5 Ионные реакции осаждения, нейтрализации, гидролиза

Вид материала

Документы

Содержание Парниковый эффект Кислотные дожди 8.6. Стратегия сохранения жизни на Земле Вопросы для проверки знаний Тема 1. Развитие представлений об атоме 2.1. Атомное ядро Мир макросистем. твердое, жидкое Лабораторные работы. Реакции нейтрализации и определение кислотности растворов Лабораторный опыт. Скорость реакции каталитического разложения пероксида водорода Практическая работа. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ Практическое применение химических соединений Химические аспекты экологических проблем

Подобный материал:

• Рекомендации к зачёту, 133.1kb.
• Написать краткие ионные и молекулярные уравнения реакций гидролиза карбоната натрия,, 4.27kb.
• Методический пакет учебного курса, 331.54kb.
• Молекулярно-динамическое моделирование осаждения металлического нанокластера на подложку, 66.11kb.
• Наносимые электрохимическими методами на поверхность детали в результате осаждения, 96.3kb.
• Для подготовки к экзамену по общей химии (2 семестр) Кинетика, 73.49kb.
• Программа коллоквиумов по курсу физической химии, 99.84kb.
• Оглавление, 334.79kb.
• Календарный план занятий по физической химии в весеннем семестре 2008/2009 уч года, 32.67kb.
• Отчет 86 с., 34 рис., 15 табл., 53 источника, 2 приложения. Ключевые слова : структура, 56.56kb.

Сжигание каменного угля, мазута, природного газа, бензина, керосина, дизельного топлива истощает запасы природных ископаемых и вызывает накопление в атмосфере оксида углерода (IV) (рис. 78).

Основными компонентами воздуха являются молекулярный азот (78,04%) и кислород (20,94%). Содержание оксида углерода (IV) в атмосфере составляет сотые доли процента. Однако незначительный прирост содержания оксида углерода (IV) в атмосфере приводит к значительным изменениям климата на планете, так как это соединение является основным парниковым газом.



СО_2,%


0,035


0,034





0,033








0,032




2000

годы

год



1960 1970 1980 1990 2000


Рис. 78. Рост содержания СО₂ в атмосфере с1960 по 2000 год


8.5. Экологические последствия загрязнения

атмосферы и водного бассейна

Парниковый эффект

Оксид углерода (IV) выполняет важную роль регулятора температурного режима на Земле. Он вместе с парами воды пропускает большую часть солнечного излучения сквозь атмосферу к поверхности, но не прозрачен для значительной части испускаемого поверхностью планеты инфракрасного (теплового) излучения. Существует тепловой баланс между этими энергетическими составляющими, зависящий от состава атмосферы. Чем больше относительное содержание оксида углерода (IV), тем больше разогревается атмосфера, в которой СО₂ играет роль парниковой пленки. Повышение температуры на планете, связанное с увеличением содержания парниковых газов (СО₂, Н₂О, СН₄) получило название парникового эффекта. Потепление на планете имеет далеко идущие последствия. Среднегодовая температура за последние сто лет повысилась на полградуса. Постепенное повышение температуры уже сейчас грозит таянием ледников Антарктиды, повышением уровня мирового океана и затоплением многих районов суши на планете.


Озоновые дыры

В стратосфере, в слое, расположенном на высоте 3550 км от поверхности, под действием солнечного излучения образуется озон:

О₂ +h  2О

О₂ + О  О₃


Количество озона в разреженной стратосфере ничтожно. Если его сжать до атмосферного давления, то он окружал бы планету слоем толщиной всего 3 миллиметра. Этого количества озона достаточно для защиты растений и животных от жесткого (высокой энергии) ультрафиолетового излучения. Это излучение расходуется в реакции:


О₃+h ( = 280 – 310 нм)  О₂ + О


Молекулы озона исчезают и вновь образуются по приведенным выше реакциям. Если бы поток жесткого ультрафиолетового излучения достигал поверхности Земли в том количестве, которое посылает на планету Солнце, он оказал бы губительное влияние на различные биохимические процессы в клетках растений и животных. Доказано, например, что повышенная радиация приводит к увеличению числа раковых заболеваний у человека.

Промышленные выбросы в атмосферу фреонов, оксидов азота оказывают разрушительное воздействие на озоновый слой. Считается, что летучие фреоны (галогенфторуглероды, такие, как CCl₂F₂, CClF₃ и др.) в верхних слоях атмосферы разлагаются под действием солнечного света с образованием атомов хлора и фтора, которые разрушают молекулы озона:


О₃ + Cl = О₂ + ClО


Губительное действие на озон оказывает NO:


О₃ + NO = О₂ + NO₂

Кислотные дожди

Наиболее опасными выбросами электростанций и транспорта, сжигающих различные виды топлива, являются СО₂, NO, NO₂ и SO₂. О том, к чему приводят выбросы в атмосферу СО₂, мы уже говорили. Озон, который является защитным слоем от опасного солнечного излучения в верхних слоях атмосферы, становится опасным загрязнителем у поверхности земли.

Попадая в верхние слои атмосферы, оксид азота (II) медленно превращается в оксид азота (IV) при участии озона:

NO(г) + O₃(г)  NO₂(г) + O₂(г)

h
Появление NO₂ вызывает в атмосфере ряд химических превращений, заканчивающихся образованием азотной кислоты:


О₃(г)  О₂(г) + О(г)

О(г) + Н₂О(г)  2НО(г)

НО(г) + NO₂(г)  HNO₃(г)


Появление радикалов НО вызывает превращение оксида серы(IV):


SO₂(г) + НО(г)  НSO₃(г)

НSO₃(г) + О₂(г)  НОО(г) + SO₃(г)

SO₃(г) + Н₂О(г)  Н₂SO₄(г)


Выброс оксидов серы и азота, а также их распространение в атмосфере и превращение в кислоты завершается образованием капелек водных растворов кислот в облаках. Во время дождя кислота попадает в водоемы, на растительность, животных, человека, здания и сооружения.

Кислотность водоемов можно измерить самым простым способом  с помощью рН-метра. (см. рис. 48).


Буферные растворы

Природа сама «пытается» обезопасить себя от изменения кислотности среды. В природе существует немало водных растворов, которые сохраняют неизменным значение рН при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи. В человеческом организме такое явление наблюдается, например, в крови. Значение рН крови поддерживается в узком интервале 7,36 – 7,4, не смотря на то, что в кровь постоянно поступают кислые или щелочные продукты распада веществ. Кровь является буферным раствором. Буферным называется раствор, который содержит большие концентрации слабых кислот и солей этих кислот, что делает такие растворы устойчивыми к изменению концентрации ионов водорода.

В крови растворена углекислота и соли угольной кислоты: в плазме – NaHCO₃, в эритроцитах – КHCO₃. При поступлении в кровь соляной кислоты (она в значительных количествах накапливается в желудке), часть карбонатов расходуется на ее нейтрализацию:


NaHCO₃ + HCl  NaCl + Н₂О + СО₂,


Повышенная концентрация СО₂ в крови раздражает дыхательный центр головного мозга. Дыхательный центр усиливает вентиляцию легких, которые удаляют избыток углекислого газа, а NaCl выводится почками в виде мочи. В результате действия буферного раствора изменения рН крови не происходит.

При увеличении в крови концентрации щелочных продуктов распада «работает» углекислота:


Н₂О + СО₂ + ОН^–  НСО₃^– + Н₂О


Избыток НСО₃^– выводится почками или связывается с белками.

Фосфатный буфер крови состоит из фосфатов NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄. Дигидрофосфат натрия обладает свойствами слабой кислоты, а гидрофосфат натрия – свойствами слабой щелочи. Механизм действия этой системы связан с деятельностью почек. Попробуйте самостоятельно написать реакции нейтрализации избытка ионов Н⁺ и ОН^– этими буферами, учитывая, что указанные соединения переходят друг в друга, Избыток образовавшихся соединений выводится почками, рН крови не изменяется.

Морская вода – другой пример буферной системы, рН ее вблизи поверхности поддерживается на уровне 8,1–8,3.

Кислотные дожди оказывают влияние на живые организмы водоемов и на леса. Реки и озера «сопротивляются» повышению кислотности при выпадении опасных осадков, так как содержат буферные карбонаты. Растворимый в воде гидрокарбонат кальция взаимодействует с серной и азотной кислотами, содержащимися в осадках, и нейтрализует их:


Са(НСО₃)₂(р-р)+Н₂SO₄(р-р)СаSO₄+2Н₂О(ж)+ 2СО₂(г)


Са(НСО₃)₂(р-р)+2НNO₃(р-р)Са(NO₃)₂(р-р)+2Н₂О(ж)+2СО₂(г)


Нейтрализация обеспечивает неизменность кислотности водоема до тех пор, пока в него поступают растворимые в воде гидрокарбонаты кальция и магния. В водоемах кислотность на уровне рН = 5,6 обусловлена растворимостью СО₂ из атмосферы:

СО₂(г)+Н₂О(ж)⇄Н₂СО₃(р-р)⇄Н⁺(р-р)+НСО₃^(р-р)

Однако водная среда водоемов может не выдержать нагрузки кислотных дождей, тогда начинается гибель живых организмов (рис. 79).

Гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи выбросов отходов на расстоянии нескольких десятков километров от источника загрязнений.


Ракообразные, улитки, моллюски погибают


Лосось, форель, голец, плотва погибают


Фито- и зоопланктон погибают


Сиг, ряпушка, хариус погибают



Окунь, щука погибают


Голец, угорь погибают




7 6 5 4 рН


Рис. 79. Чувствительность водных организмов к снижению рН в пресных водах.


Особенно опасен оксид серы. Он адсорбируется (концентрируется) на поверхности растения, в основном на его листьях, проникает внутрь и участвует в различных губительных для растения окислительных реакциях. Многие виды живых организмов начинают гибнуть уже при значениях рН. При рН  4,5 рыба в водоемах исчезает.


8.6. Стратегия сохранения жизни на Земле

Прямого ответа на вопрос, как действовать, чтобы не нарушать устойчивое состояние биосферы и сохранить человека как вид, нет. Но есть хороший пример действий человека во времена так называемого неолитического кризиса. В те времена человек владел простейшими каменными орудиями и в состоянии был жить охотой и вырывать съедобные коренья. Человек умел убивать животных и выкапывать корни. Этот образ жизни был причиной неолитического кризиса. На территории, которая ему была доступна для перемещения, постепенно исчезли крупные животные и оскудели места добычи кореньев. Пищи было не достаточно, и численность населения стала уменьшаться. Человек был причиной создавшейся ситуации.

Постепенно люди стали изменять свое отношение к окружающей среде, которая им жестоко мстила за хищническое отношение к ней. Пришло осознание необходимости изменения своего поведения. Вместо того чтобы убивать, стали разводить домашний скот, заниматься скотоводством. Вместо того чтобы вырвать коренья, стали выращивать растения, пригодные в пищу. Изменение поведения позволило человеку преодолеть трудности выживания и сохранить себя как вид в окружающей природе.

Причиной современного экологического кризиса снова является человек. Следовательно, нужно менять не природу, а себя, свое отношение к природе и самому себе. Это должно быть стратегическим направлением действий человека.

Каждый может сказать: «От меня не зависит решение глобальных экологических проблем». Но это неверно. От деятельности каждого зависит настоящее и будущее планеты. Из миллиардов простых и небольших по масштабу действий складывается общее действие на планете. Каждый может что-то сделать: не оставлять в лесу, на пляже полиэтиленовых пакетов и бутылок, не мусорить в подъезде, не бросать окурки на асфальт и в лесу и т. д. Если вы соблюдаете чистоту в своем доме, в семье, то это означает, что вы должны поддерживать чистоту на улице, в городе, на природе, потому что природа  тоже наш дом. Если вы оставляете осколки стекла, коробки и пакеты на опушке леса, то вряд ли вы вернетесь сюда еще раз, чтобы полюбоваться природой.

Вам принадлежит будущее. Поэтому нужно знать о химических проблемах атмосферы, гидросферы и литосферы. Знания позволяют предвидеть опасные последствия, избежать их и действовать профессионально, чтобы долго жить на этой прекрасной планете Земля.

Вопросы для проверки знаний

1. Какие реакции называются метаболическими?
   
2. Чем отличаются анаболические от катаболических реакций?
   
3. Где «скрыта» солнечная энергия при фотохимическом превращении СО₂ и Н₂О в углеводы?
   
4. Какие вещества называют ферментами?
   
5. Почему ферменты обладают избирательным действием, катализируют одни и не катализируют другие химические реакции?
   
6. Какие химические реакции в стратосфере приводят к образованию озона?
   
7. Какие химические реакции в стратосфере уничтожают озоновый слой?
   
8. Какие промышленные и бытовые источники выбросов СО₂ создают парниковый эффект?
   
9. Какие объекты, созданные человеком, являются источником образования кислот в атмосфере?
   
10. Как измеряется кислотность водной среды?
    
11. Влияют ли кислотные дожди на живые организмы водоемов и растения?
    
12. Может ли водоем противостоять воздействию кислотных дождей?
    

Упражнения

1. При растворении СО₂ в Н₂О получаем «газированную воду», при растворении СО₂ в Н₂О в листьях растений получаем глюкозу. Укажите причины принципиального различия этих химических реакций.
   
2. Известно, что скорость реакции увеличивается с увеличением температуры. Докажите, что в живом организме скорость реакции может не только увеличиваться, но и уменьшаться с ростом температуры.
   
3. Незначительные изменения концентрации вещества могут оказывать значительное влияние на состояние организма или биосферы. Приведите примеры таких эффектов.
   
4. Напишите уравнения реакций образования и гибели озона в стратосфере.
   
5. Мраморные скульптуры со временем начинают «худеть». Напишите реакции, которые приводят к разрушению мрамора.
   
6. Приведите примеры химических процессов, обусловленных деятельностью человека, которые нарушают законы-афоризмы, сформулированные Б Коммонером.
   
7. Три космонавта 100 дней находятся в космическом корабле. За это время к ним не прибыл ни один грузовой корабль. Продуктов питания (за исключением воды) у них достаточно. Дайте модель обеспечения космонавтов питьевой водой, если за время пребывания в космосе они выпивали ежедневно 6 литров воды при начальном запасе воды 300 литров.
   
8. Объясните, почему растительность планеты называют «легкими Земли».
   
9. Пассажирские теплоходы в дальних рейсах рассчитаны на несколько сот пассажиров. Предложите экологически безопасную для реки модель обеспечения пассажиров водой и утилизации сточных вод.
   

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ Тема 1. Развитие представлений об атоме Взгляды древних греков на химические элементы Поиск простых веществ. Количественные измерения Бойля Первые точно установленные химические элементы. Закон сохранения массы Имеют ли химические соединения постоянный состав? Создание химической атомистики. Вычисление относительных атомных масс химических элементов. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева МИР МИКРОСИСТЕМ. АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ Тема 2. Атом 2.1. Атомное ядро 2.2. Воздействие радиоактивного излучения на живые организмы 2.3. Источники радиации 2.4. Квантовомеханическая модель атома 2.5. Свойства атомов 2.6. Квантовые правила Тема 3. Молекулы 3.1. Модели молекул 3.2. Координационные или комплексные соединения Лабораторная работа Комплексные соединения 3.3. Взаимодействия в молекулах. Индуктивный эффект и эффект сопряжения 3.4. Свойства молекул 3.5. Квантовые законы МИР МАКРОСИСТЕМ. ТВЕРДОЕ, ЖИДКОЕ И ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА Тема 4. Модели и взаимодействия в макросистемах 4.1. Кристаллическое состояние вещества 4.2. Аморфное состояние вещества 4.3. Жидкие кристаллы 4.4. Жидкое состояние вещества 4.5. Газообразное состояние вещества 4.6. Межмолекулярные взаимодействия 4.7. Водородная связь Тема 5. Свойства макросистем. 5.1. Дисперсные системы Практическая работа. Свойства мыла 5.2. Растворы. Растворимость Способы выражения состава растворов Практическая работа. Приготовление растворов заданной концентрации 5.3. Растворимость твердых веществ и газов в воде . 5.4.Свойства макросистем. Химические реакции Классификация химических реакций Гомолитические реакции органических соединений Гетеролитические реакции органических соединений Молекулярные реакции 5.5.Гетеролитические реакции неорганических соединений 5.5.1. Электролитическая диссоциация Сильные и слабые электролиты 5.5.2. Ионные реакции осаждения, нейтрализации, гидролиза Реакции образования нерастворимого вещества Реакции образования газообразного вещества Реакции нейтрализации и обратные реакции гидролиза Лабораторные работы. Реакции нейтрализации и определение кислотности растворов Практическая работа. Гидролиз солей 5.6.Окислительно-восстановительные реакции Метод электронного баланса Метод электронно-ионного баланса Метод кислородного баланса Практическая работа. Окислительно-восстановительные реакции 5.7.Электрохимические реакции Стандартные электродные потенциалы Практическая работа. Гальванический элемент Реакции в электролизере Практическая работа. Электролиз водных растворов солей Коррозия металлов и защита от коррозии 5.8 Химический анализ. Кислотно-основное титрование Практическая работа. Определение концентрации водных растворов щелочи Определение некоторых катионов и анионов Тема 6. Законы термодинамики и кинетики 6.1. Законы термодинамики Первый закон термодинамики и его применение к химическим реакциям Стандартное состояние вещества и стандартная энтальпия реакции Второй закон термодинамики Применение второго закона термодинамики к химическим реакциям. Почему происходят химические реакции? 6.2. Законы кинетики Механизм химической реакции Скорость химической реакции Лабораторный опыт. Скорость реакции каталитического разложения пероксида водорода Кинетическое уравнение элементарной реакции Кинетическое уравнение сложной реакции Влияние катализатора на скорость реакции Гетерогенные химические реакции Практическая работа. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ Химическое равновесие Практическая работа. Химическое равновесие ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Тема 7. Естественная и искусственная среда обитания человека 7.1. Среда обитания человека 12.2. Загрязнители 12.3. Промышленные способы получения вещества Получение и применение водорода Получение кислот Получение бумаги Безотходные технологии 7.4. Промышленные способы очистки воды Очистка сточных вод Очистка природных вод 7.5. Промышленные способы получения энергии Превращение энергии химической реакции в электрическую Действие марганцево-цинкового гальванического элемента Действие свинцового аккумулятора ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ Тема 8. Химические процессы в живых системах и окружающей среде 8.1. Биосфера. Возникновение жизни 8.2. Метаболизм 8.3. Ферменты. Ферментативные реакции 8.4. Состояние окружающей среды 8.5 Экологические последствия загрязнения атмосферы и водного бассейна 8.6. Стратегия сохранения жизни на Земле Приложение Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

3 5 5 7 9 12 13 15 20 25 25 27 29 34 37 40 45 45 55 58 59 65 72 76 76 81 81 83 84 86 89 93 93 99 100 101 102 106 109 109 113 115 117 117 118 120 125 125 126 126 130 132 134 137 138 140 142 143 145 149 150 156 159 163 164 165 167 167 167 170 174 176 181 182 183 184 186 191 191 192 193 194 194 197 197 200 204 204 207 209 210 211 211 214 217 222 225 229 225 225 226 229 232 234 240 243