§8. Повітря

Назад до змісту

Усі відповіді на завдання з робочого зошиту тут присутні!

Робота з інформацією

64. Знайдіть інформацію щодо досліджень М. Сендзівуя та Дж. Блека. Результати яких експериментів цих науковців мали б підтвердити висновок, що повітря є сумішшю газів? Чи підтвердилася ваша гіпотеза, яку ви сформулювали під час уроку?

У підручнику згадується, що польський алхімік-філософ Міхал Сендзівуй і шотландський хімік Джозеф Блек намагалися експериментально довести, що повітря є сумішшю газів. Щоб підтвердити цей висновок, вони могли проводити досліди зі спалювання різних речовин у закритому об’ємі повітря. Наприклад, як показано в досліді з фосфором, при його горінні під скляним куполом витрачається лише частина повітря (приблизно 1/5), після чого горіння припиняється. Той факт, що газ під куполом ще залишається, але вже не підтримує горіння, доводить, що повітря складається принаймні з двох різних газів: одного, що підтримує горіння (кисень), та іншого, що не підтримує. Так, моя гіпотеза, що повітря є сумішшю, підтвердилася, оскільки експеримент зі спалювання речовин показує, що лише частина повітря вступає в реакцію.

65. Підготуйте повідомлення про встановлення складу повітря Генрі Кавендишем.

Генрі Кавендіш (англійський хімік і фізик, 1731-1810) зробив фундаментальні відкриття щодо складу повітря. У 1781 році він встановив основний склад повітря як суміш азоту і кисню.

Кавендіш отримав водень і вуглекислий газ у чистому вигляді, а в 1784 році при спалюванні водню отримав воду, визначивши точне співвідношення об’ємів газів. Точність його досліджень була надзвичайно високою – при отриманні оксидів азоту за допомогою електричної іскри через зволожене повітря він спостерігав наявність “дефлогістованого повітря”, що становило не більше 1/20 частини загального об’єму газів. Це спостереження пізніше допомогло відкрити благородний газ аргон. Кавендіш встановив, що кисень в повітрі становить 20,83% об’єму (сучасні дані – 20,95%).

66. Загальновідомо, що кисень украй необхідний для дихання. Утім у медицині відомий небезпечний стан — киснева інтоксикація, або отруєння киснем. У додаткових джерелах дізнайтеся про токсичність кисню та за яких умов він може бути небезпечним. Презентуйте результати вашого інформаційного дослідження в класі.

Хоча кисень є основою життя, його надлишок може бути токсичним для організму. Цей стан називається кисневою інтоксикацією або гіпероксією.

Кисень стає небезпечним за таких умов:

• Дихання під підвищеним тиском. Це може статися, наприклад, у водолазів, які дихають газовими сумішами на глибині.
• Тривале вдихання повітря зі значно підвищеною концентрацією кисню. Якщо дихати сумішшю, що містить понад 60% кисню, протягом кількох діб навіть за звичайного тиску, може виникнути отруєння. У медицині кисень у високих концентраціях (>50%) застосовують короткочасно через його токсичність.

Токсичність кисню пояснюється тим, що при його надлишку порушується процес виведення вуглекислого газу з організму. Гемоглобін, який має переносити вуглекислий газ до легень, залишається “зайнятим” киснем. Через це вуглекислий газ накопичується в тканинах, що може бути небезпечно. Крім того, високі концентрації кисню безпосередньо пошкоджують дихальні шляхи та легені, викликаючи сухість, кашель та запалення.

Симптоми кисневого отруєння можуть бути різними:

• Легенева форма: починається з сухості в горлі, кашлю та печіння за грудиною. Може підвищуватися температура.
• Нервова система: можливі головний біль, запаморочення, тремтіння губ, а у важких випадках — судоми та втрата свідомості.

Розуміння явищ природи (робота в групах)

67. Запропонуйте ознаки, за якими можна класифікувати повітря.

Повітря можна класифікувати за різними ознаками. Наприклад, за місцем знаходження (міське, лісове, морське), за вологістю (вологе чи сухе), а також за висотою над рівнем моря, оскільки зі збільшенням висоти склад повітря змінюється.

68. Чи можна використовувати термін «молекула повітря»? Відповідь поясніть.

Ні, термін «молекула повітря» використовувати некоректно. Повітря є сумішшю близько 15 різних газів, а не чистою речовиною. Воно складається з молекул конкретних газів, переважно азоту ($N_2$), кисню ($O_2$), аргону ($Ar$) та інших, але не існує окремої «молекули повітря».

69. За описом дослідження на с. 64 дайте відповіді на запитання.

Яка властивість атмосфери зумовлює підіймання рівня води?

Підіймання рівня води зумовлене існуванням атмосферного тиску. Коли кисень під куполом згоряє, тиск усередині падає, і зовнішній атмосферний тиск «заштовхує» воду всередину на звільнене місце.

Складіть хімічне рівняння горіння фосфору.

$4P + 5O_2 = 2P_2O_5$

Фосфор(V) оксид — тверда речовина. Яке явище під час досліду свідчить про це?

Про це свідчить утворення «білого диму» — дрібних твердих частинок фосфор(V) оксиду, які утворюються під час горіння.

Якби продуктом згоряння фосфору була газувата речовина, то чи фіксували б ми такі самі результати?

Ні, результати були б іншими. (вода підіймається тому, що об’єм газу під куполом зменшується (кисень перетворюється на тверду речовину). Якби утворювався газ, об’єм міг би не змінитися або навіть збільшитися, і тоді вода не піднялася б).

У порцеляновій чаші після припинення горіння ще залишився фосфор. Чи залишиться за цих умов кисень під куполом?

Ні, кисень під куполом не залишиться. Горіння припинилося саме тому, що скінчився кисень, хоча фосфор (паливо) ще був у надлишку.

Чи змогли б ви зробити такий самий висновок, якщо б фосфор згорів повністю?

Якщо згоряє весь фосфор, ми не можемо бути впевнені, що прореагував увесь кисень. Експеримент є точним, коли фосфору взято з надлишком.

Як впливає зміна температури газової суміші під час згоряння на рівень води під куполом?

Під час горіння температура газів під куполом зростає. Через нагрівання газ розширюється, і його тиск збільшується, що тимчасово перешкоджає підійманню води. Рівень води підіймається лише після того, як горіння припиниться і все всередині купола охолоне до початкової температури.

70. Для експерименту зі встановлення складу повітря Генрі Кавендиш змішав азот, виділений із повітря, з киснем. Через цю суміш він тривалий час пропускав електричний струм, а продукти реакції розчиняв у воді. Як би він не повторював дослід, усе одно над водою залишалася бульбашка газу об’ємом близько 1/120 від початкового об’єму азоту. Лише через 100 років було встановлено, що це за газ. Як ви вважаєте, який саме газ одержав Кавендиш?

Газ, який одержав Кавендиш, — це аргон. Азот і кисень у його досліді реагували між собою, а аргон, як інертний газ, у реакцію не вступав і залишався у вигляді невеликої бульбашки. У повітрі його вміст становить близько 0,9%.

71. Уміст яких компонентів повітря помітно відрізнятиметься від зазначеного в параграфі залежно від місця перебування: а) поблизу вугільної ТЕС; б) у лісі; в) у великому місті; г) у відкритому океані; д) на болоті; е) на сміттєзвалищі?

Склад повітря змінюється залежно від місцевості :

• а) Поблизу вугільної ТЕС: буде підвищений вміст вуглекислого газу ($CO_2$) та оксидів Сульфуру.
• б) У лісі: буде дещо підвищений вміст кисню ($O_2$) і знижений вміст вуглекислого газу ($CO_2$) через фотосинтез. Також буде вища вологість.
• в) У великому місті: буде підвищений вміст вуглекислого газу ($CO_2$), чадного газу ($CO$) та оксидів Нітрогену через викиди транспорту і промисловості.
• г) У відкритому океані: буде підвищений вміст водяної пари (вища вологість) і менший вміст вуглекислого газу порівняно з містом.
• д) На болоті: буде підвищений вміст метану ($CH_4$) та гідроген сульфіду (сірководень) ($H_2S$) через процеси гниття органічних решток.
• е) На сміттєзвалищі: буде значно підвищений вміст метану ($CH_4$) та гідроген сульфіду ($H_2S$, сірководень) через розкладання сміття.

72. Проаналізуйте графік і дайте відповіді на запитання. Зазвичай людина відчуває нестачу кисню, якщо його тиск становить менше 14 кПа. До якої висоти може піднятися людина, щоб не відчувати нестачі кисню?

Судячи з графіка, тиск кисню 14 кПа відповідає висоті приблизно 3500 метрів. Отже, людина може піднятися до цієї висоти, не відчуваючи нестачі кисню.

Чи відчуватиме людина нестачу кисню на вершині Говерли? (Висоту гори за потреби дізнайтеся з додаткових джерел.)

Висота Говерли становить 2061 метр. На графіку видно, що на висоті 2000 метрів тиск кисню становить близько 17 кПа. Це вище за поріг у 14 кПа, тому на вершині Говерли людина не повинна відчувати нестачі кисню.

За тиску кисню менше 12 кПа у фізично нетренованої людини можуть виявлятися симптоми гіпоксії (нестачі кисню): задишка, утома, запаморочення тощо. Висота, на якій курсують пасажирські літаки (крейсерська висота), становить близько 10 км. Чи зможуть пасажири вільно дихати, якщо на цій висоті станеться розгерметизація салону літака? До якої максимальної висоти командир повітряного судна має знизити літак, щоб пасажири не знепритомніли?

На висоті 10 км (10 000 м) тиск кисню становить приблизно 6 кПа, що значно нижче 12 кПа. Тому при розгерметизації пасажири не зможуть вільно дихати. Щоб пасажири не знепритомніли, тиск кисню має бути не менше 12 кПа, що відповідає висоті близько 4500 метрів. Отже, командир має знизити літак до цієї висоти.

За тиску кисню менше 10 кПа для підтримування багаття треба вживати додаткових заходів. Як ви вважаєте, чи можна розвести багаття на вершині Евересту? (Потрібну інформацію дізнайтеся з додаткових джерел.)

Висота Евересту — 8848 метрів. На графіку видно, що на висоті 8000 метрів тиск кисню — близько 8 кПа, а на 9000 метрів — приблизно 7 кПа. Це значно менше 10 кПа, необхідних для горіння. Тому розвести багаття на вершині Евересту без додаткового кисню практично неможливо.