Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач

Задача 8. То подъёмы, то спуски…**

При восхождении в горы альпинисты поднимаются на высоту, затем спускаются ниже. При следующем подъёме поднимаются ещё выше и так повторяют несколько раз. Этот процесс адаптации, или акклиматизации, особенно важен и необходим для начинающих альпинистов.

Почему нужно спуститься с горы перед тем, как опять подняться?

Контрольный ответ

Высоко в горах давление низкое, воздух разрежен. На высоте при каждом вдохе человек получает меньше кислорода, чем обычно. Он начинает испытывать кислородное голодание: болит голова, повышается утомляемость, появляется сонливость, трудности с дыханием. Именно поэтому нужно спуститься, чтобы оказаться в привычных условиях для восстановления функций организма. При следующем подъёме недостаток кислорода воспринимается не так остро, организм привыкает к условиям высоты – происходит акклиматизация.

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

Задача 9. Смог в квартире**

Уличный воздух загрязнён. Пыль, мусор, автомобили, промышленные предприятия – всё это загрязняет воздух вредными выбросами. А дома чисто и тепло. В «родных стенах» люди в полной безопасности. Однако иногда воздух в квартирах бывает в разы грязнее уличного!

Чем может быть загрязнён воздух в помещении?

Контрольный ответ

Без притока свежего воздуха в жилом помещении становится душно, уменьшается количество кислорода и увеличивается содержание углекислого газа.

Люди выделяют в воздух бактерии и вирусы: на улице они рассеиваются, а в замкнутом помещении – нет. Поэтому большинство простудных и инфекционных заболеваний распространяются внутри помещений.

Плесень, пыль от ковров и одежды, шерсть домашних животных – все эти «элементы комфортной жизни» могут вызывать аллергические реакции.

Летучие загрязняющие компоненты могут выделяться из мебели, ламината, лежащего на полу, и других изделий, находящихся в комнатах.

Так что проветривайте почаще дома и в классе!

Кстати…

Состав воздуха в атмосфере не одинаков. К примеру, в крупных городах содержание углекислого газа выше, чем в лесах. А над океанами воздух имеет бо́льшую влажность.

Хотите знать больше?

Кислород выделяется зелёными растениями в ходе фотосинтеза. Те же растения расходуют кислород при дыхании. А ещё кислород расходуется на разложение растительных остатков. Поэтому в некоторых растительных сообществах кислородный баланс близок к нулю (то есть сколько кислорода они выделяют в ходе фотосинтеза, столько же поглощают на дыхание и разложение). А есть растительные сообщества, в которых кислородный баланс положительный (они выделяют больше кислорода, чем поглощают). Положительный кислородный баланс означает, что в таких сообществах либо увеличивается живая биомасса, либо отмершие остатки захораниваются без разложения. Первый случай – это молодые леса, биомасса в которых растёт за счёт роста деревьев. Второй случай – это болота и океанский фитопланктон. В болотах органическое вещество захоранивается в виде торфа, а океанский фитопланктон, отмирая, оседает на дно.

Подробнее о фабрике кислорода на планете читайте в статье автора портала «Географ и глобус» «Где находятся настоящие лёгкие планеты».

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

СО2 – диоксид углерода (по правилам), углекислота

(в быту), оксид углерода (IV), двуокись углерода, угольный ангидрид (устар.), углекислый газ (в газообразном состоянии), сухой лёд (в твёрдом состоянии).

Задача 10. Как изучали «искусственный

воздух»**

В XVII веке члены Лондонского королевского общества пытались получить воздух искусственно. Получали его разными путями. Например, подогревали крепкое пиво, смешивали разные жидкости и вещества: винный камень и купоросное масло, спирт и скипидар, вино и бычью желчь. Больше всего «воздуха» получил Роберт Гук, приливая перегнанный уксус к толчёным устричным ракушкам. Выделяющийся при этом «воздух» собирали в надетый на стеклянную трубку бычий пузырь. Учёные ликовали: они сделали важное открытие, научились искусственно добывать воздух!

Один из основателей и секретарь общества, Джон Уилкинс, так убеждал коллег: пузырь, когда он лежит рядом с горелкой, сильно раздувается, а на холодном окне сморщивается. А всё, что так сильно сжимается в холоде и расширяется в тепле, есть не что иное, как воздух.

Однако один из учёных, Роберт Бойль, сомневался… Он хотел быть уверенным, что добытый воздух не хуже естественного и может заменить его.

Как доказать или опровергнуть утверждение, что добытый искусственный «воздух» такой же, как самый настоящий естественный воздух?

Контрольный ответ

Бойль и Гук решили изучить, пригоден ли искусственный «воздух» для дыхания. Для этого они помещали животное в приёмник воздушного насоса, откачивали воздух и тут же быстро вводили искусственный воздух.

Кстати…

Учёные провели опыты с воробьями, мышами, пытались дышать им сами, но кашляли и задыхались… Пробовали добывать искусственный воздух из новых и новых смесей веществ – безрезультатно. Бойль рассуждал: «Непостижимо! Все живые существа дышат воздухом, который стар, как мир! Они довольствуются этим загрязнённым, затасканным и отказываются от свежего, только что приготовленного!» Оставалось признать: воздух воздуху рознь. Добываемый искусственно воздух чем-то резко отличался от естественного. Но чем? Ответ на этот вопрос тогда никому не приходил в голову.

Подумайте…*

Много месяцев спустя Роберт Гук вернулся к опытам над искусственным воздухом.

Предложите, какие ещё опыты можно поставить с искусственным воздухом, чтобы исследовать его свойства?

Контрольный ответ

Гук изучал, возможно ли в искусственном воздухе горение. Пламя в нём гасло.

Кстати…

Гук сделал вывод: в искусственном воздухе, в отличие от естественного, нет какого-то вещества, которое поддерживает горение и необходимо для дыхания.

Хотите знать больше?

Только в XVIII веке Антуан Лоран Лавуазье обнаружил и доказал, что мы вдыхаем кислород, а выдыхаем углекислый газ. Теперь для нас это очевидно, но тогда научный мир встретил эту теорию враждебно. Если вам интересно, как учёные разгадывали тайны воздуха, почитайте книгу Лейбсона Л. Г. «Разгаданный воздух: повесть из истории химии и физиологии».

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

СО2 – диоксид углерода (по правилам), углекислота

(в быту), оксид углерода (IV), двуокись углерода, угольный ангидрид (устар.), углекислый газ (в газообразном состоянии), сухой лёд (в твёрдом состоянии).

CH3COOH – уксусная кислота, этановая кислота (по правилам), уксус (в быту).

CaCO3 – карбонат кальция (по правилам), известь (в быту), кальцит, мрамор, арагонит, исландский шпат (минералы).

Задача 11. Как изучали горение**

Девизом Лондонского королевского общества были слова «Nullius in verba», что в переводе с латыни означало «Ничего со слов»: доказательством считались лишь эксперименты, а члены общества полагались только на научные свидетельства. Опыты показали, что и для дыхания, и для горения нужен свежий натуральный воздух, а не тот искусственный, что учёные получали при разных процессах. В закупоренной ёмкости с ним гасла свеча и погибала мышь. Однако возникли споры: не гаснет ли свеча оттого, что воздух в банке совершенно неподвижен, в то время как в обычных условиях он находится в непрерывном движении.

Как проверить эту гипотезу? Предложите опыт, с помощью которого можно доказать, зависит ли горение от движения воздуха.

Контрольный ответ

Такой опыт поставил Роберт Гук. Он соединил с герметически закрытым сосудом мехи, поместил в сосуд тлеющий уголёк и вгонял и выгонял один и тот же воздух взад и вперёд. Несмотря на сильное движение воздуха, уголёк угасал. Достаточно было вдунуть в сосуд свежий воздух, как уголёк вспыхивал. Значит, дело не в движении, а в притоке свежего воздуха.

Заседание Королевского общества в Крейн-корте

Задача 12. Горение без флогистона***

В XVIII веке господствовала теория флогистона. Когда вещество горит, оно теряет свою составную часть – флогистон, и его становится меньше. Это доказывали тем, что при сжигании угля или серы количество вещества уменьшалось. Но в 1775 году Антуан Лоран Лавуазье представил в Парижскую академию наук труд о прокаливании олова, в котором изложил опыт и его результат: вес вещества увеличился при горении!

Какой опыт поставил Лавуазье, чтобы доказать, что при горении вес вещества увеличивается?

Контрольный ответ

Лавуазье прокаливал олово в замкнутом сосуде, и оно превратилось в оксид олова. Общий вес сосуда остался неизменным, вес металла увеличился, а вес воздуха уменьшился. Увеличение веса металла было равно весу той части воздуха, которая исчезла при прокаливании.

Кстати…

Этим опытом Лавуазье доказал, что металл, сгорая, соединяется с какой-то частью воздуха. Он дал ей название «здоровый воздух», затем – «чистый воздух», «жизненный воздух», и, наконец, «оксиген» – кислород. Лавуазье нагревал на воздухе разные металлы, и вес золы всегда превышал вес исходного вещества. Это опровергало теорию флогистона, хотя её сторонники и пытались спасти теорию, объясняя увеличение массы металла при прокаливании отрицательной массой флогистона.

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

Sn – олово.

SnО2 – диоксид олова (по правилам), оксид олова (IV),

двуокись олова (устар.), касситерит (минерал).

Задача 13. Чтобы огонь не умер***

⠀

Для процесса горения нужны топливо и кислород. И ещё что-то, что это топливо подожжёт. При интенсивном горении кислород быстро выгорает, и огонь гаснет. Чтобы горение продолжалось, нужен постоянный приток кислорода. Кузнецы раздували огонь мехами – подгоняли порции свежего воздуха. Но недостаток кислорода всегда ограничивал горение.

Как сделать так, чтобы горение протекало быстро и не нуждалось в притоке кислорода?

Контрольный ответ

Нужно, чтобы топливо уже заключало в себе кислород. Для этого к горючему веществу нужно примешать окислитель – вещество, которое выделяет кислород при нагревании. При повышении температуры кислород начнёт выделяться и горючее будет в нём сгорать. Воздух для горения такой смеси не нужен.

Кстати…

Эту задачу решили с изобретением пороха. Входящая в его состав селитра при нагревании разлагается с выделением кислорода. Топливом в порохе служит смесь древесного угля и серы, которые горят без дополнительного притока кислорода, получая его только из разлагающейся селитры.

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

KNO3 – нитрат калия (по правилам), калиевая селитра,

калийная селитра (в быту), азотнокислый калий (устар.),

индийская селитра (истор.).

С – углерод; уголь, алмаз, графит (минералы), древесный уголь, активированный уголь, сажа (в зависимости

от способа получения).

S – сера.

Задача 14. Кислорода нам, и побольше!**

Воздух, которым мы дышим, только на одну пятую состоит из кислорода. Но во многих фильмах спасатели надевают пострадавшему кислородную маску, чтобы человек получал больше кислорода. «Вот было бы здорово, – говорит Ника, – если бы все люди дышали чистым кислородом! Пусть бы бесполезного азота в воздухе было меньше, а полезного кислорода больше! Пусть бы больницы и школы вместо воздуха наполнили кислородом – все дети лучше бы учились, а больные быстрее выздоравливали…»

Объясни Нике, почему этого не делают?

Контрольный ответ

Без кислорода жизнь невозможна. Но и в чистом кислороде жить нельзя. Больные люди или пострадавшие в серьёзных авариях получают кислород для дыхания недолго и только для того, чтобы мозг и сердце получили достаточно кислорода в тот момент, когда тело не может полноценно функционировать. Если долго вдыхать много кислорода, то наступит кислородное отравление: кислород начнёт окислять ткани, в первую очередь – мембраны альвеол лёгких. Поэтому азот для воздуха очень важен – он разбавляет кислород и делает воздух безопасным.

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

N2 – азот.

Задача 15. Почему трещат дрова?***

Печка или камин гудят и воют, горящие дрова шипят и потрескивают, а на пожаре можно услышать одиночные сильные «выстрелы», и даже настоящие взрывы. При этом от горящего в ночи костра разлетаются искры, а открытый камин иногда «стреляет» угольками.

Почему дрова трещат и стреляют?

Контрольный ответ

При горении происходят различные химические и физические процессы, они сопровождаются звуковыми явлениями. Подожжённые дрова нагреваются. При нагревании древесина разлагается с образованием летучих продуктов. Именно они поначалу и горят, давая пламя, а если не сгорают – дают дым. Постепенно прогреваются и внутренние слои. В любой древесине, даже в самой сухой, в клеточных стенках и полостях сохраняется вода. При температуре выше 100°С она превращается в водяной пар. Также при нагревании испаряется смола. Пар разрывает волокна древесины с характерным треском. Таких микровзрывов на клеточном уровне миллионы, они слышны как непрерывное потрескивание. Между слоями древесины тоже накапливаются газообразные продукты разложения древесины. Они разрывают волокна и выламывают обуглившуюся древесину, при этом слышен громкий треск и отлетают угольки.

Кстати…

Породы древесины различаются по плотности или твёрдости, структуре, составу смол, степени усушки. От этих характеристик зависит громкость акустических эффектов. Горящие поленья «разговаривают» каждое на свой лад. Практически не трещат твёрдые и плотные бук и дуб. У берёзы, липы, осины, ивы древесина пористая и мягкая, они мирно потрескивают. А смолистые сосновые и еловые дрова «стреляют» искрами и дымят от кипящей взрывающейся смолы.

H2O – оксид диводорода (по правилам), вода (в быту),

оксид водорода (I) (устар.), водяной пар (в газообразном состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

Задача 16. Водород не чище угля и газа?***

Водород называют экотопливом – при его сжигании не образуется ни золы (как при сжигании угля), ни даже углекислого газа (как при сжигании природного газа – метана).

Самый распространённый способ получения водорода в промышленности – паровая конверсия метана: смесь метана и паров воды нагревают на специальных катализаторах. Полученный таким образом водород называют «голубым» (в отличие от «зелёного», который получают электролизом воды под действием электричества, произведённого солнечными батареями или ветряками). Однако ряд учёных высказывают скепсис относительно экологичности «голубого» водорода. По той причине, что при производстве «голубого» водорода происходит не меньше выбросов парниковых газов, чем при сжигании природного газа.

Каковы источники парниковых газов?

Контрольный ответ

1. При паровой конверсии метана выделяется углекислый газ – столько же, сколько при сжигании того же количества метана.

2. Для нагревания реакционной смеси сжигают дополнительные порции метана, в результате чего выделяются дополнительные порции углекислого газа.

3. При добыче метана для получения водорода часть метана теряется, а метан – тоже парниковый газ.

H2 – водород.

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

С – углерод; уголь, алмаз, графит (минералы), древесный уголь, активированный уголь, сажа (в зависимости