Глава V. Химия и окружающая среда. § 37. Химический состав планеты Земля — с. 197
§ 37. Проверьте свои знания.
1. Каково строение нашей планеты? Какие химические элементы преобладают в каждой из оболочек Земли?
1. Каково строение нашей планеты? Какие химические элементы преобладают в каждой из оболочек Земли?
Земля состоит из ядра, мантии и земной коры; снаружи её окружают гидросфера (водная оболочка) и атмосфера (газовая оболочка). Земная кора вместе с прилегающими слоями мантии образует литосферу.
Ядро — центральная часть планеты; состоит в основном из железа с примесью никеля.
Мантия — слой между ядром и корой; состоит из силикатов, в ней преобладают кислород, кремний, магний, железо.
Литосфера (по массе): кислород — 46 %, кремний — 28 %, алюминий — 8 %, железо — 5 %, кальций — 4 %, натрий — 3 %, калий — 2 %, магний — 2 %; на три первых элемента приходится 82 %.
Гидросфера (по массе): кислород — 85,45 %, водород — 10,63 %, хлор — 2,06 %, натрий — 1,14 %; остальные элементы — 0,72 %.
Атмосфера: преобладают азот (78 % по объёму) и кислород (21 %), они входят в состав простых веществ N₂ и O₂; в атмосфере находятся только неметаллы.
Ядро — центральная часть планеты; состоит в основном из железа с примесью никеля.
Мантия — слой между ядром и корой; состоит из силикатов, в ней преобладают кислород, кремний, магний, железо.
Литосфера (по массе): кислород — 46 %, кремний — 28 %, алюминий — 8 %, железо — 5 %, кальций — 4 %, натрий — 3 %, калий — 2 %, магний — 2 %; на три первых элемента приходится 82 %.
Гидросфера (по массе): кислород — 85,45 %, водород — 10,63 %, хлор — 2,06 %, натрий — 1,14 %; остальные элементы — 0,72 %.
Атмосфера: преобладают азот (78 % по объёму) и кислород (21 %), они входят в состав простых веществ N₂ и O₂; в атмосфере находятся только неметаллы.
§ 37. Проверьте свои знания.
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 — однородные по составу и свойствам природные тела, образующиеся в результате процессов, протекающих в земной коре. Из минералов состоят горные породы.
Осадочные горные породы — породы, возникшие на поверхности земной коры. Неорганические осадочные породы (песок, галька, глина) образуются в результате воздействия на горные породы воды, ветра, солнечных лучей: порода выветривается, измельчается, дробится, а затем оседает на дно водоёмов или накапливается на суше. Органические осадочные породы (каменный уголь, нефть, горючие сланцы, торф, мел, известняк) образуются из остатков растительных и животных организмов.
Пять минералов (все они есть в коллекциях минералогических музеев):
1) кварц SiO₂;
2) галит (каменная соль) NaCl;
3) гематит (красный железняк) Fe₂O₃;
4) куприт Cu₂O;
5) кальцит CaCO₃ (малахит Cu₂(OH)₂CO₃, флюорит CaF₂).
Оговорка: сайт музея недоступен для проверки, список составлен по учебнику и общеизвестным минералам; названия можно сверить с каталогом музея.
Осадочные горные породы — породы, возникшие на поверхности земной коры. Неорганические осадочные породы (песок, галька, глина) образуются в результате воздействия на горные породы воды, ветра, солнечных лучей: порода выветривается, измельчается, дробится, а затем оседает на дно водоёмов или накапливается на суше. Органические осадочные породы (каменный уголь, нефть, горючие сланцы, торф, мел, известняк) образуются из остатков растительных и животных организмов.
Пять минералов (все они есть в коллекциях минералогических музеев):
1) кварц SiO₂;
2) галит (каменная соль) NaCl;
3) гематит (красный железняк) Fe₂O₃;
4) куприт Cu₂O;
5) кальцит CaCO₃ (малахит Cu₂(OH)₂CO₃, флюорит CaF₂).
Оговорка: сайт музея недоступен для проверки, список составлен по учебнику и общеизвестным минералам; названия можно сверить с каталогом музея.
§ 37. Проверьте свои знания.
3. Охарактеризуйте химический состав гидросферы. Соединения каких химических элементов, помимо кислорода и водорода, преобладают в Мировом океане?
Гидросфера — водная оболочка Земли; её главная часть — Мировой океан (71 % поверхности планеты). По массе в гидросфере 85,45 % кислорода и 10,63 % водорода (элементы воды H₂O), далее хлор (2,06 %) и натрий (1,14 %), остальные элементы (N, Mg, S, Ca, K, Br, C и др.) вместе — 0,72 %. В морской воде растворено много веществ, практически все известные химические элементы, даже золото.
Средняя солёность — около 35 г солей в 1 л воды; примерно 78 % солей — хлорид натрия NaCl, он придаёт воде солёный вкус; горький привкус вызывают соединения магния (MgCl₂, MgSO₄).
Ответ: помимо кислорода и водорода, преобладают соединения хлора и натрия, затем магния, серы, кальция, калия, брома.
Средняя солёность — около 35 г солей в 1 л воды; примерно 78 % солей — хлорид натрия NaCl, он придаёт воде солёный вкус; горький привкус вызывают соединения магния (MgCl₂, MgSO₄).
Ответ: помимо кислорода и водорода, преобладают соединения хлора и натрия, затем магния, серы, кальция, калия, брома.
§ 37. Проверьте свои знания.
4. Расскажите о составе атмосферного воздуха.
Атмосфера — воздушная оболочка Земли; она состоит исключительно из элементов-неметаллов.
Постоянные компоненты воздуха (по объёму): азот N₂ — 78 %, кислород O₂ — 21 %, благородные газы (в основном аргон) — около 0,9 %; их содержание у поверхности Земли колеблется очень мало. В верхних слоях атмосферы кислород находится также в виде озона O₃.
Переменные составные части: углекислый газ CO₂ (около 0,03 %), угарный газ CO, оксиды азота и серы, водяной пар; на их содержание влияют природные процессы и деятельность человека. Соединения металлов — случайные компоненты (пыль, пыльца растений, микроорганизмы, промышленные выбросы).
Постоянные компоненты воздуха (по объёму): азот N₂ — 78 %, кислород O₂ — 21 %, благородные газы (в основном аргон) — около 0,9 %; их содержание у поверхности Земли колеблется очень мало. В верхних слоях атмосферы кислород находится также в виде озона O₃.
Переменные составные части: углекислый газ CO₂ (около 0,03 %), угарный газ CO, оксиды азота и серы, водяной пар; на их содержание влияют природные процессы и деятельность человека. Соединения металлов — случайные компоненты (пыль, пыльца растений, микроорганизмы, промышленные выбросы).
§ 37. Примените свои знания.
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: V(H₂O) = 1 л; m(соли) = 490 г; ρ(H₂O) = 1 г/мл.
Найти: w(соли) — ?
Решение:
1) m(H₂O) = 1000 мл · 1 г/мл = 1000 г.
2) m(раствора) = m(H₂O) + m(соли) = 1000 г + 490 г = 1490 г.
3) w(соли) = m(соли) / m(раствора) · 100 % = 490 г / 1490 г · 100 % ≈ 32,9 %.
Ответ: w(солей) ≈ 32,9 %.
Найти: w(соли) — ?
Решение:
1) m(H₂O) = 1000 мл · 1 г/мл = 1000 г.
2) m(раствора) = m(H₂O) + m(соли) = 1000 г + 490 г = 1490 г.
3) w(соли) = m(соли) / m(раствора) · 100 % = 490 г / 1490 г · 100 % ≈ 32,9 %.
Ответ: w(солей) ≈ 32,9 %.
§ 37. Примените свои знания.
6. Массовые доли элементов в минерале криолите составляют: калий — 58,2 %, алюминий — 13,4 %, фтор — 28,4 %. Определите формулу минерала.
Дано: w(K) = 58,2 %; w(Al) = 13,4 %; w(F) = 28,4 %.
Найти: формулу KₓAlᵧFz.
Решение: берём 100 г минерала: m(K) = 58,2 г; m(Al) = 13,4 г; m(F) = 28,4 г.
n(K) = 58,2 / 39 ≈ 1,49 моль; n(Al) = 13,4 / 27 ≈ 0,50 моль; n(F) = 28,4 / 19 ≈ 1,49 моль.
x : y : z = 1,49 : 0,50 : 1,49 = 3 : 1 : 3.
По этим данным получается простейшая формула K₃AlF₃. Но алюминий в соединениях имеет степень окисления +3, а калий +1: для электронейтральности нужно 6 отрицательных зарядов, то есть 6 атомов фтора: +3 + 3 · (+1) = +6 = 6 · 1. Формула минерала — K₃AlF₆ (по типу природного криолита Na₃AlF₆).
Ответ: K₃AlF₆.
Оговорка: числа в условии дают соотношение 3 : 1 : 3, а формула K₃AlF₆ (ответ книги) следует из валентностей; в тексте условия, вероятно, неточность в массовой доле фтора.
Найти: формулу KₓAlᵧFz.
Решение: берём 100 г минерала: m(K) = 58,2 г; m(Al) = 13,4 г; m(F) = 28,4 г.
n(K) = 58,2 / 39 ≈ 1,49 моль; n(Al) = 13,4 / 27 ≈ 0,50 моль; n(F) = 28,4 / 19 ≈ 1,49 моль.
x : y : z = 1,49 : 0,50 : 1,49 = 3 : 1 : 3.
По этим данным получается простейшая формула K₃AlF₃. Но алюминий в соединениях имеет степень окисления +3, а калий +1: для электронейтральности нужно 6 отрицательных зарядов, то есть 6 атомов фтора: +3 + 3 · (+1) = +6 = 6 · 1. Формула минерала — K₃AlF₆ (по типу природного криолита Na₃AlF₆).
Ответ: K₃AlF₆.
Оговорка: числа в условии дают соотношение 3 : 1 : 3, а формула K₃AlF₆ (ответ книги) следует из валентностей; в тексте условия, вероятно, неточность в массовой доле фтора.
§ 37. Выразите своё мнение.
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?
Моя позиция: опреснять морскую воду нужно, выбирая способ по затратам энергии и местным условиям.
1) Дистилляция (выпаривание с последующей конденсацией). Вода кипит, пары собирают и охлаждают, соли остаются в остатке. Способ надёжный, но энергоёмкий; в странах с жарким солнечным климатом выгодны солнечные опреснители, где вода испаряется за счёт энергии Солнца.
2) Обратный осмос. Морскую воду пропускают под давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающую молекулы воды, но не ионы солей. Сейчас это самый распространённый промышленный способ, он экономичнее дистилляции.
3) Вымораживание: при замерзании морской воды образуется почти пресный лёд, его отделяют и растапливают.
4) Электродиализ и ионный обмен — удаление ионов Na⁺ и Cl⁻ с помощью мембран в электрическом поле или ионообменных смол.
При выборе важно учитывать, что утилизация рассола (концентрированного раствора солей) вредит прибрежным экосистемам, поэтому лучше сочетать опреснение с возобновляемой энергией и бережным расходом воды.
1) Дистилляция (выпаривание с последующей конденсацией). Вода кипит, пары собирают и охлаждают, соли остаются в остатке. Способ надёжный, но энергоёмкий; в странах с жарким солнечным климатом выгодны солнечные опреснители, где вода испаряется за счёт энергии Солнца.
2) Обратный осмос. Морскую воду пропускают под давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающую молекулы воды, но не ионы солей. Сейчас это самый распространённый промышленный способ, он экономичнее дистилляции.
3) Вымораживание: при замерзании морской воды образуется почти пресный лёд, его отделяют и растапливают.
4) Электродиализ и ионный обмен — удаление ионов Na⁺ и Cl⁻ с помощью мембран в электрическом поле или ионообменных смол.
При выборе важно учитывать, что утилизация рассола (концентрированного раствора солей) вредит прибрежным экосистемам, поэтому лучше сочетать опреснение с возобновляемой энергией и бережным расходом воды.