ($ZnO$) и углерода ($C$), используя относительные атомные массы элементов ($Ar(Zn) = 65$, $Ar(O) = 16$, $Ar(C) = 12$):$M(ZnO) = Ar(Zn) + Ar(O) = 65 + 16 = 81 \text{ г/моль}$$M(C) = Ar(C) = 12 \text{ г/моль}$

4. По уравнению реакции видно, что 1 моль $ZnO$ реагирует с 1 моль $C$. Это означает, что для реакции со 81 г $ZnO$ требуется 12 г $C$. Составим пропорцию для нахождения теоретически необходимой массы кокса ($m_{теор.}(C)$) для восстановления 162 т $ZnO$:$\frac{m(ZnO)}{M(ZnO)} = \frac{m_{теор.}(C)}{M(C)}$Из этой пропорции выразим массу кокса:$m_{теор.}(C) = \frac{m(ZnO) \times M(C)}{M(ZnO)}$$m_{теор.}(C) = \frac{162 \text{ т} \times 12 \text{ г/моль}}{81 \text{ г/моль}} = 2 \text{ т} \times 12 = 24 \text{ т}$Таким образом, теоретически для реакции требуется 24 тонны кокса.

5. Согласно условию, кокс необходимо взять в двукратном избытке. Это означает, что практическая масса кокса ($m_{практ.}(C)$) должна быть в 2 раза больше теоретической:$m_{практ.}(C) = m_{теор.}(C) \times 2 = 24 \text{ т} \times 2 = 48 \text{ т}$

Ответ: для получения цинка потребуется 48 т кокса.

10. Первый в России алмаз был найден 5 июля 1829 г. на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым. Прииск был расположен недалеко от посёлка Промысла Горнозаводского района Пермского края. Найдите это место на сервисе электронных карт, распечатайте карту и спутниковую съёмку окрестностей посёлка Промысла, определите его географические координаты и расстояние до районного центра Горнозаводска и столицы края Перми.

Географические координаты посёлка Промысла и местоположение прииска

Первый российский алмаз был найден на Крестовоздвиженском золотом прииске, который располагался на реке Полуденке, впадающей в реку Койву. Это место находится в окрестностях современного посёлка Промысла Горнозаводского городского округа Пермского края. В память об этом событии в посёлке установлен памятник «Первому русскому алмазу».

Примерные географические координаты центра посёлка Промысла: широта 58°31′23″ с.ш. (что соответствует 58.523° в десятичном формате) и долгота 58°45′18″ в.д. (58.755° в десятичном формате).

Ответ: Посёлок Промысла, рядом с которым был найден первый алмаз, имеет географические координаты примерно 58°31′ с.ш., 58°45′ в.д.

Карта и спутниковая съёмка окрестностей посёлка Промысла

Ниже представлены карта и спутниковый снимок окрестностей посёлка Промысла. На карте видно расположение посёлка относительно других населённых пунктов (например, Тёплая Гора) и рек (Койва, Полуденка).

Карта местности:

Спутниковая съёмка:

Ответ: Карта и спутниковый снимок, показывающие расположение посёлка Промысла и его окрестностей, представлены выше.

Расстояние до районного центра Горнозаводска и столицы края Перми

Расстояние по автомобильным дорогам от посёлка Промысла до районного центра, города Горнозаводска, составляет приблизительно 36 км, а до столицы края, города Перми, — приблизительно 235 км. Эти значения могут незначительно варьироваться в зависимости от выбранного маршрута.

Ответ: Расстояние от посёлка Промысла до Горнозаводска — около 36 км, до Перми — около 235 км.

11. Каким образом имя выдающегося русского химика Николая Дмитриевича Зелинского связано с химией углерода? Какое техническое изобретение было сделано им совместно с инженером Эдуардом Куммантом? Подготовьте сообщение о принципе действия и устройстве фильтрующего противогаза.

Каким образом имя выдающегося русского химика Николая Дмитриевича Зелинского связано с химией углерода?

Имя выдающегося русского химика, академика Николая Дмитриевича Зелинского (1861–1953) неразрывно связано с химией углерода, так как он был одним из основоположников органической химии в России, а органическая химия — это и есть химия соединений углерода. Его научная деятельность была сосредоточена на изучении углеводородов и их превращений.

Основные направления его работы, связанные с химией углерода:

• Органический катализ: Н.Д. Зелинский является создателем учения об органическом катализе. Он открыл реакцию каталитической дегидрогенизации циклогексановых углеводородов в ароматические с использованием платиновых и палладиевых катализаторов (реакция Зелинского-Казанского). Эта реакция имеет огромное значение в нефтехимии для получения высокооктановых компонентов бензина и ароматических углеводородов.
• Химия нефти: Ученый глубоко исследовал состав и свойства нефти, внеся весомый вклад в теорию ее органического происхождения. Его работы легли в основу современных процессов переработки нефти.
• Синтез аминокислот: Зелинский разработал удобный метод синтеза α-аминокислот — важнейших органических соединений, из которых построены все белки.
• Активированный уголь: Одним из важнейших его достижений является разработка метода получения высокоактивного угля. Это вещество, являющееся аллотропной модификацией углерода, обладает уникальной пористой структурой и огромной удельной поверхностью, что делает его превосходным адсорбентом. Это открытие напрямую привело к созданию противогаза.

Ответ: Имя Н.Д. Зелинского связано с химией углерода через его фундаментальные исследования в области органического катализа, химии нефти, синтеза аминокислот и, в особенности, через открытие и изучение свойств активированного угля как универсального поглотителя.

Какое техническое изобретение было сделано им совместно с инженером Эдуардом Куммантом?

Совместно с инженером-технологом завода «Треугольник» Эдуардом Ламбертовичем Куммантом, Николай Дмитриевич Зелинский в 1915 году создал первый в мире эффективный фильтрующий противогаз для защиты от боевых отравляющих веществ.

В этом тандеме роли распределились следующим образом:

• Н.Д. Зелинский, основываясь на своих исследованиях, предложил использовать в качестве поглощающего вещества активированный уголь. Он установил, что активированный уголь обладает универсальной способностью поглощать широкий спектр ядовитых газов, и разработал технологию его получения в промышленных масштабах.
• Э.Л. Куммант разработал конструкцию самого противогаза: резиновую шлем-маску, которая обеспечивала герметичное прилегание к лицу, и конструкцию фильтрующей коробки, в которой размещался активированный уголь.

Это изобретение, известное как противогаз Зелинского-Кумманта, было принято на вооружение русской армии в 1916 году и спасло жизни сотен тысяч солдат во время Первой мировой войны.

Ответ: Совместно с инженером Эдуардом Куммантом Н.Д. Зелинский создал первый эффективный фильтрующий противогаз, в котором Зелинский отвечал за создание фильтрующего элемента (активированный уголь), а Куммант — за разработку конструкции маски и фильтрующей коробки.

Сообщение о принципе действия и устройстве фильтрующего противогаза

Принцип действия

Принцип действия фильтрующего противогаза основан на очистке вдыхаемого воздуха от вредных примесей путем фильтрации и адсорбции (или хемосорбции). Противогаз не вырабатывает кислород, поэтому его можно использовать только в атмосфере, содержащей не менее 17% кислорода.

Процесс очистки воздуха происходит следующим образом:

1. При вдохе зараженный воздух поступает под маску через отверстие в дне фильтрующе-поглощающей коробки (ФПК).
2. Сначала воздух проходит через противоаэрозольный фильтр. Он представляет собой специальный пористый материал (например, картон или нетканые волокна), который механически задерживает твердые и жидкие частицы: пыль (в том числе радиоактивную), дым, туман, бактерии и вирусы.
3. Далее, очищенный от аэрозолей воздух, проходит через слой сорбента — активированного угля (также называемого шихтой). Уголь имеет чрезвычайно пористую структуру, за счет чего обладает огромной площадью поверхности. Молекулы ядовитых газов и паров притягиваются к этой поверхности и удерживаются на ней силами межмолекулярного взаимодействия. Этот процесс называется адсорбцией.
4. Для защиты от некоторых газов, которые плохо поглощаются углем (например, угарный газ, аммиак), уголь пропитывают специальными химическими веществами — хемосорбентами. Они вступают в химическую реакцию с ядами, превращая их в безвредные соединения.
5. Очищенный воздух через клапан вдоха поступает в подмасочное пространство и вдыхается человеком.
6. При выдохе клапан вдоха закрывается, а клапан выдоха открывается, и выдыхаемый воздух удаляется наружу, минуя фильтр.

Устройство

Фильтрующий противогаз состоит из двух основных частей: лицевой части и фильтрующе-поглощающей коробки (ФПК).

• Лицевая часть (шлем-маска):
  • Корпус: изготавливается из эластичной резины, обеспечивает герметичное прилегание к лицу.
  • Очковый узел: герметично вмонтированные стекла для обзора.
  • Клапанная коробка: содержит клапаны вдоха и выдоха, которые регулируют потоки воздуха.
  • Переговорное устройство (мембрана): позволяет вести переговоры, не снимая противогаз.
  • Система крепления: тесьмы для надежной фиксации маски на голове.
• Фильтрующе-поглощающая коробка (ФПК):
  • Корпус: обычно металлический или полимерный цилиндр.
  • Входное отверстие: расположено в дне, в походном положении закрыто пробкой.
  • Горловина с резьбой: для присоединения к лицевой части напрямую или через соединительную трубку.
  • Внутреннее содержимое: противоаэрозольный фильтр и слой активированного угля (шихты), зафиксированные сетками.

Ответ: Фильтрующий противогаз состоит из лицевой части и фильтрующе-поглощающей коробки. Его действие основано на очистке вдыхаемого воздуха от аэрозолей с помощью противоаэрозольного фильтра и от ядовитых газов и паров с помощью адсорбции их на активированном угле (шихте).

12. Подготовьте сообщение об одной из аллотропных модификаций углерода — фуллеренах, графене или углеродных нанотрубках.

Решение

В данном сообщении будет рассмотрена одна из аллотропных модификаций углерода — графен.

Введение: что такое графен?

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой одиночный плоский слой атомов углерода, которые образуют гексагональную кристаллическую решётку, похожую на пчелиные соты. По сути, лист графена — это структурная основа для других известных форм углерода: если его свернуть в трубку, получатся углеродные нанотрубки; если "вырезать" и "сшить" в сферу — фуллерены; а если сложить в стопку — обычный графит.

История открытия

Несмотря на то, что существование графена было теоретически предсказано ещё в 1947 году, долгое время считалось, что двумерные кристаллы не могут быть устойчивыми в свободном состоянии. Прорыв произошёл в 2004 году, когда физики Андрей Гейм и Константин Новосёлов из Манчестерского университета смогли получить и исследовать графен с помощью простого, но эффективного метода. Они многократно приклеивали и отрывали клейкую ленту (скотч) от куска графита, получая всё более тонкие слои, пока не добились слоя толщиной в один атом. За «новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена» Гейм и Новосёлов в 2010 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Структура и уникальные свойства

В структуре графена каждый атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации и соединён с тремя другими атомами прочными ковалентными σ-связями. Длина этих связей составляет около $0,142$ нм. Четвёртые валентные p-электроны атомов углерода образуют единую делокализованную π-систему над и под плоскостью листа, что обуславливает большинство его выдающихся свойств.

Механические свойства: Графен — самый прочный из известных материалов. Его предел прочности достигает $130$ ГПа, что примерно в 200 раз прочнее стали той же толщины. При этом он очень лёгкий и гибкий.

Электрические свойства: Графен обладает аномально высокой подвижностью носителей заряда, что делает его идеальным проводником. Электроны в нём ведут себя как безмассовые частицы, двигаясь с очень высокой скоростью. Это делает его перспективным материалом для создания нового поколения сверхбыстрых транзисторов и электроники.

Тепловые свойства: Графен — превосходный проводник тепла, его теплопроводность при комнатной температуре (свыше $3000$ Вт/(м·К)) превышает теплопроводность алмаза и меди, что важно для отвода тепла в микроэлектронных устройствах.

Оптические свойства: Одноатомный слой графена практически прозрачен, он поглощает лишь $2,3$% падающего на него света в видимом диапазоне, что открывает возможности для его использования в прозрачных токопроводящих покрытиях для дисплеев и солнечных элементов.

Применение

Благодаря своим уникальным характеристикам, графен имеет огромный потенциал применения в самых разных сферах:

Электроника: гибкие экраны, сверхбыстрые процессоры, прозрачные электроды.

Композиты: добавление графена в пластик, резину или металл может кардинально улучшить их прочность, электро- и теплопроводность.

Энергетика: высокоэффективные электроды для аккумуляторов и суперконденсаторов, компоненты для солнечных батарей.

Медицина: биосенсоры для быстрой диагностики, системы адресной доставки лекарств, компоненты для искусственных тканей.

Фильтрация: графеновые мембраны могут использоваться для опреснения морской воды и очистки жидкостей и газов на молекулярном уровне.

Ответ:

Представлено сообщение об одной из аллотропных модификаций углерода — графене. В сообщении описаны история открытия материала, его уникальная двумерная структура на основе $sp^2$-гибридизированных атомов углерода, а также его выдающиеся свойства: высочайшая механическая прочность, превосходная электро- и теплопроводность, оптическая прозрачность. Перечислены основные перспективные области применения графена, от электроники и композитных материалов до энергетики, медицины и технологий фильтрации.

13. Коксохимическое производство относится к взрывоопасным. Как вы думаете, почему?

Решение

Коксохимическое производство относится к категории взрывоопасных из-за целого ряда факторов, связанных с технологическим процессом переработки каменного угля. Основная причина заключается в образовании, обращении и переработке горючих и взрывоопасных веществ на всех стадиях производства.

Ключевыми факторами взрывоопасности являются:

1. Образование коксового газа. Процесс коксования (высокотемпературный нагрев угля без доступа воздуха до 900–1100°C) приводит к образованию коксового газа. Это сложная смесь горючих газов, в состав которой входят водород ($H_2$, около 55–60%), метан ($CH_4$, около 23–27%), оксид углерода (II) ($CO$, около 5–8%) и другие углеводороды. Все эти компоненты образуют с воздухом взрывоопасные смеси в широком диапазоне концентраций. При любой утечке из коксовых печей, газопроводов или аппаратуры и наличии источника зажигания (искра, раскаленная поверхность) может произойти взрыв.

2. Наличие угольной пыли. Уголь, используемый в качестве сырья, перед загрузкой в печи измельчается. Мелкая угольная пыль, взвешенная в воздухе (в виде аэрозоля), способна образовывать чрезвычайно взрывоопасные пылевоздушные смеси. Взрывы угольной пыли отличаются большой разрушительной силой.

3. Получение горючих побочных продуктов. В процессе охлаждения и очистки коксового газа из него выделяют ценные химические продукты: каменноугольную смолу и сырой бензол. Сырой бензол — это смесь легковоспламеняющихся и летучих ароматических углеводородов (бензол $C_6H_6$, толуол $C_7H_8$, ксилолы $C_8H_{10}$). Их пары также образуют с воздухом взрывоопасные смеси, что создает дополнительный риск на участках их переработки и хранения.

4. Высокотемпературный режим. Сам технологический процесс протекает при очень высоких температурах. Раскаленные поверхности коксовых печей и другого оборудования сами по себе являются постоянным потенциальным источником воспламенения при нарушении герметичности системы и утечке горючих веществ.

Таким образом, сочетание большого количества горючих газов, взрывоопасной пыли, легковоспламеняющихся жидкостей и наличия высокотемпературных источников зажигания делает коксохимическое производство одним из наиболее взрыво- и пожароопасных в промышленности.

Ответ: Коксохимическое производство является взрывоопасным, потому что в процессе коксования угля образуется большое количество горючего и взрывоопасного коксового газа (содержащего водород, метан, угарный газ), используется взрывоопасная угольная пыль, а также получаются легковоспламеняющиеся жидкие продукты (например, сырой бензол). Любая утечка этих веществ может привести к образованию взрывоопасной смеси с воздухом, которая может быть воспламенена от раскаленного оборудования или случайной искры.