Страница 197 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Каково строение нашей планеты? Какие химические элементы преобладают в каждой из оболочек Земли?

Каково строение нашей планеты?

Наша планета, Земля, имеет сложное слоистое строение, которое включает внутренние и внешние оболочки (геосферы). Внутреннее строение представлено концентрическими слоями, различающимися по составу и физическим свойствам.

Внутренние оболочки (от центра к поверхности):
Ядро – центральная, самая горячая и плотная часть Земли. Оно делится на твердое внутреннее ядро, состоящее в основном из железо-никелевого сплава, и жидкое внешнее ядро, в котором конвективные потоки расплавленного металла генерируют магнитное поле планеты.
Мантия – самый мощный слой, составляющий большую часть объема Земли. Она простирается от ядра до земной коры. Вещество мантии находится в твердом, но пластичном состоянии, что позволяет ему медленно течь. Верхний слой мантии называется астеносферой, по ней "плавают" литосферные плиты.
Земная кора – самая верхняя, твердая и тонкая оболочка. Различают два её типа: более толстую и легкую континентальную (материковую) кору и более тонкую и плотную океаническую кору.

Внешние оболочки (геосферы), которые взаимодействуют друг с другом:
Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и самую верхнюю, твердую часть мантии.
Гидросфера – это совокупность всех водных ресурсов планеты, включая океаны, моря, озера, реки, подземные воды, ледники и водяной пар в атмосфере.
Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю и защищающая жизнь на ней от вредного космического излучения.
Биосфера – это область распространения жизни, "живая" оболочка Земли, которая охватывает части всех вышеупомянутых сфер.

Ответ: Земля имеет слоистое строение, включающее внутренние слои (ядро, мантия, земная кора) и внешние оболочки, или геосферы (литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера). Ядро состоит из твердой внутренней и жидкой внешней частей, мантия — вязко-пластичная, а земная кора — твердая внешняя оболочка.

Какие химические элементы преобладают в каждой из оболочек Земли?

Химический состав геосфер Земли значительно различается. Преобладание тех или иных элементов определяет физические и химические свойства каждой оболочки.

Земная кора: Наиболее распространены кислород (О), составляющий около 47% массы, и кремний (Si) – около 28%. За ними следуют алюминий (Al, 8%), железо (Fe, 5%), кальций (Ca, 3,6%) и другие элементы.

Мантия: Состоит преимущественно из силикатов магния и железа. Основные элементы по массе — это кислород (O, ~45%), магний (Mg, ~23%) и кремний (Si, ~22%).

Ядро: Состоит из самых тяжелых элементов, в основном из железа (Fe), на долю которого приходится 85–90%, и никеля (Ni) – около 5–10%.

Гидросфера: Поскольку основной компонент — вода ($H_2O$), то по массе преобладают кислород (O, ~86%) и водород (H, ~11%). Среди растворенных веществ в Мировом океане доминируют ионы хлора (Cl) и натрия (Na).

Атмосфера: Газовая оболочка состоит в основном из двухатомных молекул. По объему преобладает азот ($N_2$) – около 78%, за ним следует кислород ($O_2$) – около 21%. Третий по распространенности газ — инертный аргон (Ar, ~0,9%).

Ответ: В земной коре преобладают кислород и кремний; в мантии — кислород, магний и кремний; в ядре — железо и никель; в гидросфере — кислород и водород (как компоненты воды); в атмосфере — азот и кислород.

2. Что такое минералы, осадочные породы? Приведите названия пяти минералов из коллекции Минералогического музея им. А. Е. Ферсмана. Для выполнения задания воспользуйтесь сайтом музея.

Минералы — это природные твёрдые тела, обладающие определённым химическим составом и упорядоченной кристаллической структурой. Они образуются в ходе различных геологических процессов в земной коре. Каждый минерал имеет свой уникальный набор физических свойств, таких как твёрдость (по шкале Мооса), цвет, блеск, плотность, спайность (способность раскалываться по определённым плоскостям) и химическую формулу. Примерами широко известных минералов являются кварц, полевой шпат, кальцит.

Осадочные горные породы — это породы, которые формируются на поверхности Земли в условиях относительно низких температур и давлений. Их образование происходит в результате накопления и последующего уплотнения и цементации (литификации) осадков. Эти осадки могут быть:
1. Обломочными — частицами разрушенных ранее существовавших пород (например, песок, галька, глина), образующими песчаник, конгломерат или аргиллит.
2. Хемогенными — результатом химического осаждения из воды (например, каменная соль, гипс).
3. Органогенными — состоять из остатков живых организмов (например, раковин, скелетов), образующими известняк-ракушечник, мел или уголь.

Минералогический музей им. А. Е. Ферсмана РАН обладает одной из самых богатых и известных коллекций минералов в мире. На основе информации, представленной на официальном сайте музея, можно привести следующие пять примеров минералов из его коллекции:
1. Золото (самородный элемент)
2. Алмаз (самородный элемент)
3. Малахит (карбонат)
4. Азурит (карбонат)
5. Топаз (силикат)

Ответ: Минералы — это природные твёрдые кристаллические вещества с определённым химическим составом. Осадочные породы — это породы, образовавшиеся на поверхности Земли из накопленных осадков. Примеры пяти минералов из коллекции Минералогического музея им. А. Е. Ферсмана: золото, алмаз, малахит, азурит, топаз.

3. Охарактеризуйте химический состав гидросферы. Соединения каких химических элементов, помимо кислорода и водорода, преобладают в Мировом океане?

Химический состав гидросферы, водной оболочки Земли, является сложным и неоднородным. Основу гидросферы составляет вода ($H_2O$), поэтому наиболее распространенными элементами в ней являются кислород и водород. Однако природная вода всегда содержит растворенные вещества, состав и концентрация которых определяют ее тип.

Можно выделить два основных типа природных вод:

1. Соленые воды Мирового океана. Они составляют около 97,5% от общего объема гидросферы. Это водные растворы с высокой средней соленостью около 35‰ (35 грамм солей на литр воды). В солевом составе преобладают хлориды и сульфаты.

2. Пресные воды. К ним относятся воды рек, озер, ледников и подземные воды (около 2,5% от объема гидросферы). Их минерализация значительно ниже (менее 1‰). В их составе чаще всего преобладают гидрокарбонаты и ионы кальция, что зависит от горных пород, через которые протекает вода.

Помимо солей, в воде растворены газы (кислород, углекислый газ, азот), а также присутствуют органические вещества и взвешенные твердые частицы.

Соединения каких химических элементов, помимо кислорода и водорода, преобладают в Мировом океане?

В водах Мирового океана, помимо кислорода и водорода, входящих в состав самой молекулы воды, преобладают элементы, формирующие ее солевой состав. Эти элементы находятся в воде преимущественно в виде ионов. В порядке убывания концентрации, главными из них являются:

• Хлор (Cl) в виде хлорид-иона ($Cl^-$)
• Натрий (Na) в виде иона натрия ($Na^+$)
• Магний (Mg) в виде иона магния ($Mg^{2+}$)
• Сера (S) в виде сульфат-иона ($SO_4^{2-}$)
• Кальций (Ca) в виде иона кальция ($Ca^{2+}$)
• Калий (K) в виде иона калия ($K^+$)

Эти ионы образуют различные соли, растворенные в воде. Основное соединение — это хлорид натрия ($NaCl$), который и придает морской воде характерный соленый вкус. В значительных количествах также присутствуют соли магния (например, хлорид магния $MgCl_2$ и сульфат магния $MgSO_4$), кальция и калия.

Ответ: Химический состав гидросферы в основном представлен водой ($H_2O$) с растворенными в ней минеральными солями, газами и органическими веществами. Состав варьируется от пресных вод суши до соленых вод Мирового океана. В Мировом океане, помимо кислорода и водорода, преобладают соединения химических элементов, образующих соли. В первую очередь это хлор (Cl) и натрий (Na), которые формируют хлорид натрия ($NaCl$). За ними следуют магний (Mg), сера (S), кальций (Ca) и калий (K), образующие другие растворенные соли.

4. Расскажите о составе атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух — это сложная механическая смесь газов, которая образует газовую оболочку нашей планеты — атмосферу. Состав воздуха не является абсолютно постоянным и может незначительно меняться в зависимости от географического положения, высоты над уровнем моря, времени года и суток, а также от наличия локальных источников загрязнения. Однако для чистого сухого воздуха у поверхности Земли можно выделить усредненный состав.

Состав воздуха принято делить на три основные группы компонентов: постоянные, переменные и случайные (примеси).

Постоянные компоненты

Это газы, процентное содержание которых в атмосфере практически неизменно. Они составляют основную часть (более 99,9%) объема воздуха.

• Азот ($N_2$): Является самым распространенным газом в земной атмосфере. Его объемная доля составляет примерно 78,08%. Азот химически малоактивен (инертен) в обычных условиях, он разбавляет кислород и регулирует скорость процессов окисления и горения. При этом азот играет важнейшую биологическую роль, так как входит в состав всех белков и нуклеиновых кислот живых организмов.
• Кислород ($O_2$): Второй по распространенности газ, его содержание составляет около 20,95% по объему. Кислород жизненно необходим для дыхания подавляющего большинства живых организмов на планете (аэробное дыхание). Также он является сильным окислителем и поддерживает процессы горения.
• Аргон (Ar): Третий по содержанию компонент, благородный (инертный) газ. Его доля — около 0,93%. Из-за своей химической инертности не участвует в биологических и большинстве химических процессов в атмосфере.
• Другие инертные газы: В очень малых, но постоянных концентрациях в воздухе присутствуют неон (Ne), гелий (He), криптон (Kr) и ксенон (Xe). Их общая доля крайне мала, менее 0,01%.

Переменные компоненты

Это газы, концентрация которых в воздухе может значительно колебаться в зависимости от различных природных и антропогенных факторов.

• Углекислый газ ($CO_2$): Его средняя концентрация составляет около 0,04%, однако эта величина постоянно растет из-за сжигания ископаемого топлива, промышленных процессов и вырубки лесов. Углекислый газ используется растениями в процессе фотосинтеза и является одним из ключевых парниковых газов, влияющих на глобальное потепление и изменение климата.
• Водяной пар ($H_2O$): Содержание водяного пара в атмосфере очень изменчиво: от почти нулевых значений в холодных арктических пустынях до 4% в жарких и влажных тропических лесах. Водяной пар — самый мощный природный парниковый газ, он играет центральную роль в формировании погоды, облаков и осадков, а также в переносе тепла по планете.
• Озон ($O_3$): Концентрация озона сильно зависит от высоты. В нижнем слое атмосферы (тропосфере) он является опасным загрязнителем, компонентом смога. Однако в стратосфере, на высоте 20–30 км, он образует "озоновый слой", который поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, защищая жизнь на Земле.

Случайные компоненты (аэрозольные примеси)

Кроме газообразных веществ, в воздухе всегда содержатся взвешенные твердые и жидкие частицы, называемые аэрозолями. Их состав и количество сильно варьируются.

• Природные примеси: К ним относятся вулканический пепел, пыльца растений, споры грибов, частицы почвы и пыли, поднимаемые ветром, кристаллы морской соли из брызг океанской воды.
• Антропогенные примеси: Это продукты деятельности человека, такие как сажа, оксиды серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$) от сжигания топлива, промышленные выбросы, частицы асфальта и автомобильных шин. Эти примеси вызывают загрязнение воздуха, кислотные дожди и могут негативно влиять на здоровье людей и экосистемы.

Ответ:

Атмосферный воздух — это смесь газов, основными постоянными компонентами которой являются азот ($N_2$, ~78,08%), кислород ($O_2$, ~20,95%) и аргон (Ar, ~0,93%). К важным переменным компонентам относятся углекислый газ ($CO_2$, ~0,04%), влияющий на климат, и водяной пар ($H_2O$, 0–4%), определяющий влажность и погоду. Также в воздухе в малых количествах содержатся озон ($O_3$), другие инертные газы и различные твердые и жидкие примеси (аэрозоли) как природного (пыль, пыльца), так и антропогенного (сажа, промышленные выбросы) происхождения.

5. Один из самых солёных водоёмов на планете — Мёртвое море. Для того чтобы приготовить аналог его вод, нужно в 1 л чистой воды растворить 490 г соли. Рассчитайте массовую долю солей в Мёртвом море.

Дано:

Объем чистой воды, $V(\text{H}_2\text{O}) = 1$ л
Масса соли, $m(\text{соли}) = 490$ г
Принять плотность чистой воды, $\rho(\text{H}_2\text{O}) \approx 1000$ г/л

Найти:

Массовую долю солей, $\omega(\text{солей})$

Решение:

Массовая доля растворенного вещества ($\omega$) определяется как отношение массы этого вещества к общей массе раствора. Формула для расчета:
$\omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})}$

Масса раствора ($m(\text{раствора})$) является суммой массы растворителя (в данном случае воды) и массы растворенного вещества (соли).
$m(\text{раствора}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{соли})$

1. Для начала найдем массу 1 литра чистой воды, зная её объем и плотность.
$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \cdot \rho(\text{H}_2\text{O})$
$m(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ л} \cdot 1000 \text{ г/л} = 1000 \text{ г}$

2. Далее вычислим общую массу полученного раствора.
$m(\text{раствора}) = 1000 \text{ г} + 490 \text{ г} = 1490 \text{ г}$

3. Теперь можно рассчитать массовую долю солей. Для выражения результата в процентах, полученное значение нужно умножить на 100%.
$\omega(\text{солей}) = \frac{m(\text{соли})}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{490 \text{ г}}{1490 \text{ г}} \cdot 100\%$
$\omega(\text{солей}) = \frac{49}{149} \cdot 100\% \approx 0.328859 \cdot 100\% \approx 32.89\%$

Округлим результат до десятых долей процента.

Ответ: массовая доля солей в Мёртвом море составляет $\approx 32.9\%$.

6. Массовые доли элементов в минерале криолите составляют: калий — 58,2 %, алюминий — 13,4 %, фтор — 28,4 %. Определите формулу минерала.

Дано:

Массовая доля калия $\omega(K) = 58.2\% = 0.582$
Массовая доля алюминия $\omega(Al) = 13.4\% = 0.134$
Массовая доля фтора $\omega(F) = 28.4\% = 0.284$

Найти:

Простейшую формулу минерала ($K_xAl_yF_z$) - ?

Решение:

Для определения формулы минерала необходимо найти соотношение числа атомов элементов, входящих в его состав. Это соотношение равно соотношению количеств веществ (числу молей) этих элементов.

1. Примем массу образца минерала за 100 г. Тогда массы элементов в этом образце будут численно равны их массовым долям в процентах:

$m(K) = 100 \text{ г} \cdot 0.582 = 58.2 \text{ г}$
$m(Al) = 100 \text{ г} \cdot 0.134 = 13.4 \text{ г}$
$m(F) = 100 \text{ г} \cdot 0.284 = 28.4 \text{ г}$

2. Найдем количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя их молярные массы (округленные до целых для простоты расчетов, что является стандартной практикой в школьных задачах):

$M(K) \approx 39 \text{ г/моль}$
$M(Al) \approx 27 \text{ г/моль}$
$M(F) \approx 19 \text{ г/моль}$

$\nu(K) = \frac{m(K)}{M(K)} = \frac{58.2 \text{ г}}{39 \text{ г/моль}} \approx 1.492 \text{ моль}$
$\nu(Al) = \frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{13.4 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} \approx 0.496 \text{ моль}$
$\nu(F) = \frac{m(F)}{M(F)} = \frac{28.4 \text{ г}}{19 \text{ г/моль}} \approx 1.495 \text{ моль}$

3. Найдем соотношение количеств веществ элементов. Индексы в формуле (x, y, z) относятся друг к другу как количества веществ:

$x : y : z = \nu(K) : \nu(Al) : \nu(F)$

$x : y : z \approx 1.492 : 0.496 : 1.495$

4. Для нахождения целочисленного соотношения разделим все значения на наименьшее из них (0.496):

$x = \frac{1.492}{0.496} \approx 3.01 \approx 3$
$y = \frac{0.496}{0.496} = 1$
$z = \frac{1.495}{0.496} \approx 3.01 \approx 3$

Таким образом, соотношение атомов в минерале K:Al:F равно 3:1:3.

Простейшая (эмпирическая) формула минерала - $K_3AlF_3$.

5. Проведем проверку. Рассчитаем массовые доли элементов для формулы $K_3AlF_3$:

$M(K_3AlF_3) = 3 \cdot 39 + 27 + 3 \cdot 19 = 117 + 27 + 57 = 201 \text{ г/моль}$

$\omega(K) = \frac{3 \cdot M(K)}{M(K_3AlF_3)} \cdot 100\% = \frac{117}{201} \cdot 100\% \approx 58.2\%$
$\omega(Al) = \frac{M(Al)}{M(K_3AlF_3)} \cdot 100\% = \frac{27}{201} \cdot 100\% \approx 13.4\%$
$\omega(F) = \frac{3 \cdot M(F)}{M(K_3AlF_3)} \cdot 100\% = \frac{57}{201} \cdot 100\% \approx 28.4\%$

Расчетные значения совпадают с данными в условии задачи.

Ответ: Формула минерала: $K_3AlF_3$.

7. Одна из глобальных проблем человечества — нехватка пресной воды. При этом, например, в прибрежных странах Африки солёных вод предостаточно. Какие способы опреснения морской воды вы можете предложить?

Опреснение морской воды — это процесс удаления из неё растворённых солей с целью получения пресной воды, пригодной для питья, бытовых нужд и промышленного использования. Для решения этой задачи, особенно актуальной для засушливых прибрежных регионов, таких как страны Африки, можно предложить несколько основных методов.

Дистилляция (испарение)

Это традиционный метод, основанный на принципе испарения воды с последующей конденсацией пара. Морскую воду нагревают до кипения. Вода превращается в пар, а соли и другие примеси, имеющие гораздо более высокую температуру кипения, остаются в исходном растворе (рассоле). Затем чистый водяной пар собирается в специальной камере (конденсаторе), охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, образуя пресную воду (дистиллят). Этот процесс является, по сути, технологическим аналогом природного круговорота воды.

Для повышения эффективности и снижения энергозатрат в промышленности используются усовершенствованные технологии дистилляции:

• Многостадийная флеш-дистилляция (MSF – Multi-Stage Flash): горячая вода под давлением последовательно подается в камеры с progressively более низким давлением, где она мгновенно вскипает.
• Многокорпусная дистилляция (MED – Multi-Effect Distillation): процесс испарения и конденсации происходит в нескольких последовательных блоках («корпусах»), причем пар, полученный в предыдущем корпусе, используется для нагрева воды в следующем.

Основным недостатком дистилляционных методов является их высокая энергоёмкость. Однако они эффективны для опреснения очень солёной воды и могут использовать сбросное тепло промышленных предприятий или электростанций.

Ответ: Метод дистилляции заключается в выпаривании солёной воды и последующей конденсации чистого водяного пара для получения пресной воды.

Обратный осмос

На сегодняшний день это наиболее распространённый и экономически выгодный метод опреснения. Он основан на использовании полупроницаемых мембран, способных пропускать молекулы воды, но задерживать ионы растворённых солей. В естественных условиях, при явлении осмоса, вода стремится перейти из менее концентрированного раствора в более концентрированный. В процессе обратного осмоса к морской воде прикладывается внешнее давление, превышающее её осмотическое давление (для морской воды это около 25-30 атмосфер). Под действием этого давления молекулы воды "продавливаются" через мембрану в обратном направлении — из солёной воды в пресную, оставляя соли и примеси по другую сторону мембраны. В результате исходный поток разделяется на пресную воду (пермеат) и концентрированный солевой раствор (рассол), который сбрасывается обратно в море.

Метод обратного осмоса требует значительно меньше энергии, чем дистилляция, и установки могут быть более компактными. Ключевыми сложностями являются необходимость тщательной предварительной очистки воды во избежание засорения и повреждения дорогостоящих мембран, а также проблема утилизации высокоминерализованного рассола.

Ответ: Метод обратного осмоса использует высокое давление для продавливания морской воды через полупроницаемую мембрану, которая пропускает молекулы воды, но задерживает ионы солей.

Вымораживание (замораживание)

Этот физический метод основан на том факте, что при замерзании солёной воды образуются кристаллы практически пресного льда, в то время как соли концентрируются в оставшемся жидком рассоле. Процесс заключается в медленном охлаждении морской воды до температуры ниже точки замерзания. Образовавшийся лёд затем механически отделяют от рассола, промывают для удаления остатков соли и растапливают, получая пресную воду.

Энергозатраты на замораживание теоретически ниже, чем на испарение, так как удельная теплота плавления льда ($L \approx 334$ кДж/кг) существенно меньше удельной теплоты парообразования воды ($r \approx 2260$ кДж/кг). Однако на практике этот метод сталкивается с техническими трудностями, связанными с эффективным отделением кристаллов льда от вязкого холодного рассола, что делает его менее распространенным по сравнению с обратным осмосом и дистилляцией.

Ответ: Метод вымораживания позволяет получить пресную воду путём замораживания солёной воды, отделения образовавшихся кристаллов пресного льда и их последующего плавления.

Электродиализ

Электродиализ — это электрохимический мембранный процесс. В его основе лежит свойство ионов (носителей солей) перемещаться в электрическом поле. В аппарат для электродиализа (электродиализатор) помещают специальные ионообменные мембраны: катионообменные, пропускающие только положительно заряженные ионы (катионы, например, $Na^+$), и анионообменные, пропускающие только отрицательно заряженные ионы (анионы, например, $Cl^−$).

Мембраны располагаются поочередно между двумя электродами (анодом и катодом). При подаче электрического тока ионы солей начинают двигаться к соответствующим электродам и проходят через мембраны, скапливаясь в одних камерах (образуя концентрат) и покидая другие (образуя опресненную воду, или дилюат). Энергозатраты этого метода напрямую зависят от количества удаляемых солей, поэтому он наиболее эффективен для опреснения слабо- и среднесолёных (солоноватых) вод, но менее экономичен для морской воды высокой солёности.

Ответ: Метод электродиализа использует электрический ток и систему ионообменных мембран для селективного удаления ионов солей из воды.