Химия: удивительная и понятная. 100 открытых задач

Задача 19. Самый медленный круговорот*

В природе идёт постоянный круговорот воды: вода испаряется с поверхности океанов, пары перемещаются в область над сушей, конденсируются в капли воды, вода проливается в виде дождей и стекает реками обратно в океан. По пути вода задерживается в малых круговоротах – в живых организмах, в промышленности, в сельском хозяйстве. Иногда малые круговороты не выпускают воду в общий круговорот очень долго. Быстрее всего вода обновляется в атмосфере: от двух недель до двух месяцев. Это значит, что капли падающего дождя не более двух месяцев назад были ещё в океане. Вода в почве заменяется новой каждый год. Но глубоко залегающие подземные воды могут удерживать воду тысячи лет. Через глубоководные разломы в океанической земной коре вода просачивается в недра Земли и возвращается на поверхность через вулканы или гидротермальные источники. Весь Мировой океан полностью обновит состав примерно через 3 тысячи лет. Но есть в природе ещё более неизменные воды.

Догадайтесь, какой круговорот воды самый медленный на Земле?

Контрольный ответ

Дольше всего вода задерживается во льдах. Горные ледники обновляются за тысячи лет. Ледники Гренландии и льды вечной мерзлоты – за десятки тысяч лет. В Антарктиде есть лёд, который образовался больше миллиона лет назад.

Хотите знать больше?

Если вы решили найти в природе самую обыкновенную воду, то вы её не отыщете, такой «обыкновенной» воды нет во всём мире. Любая вода необыкновенная. И разнообразие воды зависит от её истории – где она побывала и что с ней происходило. Об удивительном изотопном составе и исключительных, ни на что не похожих свойствах воды читайте в выпуске журнала «Химия и жизнь» №3, 1965, с. 2. Найти статью можно по названию «Самое необыкновенное вещество» на портале «Элементы». Статья академика Игоря Васильевича Петрянова невероятно интересна, и вы точно узнаете что-то новое для себя, а всё известное сложится в систему. Читайте, не пожалеете! «Умейте только видеть и удивляться…»

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

Задача 20. Вода из ниоткуда***

Когда-то древний суперконтинент Гондвана распался на несколько материков, и Атлантический океан разделил Африку и Америку. На месте бывшего гигантского озера почти на экваторе Южной Америки на сотни метров в высоту поднялись вулканические породы, и возникло горное плато из песчаника на гранитном основании. Слои песка уплотнялись и местами цементировались двуокисью кремния из термальных источников, спёкшийся затвердевший песчаник стал похож на камень.

Шли тысячелетия, солнце, вода и ветер разрушали песчаник, и на месте единого огромного плато появилось множество причудливых скал из стойких к эрозии пород – тепуи. Сейчас это восточная часть Венесуэлы. Тепуи называют ещё столовыми горами из-за совершенно плоских вершин, по виду напоминающих огромные столы. С этих «столов» с отвесными стенами срываются каскады водопадов, в том числе и самый высокий на планете водопад Анхель. Снизу кажется, что плато совсем ровные. На самом деле это хаотическое нагромождение скал, каньонов, крутых холмов, пещер и каменистых россыпей. Маленькие и большие озёра, воронки и углубления в виде блюдец с кристально чистой водой, торфяные болота, реки – пятая часть плато покрыта водой. Дожди промыли своды пещер из песчаника, в гигантских трещинах исчезают водные потоки, чтобы стать подземными реками и вырваться потом водопадами из скал на сотни метров ниже края плато. Часто с одной тепуи низвергается несколько водопадов. Например, на вершине Ауян-Тепуи в верховьях реки Чурун находится водопад Чурун-Меру, а ниже по течению – Анхель, который в секунду сбрасывает 300 кубометров воды! Для многих людей остаётся загадкой, из каких источников водопад питается.

Попробуйте объяснить, откуда на плоских бесснежных вершинах тепуи берётся столько воды, чтобы быть истоками водопадов и рек.

Типичный ландшафт тепуи. Фото: Алексей Яковлев

Каньон Дьявола в национальном парке Канайма / Wikimedia,

Эриберт Дезео, CC BY-SA 3.0

Контрольный ответ

На первый взгляд кажется, что такому количеству падающей воды взяться неоткуда. Но этот непрерывный поток можно объяснить круговоротом воды в природе.

Тепуи расположены в тропиках вблизи экватора, в 300—400 километрах от побережья Атлантического океана. Здесь тёплый и влажный климат. Полгода длится дождливый сезон, когда тропические ливни не прекращаются, но даже в сухой сезон дождь может идти несколько дней подряд. За год здесь выпадает 2—4 тонны дождя на каждый квадратный метр.

Леса у подножия испаряют так много влаги, что клубы тумана, как облака, непрерывно поднимаются с тёплых равнин. Даже в сухой сезон над некоторыми вершинами гор постоянно висит большое неподвижное, несмотря на ветер, линзовидное облако. Эти «приклеенные» облака образуются при конденсации водяных паров на высоте точки росы при нисходящем движении воздуха, когда горизонтальные потоки влажного воздуха образуют волны над горными препятствиями.

Чем выше тепуи, тем более холодным и влажным становится воздух. Наверху холодной ночью температура может падать ниже нуля, а в жаркий день плоская вершина нагревается. За счёт резких температурных колебаний по утрам конденсируется влага, и туман окутывает тепуи плотными облаками. Иногда солнце не проглядывает сквозь свинцовые тучи месяцами.

Влага остаётся на каменистом плато, не просачиваясь в глубину, и стекает с поверхности тепуи в виде водопадов.

Зависимость стока от круговорота воды подтверждает и тот факт, что водопады наиболее полноводны во время сезона дождей, а в сухой сезон с декабря по апрель они выглядят не так привлекательно.

Кстати…

Отчёты об экспедициях в район тепуи так впечатлили писателя Артура Конан Дойля, что он использовал этот образ при написании романа «Затерянный мир». В книге он описал затерянное в джунглях плато, населённое доисторическими животными и растениями. И действительно, растительный и животный мир тепуи сохранился таким, каким он был миллионы лет назад, благодаря изоляции каждой горы друг от друга и от джунглей у подножия. На этих «экологических островах» сохранились эндемичные виды, которые больше нигде не встречаются. Из-за непрекращающихся осадков из пород на вершинах вымывается вся органика, здесь практически нет почвы. Растения добывают азот, вступая в симбиоз с грибками, многие из них насекомоядные.

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

N2 – азот.

SiO2 – диоксид кремния (по правилам), оксид кремния (IV), двуокись кремния (устар.), кремнезём (истор.).

Задача 21. Я бегу по воде****

Можно ли ходить по воде? Конечно, если это лужа на асфальте. Можно ли бежать по воде? Да, если это не простая чистая вода, а её густая смесь с крахмалом. Крахмальная суспензия ведёт себя как жидкость, если спокойно опустить в неё руку. Но если резко ударить по ней или прыгнуть на её поверхность, она поведёт себя как твёрдое вещество. В бассейне по такой «твёрдой жидкости» можно бежать, но если остановиться, то сразу начнёшь тонуть, ведь при медленном движении она ведёт себя как жидкость.

Попробуйте объяснить это явление: почему взвесь крахмала в воде приобретает такие свойства?

Контрольный ответ

Эта странная жидкость, суспензия крахмала в воде, ведёт себя то как обычная жидкость, то как твёрдое тело. Если воздействовать на неё резко, сильно, быстро, она проявляет свойства твёрдых тел, а при медленном и слабом воздействии становится жидкостью, течёт. Такое промежуточное состояние вещества между текучей субстанцией и твёрдым телом называют неньютоновской жидкостью. У ньютоновских жидкостей (например, воды) вязкость увеличивается пропорционально скорости сдвига, а у неньютоновских – по другим законам (в данном случае – по экспоненте). Между зёрнами крахмала находится вода, которая выступает как смазка. При медленном воздействии зёрна крахмала проскальзывают по этой смазке друг относительно друга. Однако при резком ударе зёрна проскользнуть не успевают. Зато вода вытесняется из пространства между зёрнами.

Кстати…

Учёные продолжают изучение неньютоновских жидкостей. Так, исследователи из университета Чикаго записали процесс их отвердения при резком ударе внутри непрозрачной смеси с помощью рентгеновской высокоскоростной съёмки. Удар выдавливал воду между крупинками крахмала, трение между ними резко возрастало, они слипались, как снежинки в снежке, и вещество в месте удара вело себя как твёрдое тело. Частицы взвеси под точками удара сжимались в твёрдый цилиндр, окружённый конусом, в котором взвесь двигалась вверх и в стороны, приподнимая поверхность вокруг места удара.

Свойства неньютоновских жидкостей используются в разных изобретениях. «Жидкая сумка» подавляет взрыв в багажном отсеке самолёта. «Жидкий бронежилет» рассеивает ударную волну по большой площади, увеличивая прочность брони. Инновационный материал, изготовленный по технологии D3O (де-три-о), защищает от ударов спортсменов-горнолыжников, смартфоны.

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

Задача 22. Почему мы любим море?***

Человек вышел из моря, захватив с собой собственный аквариум.

Жизнь, родившаяся в море, не могла начать своё шествие по земле до того момента, пока усилиями эволюции не удалось наконец создать организм, способный унести с собой клочок океана.

В 1898 году российский физиолог Густав Бунге высказал гипотезу о том, что жизнь зародилась в океане. Миллиарды лет тому назад в воде океанов обитали одноклеточные живые организмы. Из воды они брали питательные вещества, в воду же выделяли продукты обмена. Этот процесс происходил с помощью диффузии или активного транспорта через клеточные мембраны. Потом появились многоклеточные организмы. Им для обмена веществ с внешней средой уже не хватало диффузии и активного транспорта. Появился «посредник», который доставлял питательные вещества и удалял продукты обмена. Этим посредником стала сама морская вода, которая «замкнулась» внутри организма, превратилась в «пленённое море» и стала выполнять те же функции, что и морская вода для одноклеточных организмов.

Где человек хранит свой «кусочек океана»?

Как можно доказать сходство «аквариума» человека и океанской воды?

Контрольный ответ

Чтобы доказать сходство, нужно изучить химический состав морской воды и жидкостей организма человека. В воде, этом универсальном растворителе, происходит большинство химических реакций в организме. Больше всего воды в жидкой части крови, плазме – 90%. Химический ионный состав плазмы крови очень похож на состав морской воды. Количество ионов натрия (Na+) и кальция (Са2+) в морской воде и в крови одинаково, а общая концентрация солей в морской воде выше. Исключение составляют ионы магния (Mg2+), которых больше в морской воде, и калия (К+), которых больше в сыворотке крови. Так что плазма крови и есть наш древний океан.

Подумайте…****

Почему состав крови и морской воды отличается по содержанию ионов магния и калия?

Контрольный ответ

Если принять гипотезу о том, что жизнь очень давно зародилась в океане, то нужно принять во внимание изменение состава воды уже после появления тех первых живых организмов в морской воде. Предполагается (хотя это очень трудно доказать), что со временем состав океанской воды менялся: реки приносили соли калия, натрия, кальция и магния. При повышении концентрации соли кальция и магния выпадали в осадок в виде карбонатов, а соли натрия и калия оставались в растворе. То есть концентрация солей калия и натрия росла, а кальция и магния – нет. Некоторые живые существа в процессе эволюции не стали перестраиваться под эти изменяющиеся условия, а заключили морскую воду в систему своих кровеносных сосудов. И эта внутренняя среда не менялась, как океан – она сохранила то соотношение ионов, которое было в древней океанской воде. И, сохранив её, в конце концов организмы вышли на сушу.

Кстати…

До сих пор среди учёных нет единого мнения, верна ли эта гипотеза – исследования продолжаются. Исследователи изучили морскую соль (галит), образовавшуюся в разное время за период продолжительностью в 150 миллионов лет, и проследили хронологию изменений химического состава океанской воды. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Состав морской воды времён палеозоя, когда появились первые животные с твёрдым наружным скелетом, практически идентичен минеральному составу нашей крови. Образно говоря, в нас, вероятно, текут воды древнего моря. Может, поэтому многих из нас тянет к морю…

Улыбнитесь

Кальций хвастается перед Натрием и Калием.

– Меня все в гости зовут!

– Э, да тебя зовут не в гости, а в кости! А вот нас на вечеринки приглашают часто. А вчера вечером что было! Случайно столкнулись Кислород и Магний!

– Omg3!

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

O2 – кислород, дикислород (по правилам).

Na – элемент натрий.

К – элемент калий.

Са – элемент кальций.

Mg – элемент магний.

Задача 23. Можно ли дышать жидкостью?****

Вода хорошо растворяет многие газы. Какие-то газы, например, хлороводород с полярными молекулами, растворяются лучше, а какие-то – хуже, например, водород или азот с неполярными молекулами. Кислород растворяется в воде лучше, чем азот, поэтому соотношение растворённых газов в воде отличается от атмосферного: в воздухе объёмное содержание кислорода 21%, а в растворённом в воде воздухе – 34%, таким образом соотношение кислорода к азоту в нём получается 1:2.

Рыбы и другие водные обитатели дышат растворённым в воде кислородом. Их жабры пропускают колоссальный объём воды, забирают растворённый кислород и отдают в кровь. У человека нет жабр, а лёгкие, заполненные водой, не обеспечивают достаточный газообмен. Однако в фантастических фильмах есть сцены, когда скафандр заполняется вязким веществом, и главный герой начинает дышать этой необычной жидкостью так, словно он дышит простым воздухом. Оказывается, это не совсем фантастика. На данный момент технология полного заполнения лёгких ещё не создана, но частичное жидкостное дыхание, в том числе вентиляция с помощью паров и аэрозолей, уже проводится. Особенно перспективен этот метод для недоношенных младенцев, которые не могут дышать самостоятельно, а также при погружениях на большие глубины и в космонавтике.

Какими свойствами должна обладать эта удивительная жидкость, которой можно будет дышать?

Контрольный ответ

Это должна быть подвижная жидкость, хорошо растворяющая кислород (то есть с неполярными молекулами). Учёные синтезировали такие жидкости. Это перфторуглероды. Их молекулы состоят из цепочек атомов углерод-углерод, все свободные валентности которого заняты фтором. Атомы фтора слабо поляризуются и не притягиваются друг к другу, поэтому вязкость такой жидкости невелика. Между молекулами много пустот, в которые легко проникают молекулы газов, растворяясь в жидкости. Химическая связь углерод-фтор чрезвычайно прочна, поэтому перфторуглероды совершенно инертны и не вступают ни в какие химические реакции. Поэтому растворённые кислород и углекислый газ, не связанные химически, легко и быстро выделяются при снижении их парциального давления. Также важно, что это вещество безвредно для организма.

Улыбнитесь

Фтор подходит к кассе без очереди и достаёт удостоверение электроотрицательности:

– Я всегда беру первый, пропустите, пожалуйста!

Кстати…

Американский хирург Арнольд Лэнди изобрёл водолазный костюм, в котором вообще не нужно дышать. «Жидкий воздух», поступающий из баллона, заполняет шлем дайвера и вытесняет воздух из лёгких. Углекислый газ выводится прямо из крови специальным прибором, наподобие жабр, прикреплённым к бедренной вене ныряльщика. Такому водолазу не страшна большая глубина, ведь жидкость не сжимается, как обычный воздух, под огромным давлением толщи воды, и в жидкости нет азота, гелия и водорода, которые при подъёме образуют пузырьки и закупоривают сосуды, приводя к кессонной болезни.

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

НСl – хлороводород (по правилам), хлористый водород (устар), соляная кислота, хлороводородная кислота, хлористоводородная кислота (водный раствор).

H2 – водород.

N2 – азот.

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 24. Цветные дожди*

Замечали ли вы что-то необычное, когда гуляли после летнего дождя? Оказывается, иногда выпадают особенные дожди, разноцветные! Чего только ни думали люди об этом явлении столетия назад! Но теперь учёные знают, как возникают цветные дожди.

Попробуйте объяснить, почему иногда в некоторых местностях может пройти белый, чёрный или жёлтый дождь.

Какого цвета бывает лёд в природе?

Контрольный ответ

Белым дождь бывает из-за меловой пыли, которая смешивается с каплями дождя. Чёрные дожди идут после извержения вулканов, вместе с дождём выпадает вулканическая пыль. Жёлтыми дожди становятся во время цветения деревьев из-за примеси цветочной пыльцы.

Чистый лёд прозрачен. Если лёд образуется из снега, пузырьки воздуха делают его белым. Речной лёд желтоватый или даже коричневый из-за примеси глины. Морской солёный лёд зелёного цвета. Старый лёд айсбергов голубой или синий. А тонкие тающие льдинки – серые. Бывает удивительный розовый и красный лёд – с бактериями или планктоном внутри.

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

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

состоянии), лёд, водяной лёд (в твёрдом состоянии).

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

Задача 25. Неуловимый газ*

Джозеф Пристли по профессии не был учёным. И научного образования у него не было. Но он совершил величайшие открытия, и его называют «отцом современной химии». И всё благодаря его любознательности и тяге к экспериментированию.

Что делали настоящие учёные в XVII веке, изучая разные вещества и их взаимодействие между собой? Смешивали вещества, нагревали их и собирали полученные газы в бычий пузырь над водой. Многие нагревали поваренную соль с серной кислотой. При этом газ выделялся, но собрать его в пузырь не удавалось – пузырь не надувался. Этот неуловимый газ, который не удавалось выделить другим исследователям, твёрдо решил получить Пристли. Он понял, что «хитрый» газ прячется в воде. И для того, чтобы его получить, он внёс изменения в прибор для получения газов.

Как Пристли изменил прибор для получения газов?

Контрольный ответ

При реакции поваренной соли с серной кислотой выделяется хлороводород. Он очень хорошо растворим в воде, поэтому его не удавалось собрать над водой. Пристли переделал прибор по-своему: он заменил воду на ртуть и стал собирать газы в прозрачном стеклянном цилиндре над ней. Цилиндр он заполнил ртутью, перевернул и погрузил его горлышко в порцию ртути, налитую в подобие миски. Он рассуждал так: ртуть при комнатной температуре – это жидкость с высокой плотностью, и поэтому она не сможет так же легко, как вода, абсорбировать газы.