Матеріали до уроків хімії: «ЕКОЛОГІЧНІ ЗАДАЧІ НА УРОКАХ ХІМІЇ»

Матеріали до уроків хімії: «ЕКОЛОГІЧНІ ЗАДАЧІ НА УРОКАХ ХІМІЇ»

Екологічна свідомість учнів формується за­собами всіх природничих предметів. На уро­ках хімії можна яскраво й переконливо ви­світлити як негативні наслідки втручання люди­ни у природне середовище, так і можливі шляхи оптимізації антропогенного впливу на нього. Ефективною формою роботи є розв'язування за­дач екологічного змісту. Пропоную добірку таких задач (відповідно до тем навчальної програ­ми з хімії) різного ступеня складності. Кожна з них містить екологічну інформацію і передбачає теоретичні розрахунки, складання рівнянь реакцій тощо. Це дає змогу використовувати задачі і під час вивчення нового матеріалу, і для закріплення й поглиблення знань, і для творчих домашніх завдань.

Тема:

«ОКСИГЕН І СУЛЬФУР»

1.  Існують проекти установок, які вловлюють сполуки Сульфуру з подальшим перетворенням на сульфатну кислоту. При утилізації 90% сульфур (ІV) оксиду, що викидається нині в ат­мосферу, можна отримувати до 180 т сульфатної кислоти на добу під час опалювального сезону в місті з 500-тисячним населенням. Обчисліть масу сульфур(ІV) оксиду, яка викидається за добу в атмосферу такого міста.
2. Сульфур(ІV) діоксид є екологічно небез­печною сполукою, оскільки спричиняє кислотні дощі. Складіть рівняння взаємодії цієї сполуки з водою і обчисліть масу сульфітної кислоти, що утворюється при цьому, якщо сумарні викиди сульфур(IV) оксиду у світі становлять близько 150 млн тонн/рік.
3. Підприємства чорної та кольорової мета­лургії при переробці сульфідних руд утворю­ють до 15% загального обсягу викидів сульфур(IV) оксиду. Який об'єм (н.у.) сульфур(IV) оксиду потрапить в атмосферу при спалю­ванні 10 т піриту з масовою часткою Сульфуру 45%, якщо вихід сульфур(ІV) оксиду становить 95%?
4.  На території України, Польщі, Росії, Чехії, Словаччини та інших європейських країн є підприємства, що забруднюють атмосферу спо­луками Сульфуру. Яку масу сульфатної кислоти можна добути, якщо викиди (в перерахунку на Сульфур) становлять: Україна, Росія — 171 тис. тонн, Чехія, Словаччина — 22 тис. тонн, Польща — 68 тис. тонн?

5. Франція забезпечує свої потреби в суль­фатній кислоті за рахунок сульфур(ІV) оксиду, що вловлюють з вихідних газів її ТЕС. Власних родовищ сірки у Франції немає. Обчисліть, яку масу сульфатної кислоти можна добути при спа­люванні 100т вугілля, масова частка Сульфуру в якому становить 3 %, а масова частка виходу кис­лоти — 95 %.
6. Сульфур(ІV) оксид, що міститься в димо­вих викидах, можна перетворити на сульфатну кислоту. Але сульфур(ІV) оксид у димі ТЕС і металургійних заводів дуже розбавлений. Це ство­рює великі технологічні труднощі при його окисненні до сульфур(VІ) оксиду. Тому для очищен­ня димових газів від цього оксиду доводиться шукати інші шляхи. Одним із них є пропускан­ня викидів, що містять S0₂, крізь водну суспен­зію магній сульфіту.

Складіть рівняння відповідної реакції.

7. Одним зі способів поглинання сульфур(ІV) оксиду є пропускання диму крізь водний розчин аміаку. Складіть рівняння відповідної реакції.
8. Запропонуйте оксиди, які можна викорис­товувати для вилучення сульфур(ІV) оксиду з димових газів.
9. Для добування електроенергії на ТЕС про­тягом години спалюють 1 т вугілля, в якому вміст сірки за масою становить 2,5 %. Яка маса сульфур(ІV) оксиду потрапить в атмосферу про­тягом доби?

10. Водень є екологічно чистим паливом, яке не забруднює довкілля, бо при його спалюванні утворюється вода:

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0.

При згорянні водню, в розрахунку на одини­цю маси, виділяється кількість енергії, яка в 3,3 раза більша, ніж при спалюванні рідких вуг­леводнів нафти, в 2,6 раза більше, ніж при спа­люванні природного газу.

Обчисліть об'єм (н. у.) кисню, який затра­чається на спалювання 224 л водню, і масу води, яка при цьому утворюється.

11. Озоновий шар нашої планети виконує захисну функцію. Але внаслідок фотохімічного розкладу утворюється атомарний кисень і молекулярний кисень. Складіть рівняння реакції та обчисліть масу кисню, який утворюється під час розкладу 16 т озону.

Тема:

«НІТРОГЕН І ФОСФОР»

1.  Під час роботи двигунів надзвукових літаків утворюються оксиди нітрогену, що руй­нують озоновий шар. Озон окиснює нітроген(І) оксид до нітроген(IV) оксиду. А нітроген(IV) ок­сид реагує з атомарним киснем, перешкоджаючи його взаємодії з молекулярним киснем для реге­нерації озону. Складіть рівняння згаданих вище реакцій.
2.  Які з оксидів Нітрогену можуть реагувати з водою, спричиняючи утворення кислотних дощів? Складіть рівняння відповідних реакцій.
3.  Для очищення димових газів від оксидів нітрогену широко використовують їх зв'язуван­ня кальцій гідроксидом. Складіть рівняння відпо­відних реакцій.
4.  Нітроген(І) оксид є газом, що посилює пар­никовий ефект. Він надзвичайно стійкий, збері­гається в атмосфері до 170 років. Антропогенні викиди нітроген(І) оксиду становлять до 25 мли тонн на рік. Які ще властивості цього оксиду вам відомі?
5.  Нітроген(ІV) оксид належить до шкідливих відходів хімічного виробництва. У вигляді «ли­сячого хвоста» бурий газ викидається в атмосфе­ру заводами, що виробляють нітратну кислоту, і є шкідливим для всього живого.

Одним із хімічних способів боротьби з «лися­чими хвостами» є розклад нітроген(ІV) оксиду на азот і кисень за допомогою каталізаторів (наприк­лад, паладованого алюміній оксиду).

Складіть рівняння реакції й обчисліть об'єм (н.у.) кисню, який можна добути з 448 м³ нітроген(ІV) оксиду.

6.                    У зв'язуванні атмосферного азоту значну частку становить його промислова фіксація у процесі виробництва аміаку, нітратної кислоти та добрив. На це затрачається майже 100 млн. тонн азоту за рік. Обчисліть масу аміаку, яку можна добути з цієї маси азоту.
7.                    Внаслідок господарської діяльності людини щорічно утворюється близько 60 млн тонн оксидів нітрогену. Основним джерелом оксидів у промислово розвинутих країнах є енергетика та транспорт (90 % викидів). На хімічну промисловість припадає менше, ніж 5 % загального обсягу викидів. Які способи зв'язування оксидів нітрогену ви можете запропонувати?
8.                    Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:

Нітроген(ІV) оксид → Нітратна кислота → Калій нітрат → Калій нітрит.

9.               Нітрати та нітрити належать до небезпечних для людини сполук. Потрапляючи в організм, нітрати змінюють склад крові, спричиняють сер­цеву недостатність, захворювання шкіри, знижу­ють імунітет.

Нітрити, надходячи в організм людини, утворю­ють високотоксичні сполуки, що вражають печінку й спричиняють розвиток злоякісних пухлин.

В Європі у 5—10 % фунтових вод рівень нітратів перевищує допустимий (45 мг/л). Об­числіть, яка маса нітратів надійде в організм лю­дини при споживанні забрудненої нітратами (60 мг/л) води за: лобу; тиждень; місяць. Вважа­ти, що людина споживає за добу 3 л води.

10.           Близько третини мінеральних добрив, що вносяться в грунт, вимиваються з нього дощови­ми водами й виносяться річками в моря й океа­ни. Лише Нітрогену й Фосфору таким шляхом потрапляє у Світовий океан близько 62млн. тонн на рік. Це призводить до бурхливого розвитку деяких одноклітинних водоростей, що вже не раз спричиняло так звані червоні припливи. У «підживленій» нітратами й фосфатами морській воді ці рослини надзвичайно швидко розмножу­ються, утворюючи подекуди на поверхні води гігантські «ковдри» товщиною до 2 м і площею багато квадратних кілометрів. Гинучи, водорості опускаються на дно. де починають гнити, погли­наючи весь кисень з води. Це спричиняє заги­бель донних організмів.

Запишіть формули відомих вам азотних і фос­фатних добрив. Обчисліть, яка із селітр містить найвищу масову частку Нітрогену: натрієва, калі­єва, кальцієва чи аміачна.

Тема:

«КАРБОН І СИЛІЦІЙ»

1.               Карбон(ІУ) оксид — газ. що посилює пар­никовий ефект. Який природний процес є го­ловним регулятором співвідношення вуглекислого газу й кисню в атмосфері?
2.               Дослідження показують, що вміст карбон(ІV) оксиду в атмосфері повільно зростає: в 1860 р. його було 0,028, а нині — 0,036 % (за об'ємом). Які причини цього явища?
3.               Карбон(ІV) оксид виділяється в атмосферу при розкладі деяких неорганічних сполук. Об­числіть об'єм (н.у.) вуглекислого газу, який по­трапить в атмосферу при прожарюванні вапняку масою 500 кг, якщо масова частка домішок у ньо­му становить 20%.
4.               У середньому видобуток 1 млн. тони вугілля відкритим способом супроводжується знищенням 20 га природних угідь, а видобуток такої самої кількості вугілля шахтним способом — 5 га.

Прийнявши вміст Карбону у вугіллі за 10%, обчисліть об'єм (н.у.) вуглекислого газу, який утвориться при спалюванні 1 т вугілля.

5.               У великих містах основним джерелом викидів отруйного карбон(ІІ) оксиду в атмосферу є автомобільний транспорт. Максимальне виділення СО при роботі двигунів внутрішнього зго­ряння відбувається у разі роботи в режимі холо­стого ходу.

Завдяки застосуванню каталізаторів карбон(ІІ) оксид відпрацьованих газів автомобілів окиснюється до карбон(ІV) оксиду. Складіть рівнян­ня згаданої реакції та обчисліть об'єм С0₂, то утвориться при окисненні 4,48 м³ СО.

          6. При роботі автомобільних двигунів у режимі холостою ходу та при невеликих швидкостях у відпрацьованих газах підвищується вміст
оксидів карбону. А при великих швидкостях зростає вміст оксидів нітрогену.

Порівняйте склад відпрацьованих газів авто­мобілів на швидкісних магістралях та у центрі міста в години пік.

           7. При 10-хвилинному вдиханні повітря, вміст карбон(ІІ) оксиду в якому становить 5,7 мг/м³, настає смерть. Отруйна дія СО полягає в тому, що він з'єднується з гемоглобіном крові, внаслідок чого вона втрачає властивість перенесення кисню з легень до тканин.

Основним джерелом викидів СО у довкілля є автомобільний транспорт. Запропонуйте шляхи його екологізації, тобто зниження вмісту карбон(ІІ) оксиду у відпрацьованих газах.

           8. Ґрунти мають різний склад і різну родючість, але неодмінним їх компонентом є пісок — силіцій діоксид. Іншу групу природних сполук Силіцію становлять силікати — похідні силікатної кислоти. Серед них найпоширенішими є алюмосилікати, до яких належать глина (каолін) —
Аl₂0₃  •  2SiO₂ • Н₂0 та нефелін – NaAlSiO₄ .

Обчисліть масову частку Силіцію (у відсот­ках) у глині й нефеліні.

            9. Рослина сонячного дня поглинає майже 5 г вуглекислого газу на кожний 1 м² листкової поверхні. Обчисліть, скільки грамів Карбону накопичить за день соняшник, листкова поверхня якого дорівнює 1,8 м².

Тема: «ВУГЛЕВОДНІ»

1.  Біоенергетика — це галузь енергетики, що базується на використанні біологічного палива, яке належить до відновлюваних джерел енергії.
Біогаз, що утворюється в біогазових установках шляхом метанового бродіння, є сумішшю метану (60 - 70%) й вуглекислого газу (30 - 40%), іноді
з домішками сірководню (до 3%).

Який об'єм кисню (н. у.) витрачається на спа­лювання 5 м³ біогазу складу: метан — 60 %, вуг­лекислий газ — 38 %, сірководень - 2 %?

2.  На початку 90-х років у Франції (м. Ам'єн) введено першу в Європі установку біологічного розкладу твердих побутових відходів з утворенням біогазу. Із 1 т відходів одержують до 100 м³ біогазу.

  Обчисліть об'єм кисню, необхідний для спа­лювання цього газу, якщо вміст метану в ньому становить 70 %.

3.     Добування вугілля із 4 000 шахт у різних країнах світу супроводжується викидами в ат­мосферу 27 млрд. кубометрів метану й 17 млрд. кубометрів вуглекислого газу. При згорянні І моль метану виділяється 880 кДж енергії. Обчисліть теплоту, що виділилась би при згорянні шахтних викидів метану.
4.     Основний компонент природного газу — метан. Деякі великі родовища (наприклад, Астра­ханське, Оренбурзьке) містять окрім вугле­воднів значну кількість сірководню. Ця домішка небезпечна, бо спричиняє корозію трубопро­водів і перекачувальної апаратури. Крім того, при згорянні такого газу утворюється сульфур( IV) оксид, що забруднює атмосферу. Але сірководень є цінною хімічною сировиною, з якої можна добути сульфатну кислоту. Запропонуйте способи очищення природного газу від сірко­водню.
5.     Внаслідок спалювання горючих копалин в атмосферу потрапляє значна кількість вуглекис­лого газу. Це має негативні екологічні наслідки, зокрема парниковий ефект.

Обчисліть, який об'єм карбон(ІV) оксиду по­трапить в атмосферу при спалюванні 100 м³ при­родного газу Ямбурзького родовища, якщо його склад такий: метан — 97,7 %, стан — 0,2 %, про­пан — 0,1 %, сірководень - 2 % (за об'ємом).

6. Для підвищення октанового числа і детонаційної стійкості до бензину додають антидетонаційні присадки. Головною складовою їх є тетраетилсвинець (ТЕС). При згорянні бензину шкідливий для живого Плюмбум викидається в атмосферу.

Автомобіль за період своєї роботи проходить 200 000 км. Одного літра бензину вистачає на 15 км шляху. Яка маса Плюмбуму потрапить у довкілля протягом усього періоду роботи авто­мобіля, якщо вміст ТЕС у 1 л бензину стано­вить 0,8 г?

7.     Світовий автомобільний парк щорічно ви­кидає в атмосферу понад 250 тис. тонн Плюмбу­му. Обчисліть масу ТЕС та об'єм бензину, які споживають автомобілі, враховуючи, що І л бен­зину містить 0,8 г ТЕС (Рb(С₂Н₅)₄).
8.     В Україні налічується понад 1 млн. вантаж­них і понад 2,5 млн. легкових автомобілів. Кожен з них щороку спалює від 12 до ЗО т високооктанового російського бензину, збагаченого Плюмбумом (до 0,36 г/л, у той час як у бензинах Ве­ликобританії цей вміст становить 0,15 г/л, у США-0.013 г/л).

          Яка маса Плюмбуму потрапляє в довкілля за рік разом з відпрацьованими газами авто­мобілів?

9. Діяльність людини є джерелом озоноруйнівних речовин — фреонів. Їх широко застосовують як холодоагенти в рефрижераторах і домашніх холодильниках, як аерозольні розбризкуванні в балончиках з фарбою, лаком, парфумами, як засіб очищення напівпровідникових схем тощо. Складіть формулу фреону-12 (дифтордихлор-метану).

Складіть рівняння реакції промислового син­тезу фреону-12, якщо відомо, що вихідними ре­човинами є тстрахлорометан і фтороводень. Ре­акція відбувається при температурі близько 100 °С і тиску 300 атм, каталізатор — стибій(V) хлорид.

10. Для боротьби зі шкідниками сільськогос­подарських культур широко використовувався препарат ДДТ (дуст). За розробку його синтезу і вивчення пестицидних властивостей швейцарсь­кий учений П. Мюллер у 1948 р. одержав Нобе­лівську премію. Згодом виявилося, що ця сполу­ка є мутагеном і канцерогеном, повільно розкла­дається в довкіллі і здатна накопичуватись у жи­рових тканинах організму. Наприкінці 70-х років більшість країн заборонили його використання.

За міжнародною номенклатурою препарат називається 4,4'-дихлородифенілтрихлорометил-метан. Спробуйте скласти його структурну фор­мулу.

Тема

«ОКСИГЕНОВМІСНІ ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ»

1.  Етанол та метанол використовують як до­бавки до пального. Запишіть рівняння горіння цих спиртів і поясніть, чому цей вид пального вважається екологічно чистим.
2.  Чутливість людини до токсичної дії алко­голю залежить від віку. Для дітей смертельною є доза близько 3 г алкоголю на І кг маси тіла, для підлітків — 4-5 г/кг. На думку вчених, людині, яка вживає понад 180 г алкоголю на добу, загро­жує цироз печінки. У печінці етиловий спирт під впливом ферментів піддається перетворенню. Одним із проміжних продуктів є етаналь (оцто­вий альдегід).

      Складіть рівняння окиснення етанолу до етаналю й обчисліть масу альдегіду, якщо окиснилося 180 г спирту.

3. Сполука класу фенолів разом з відходами хімічних виробництв потрапляє у стічні води, забруднюючи їх. Виведіть молекулярну формулу цієї сполуки, якщо відомо, що відносна густина її пари за киснем дорівнює 3,375. Масова частка Карбону становить 77,78 %, масова частка Гідро­гену — 7,41 %.
4. Формальдегід (метаналь) — речовина, що негативно впливає на організм людини. Але високомолекулярні сполуки на основі формальдегі­ду широко використовують, наприклад фенолоформальдегідні смоли. Вони утворюються внас­лідок реакції поліконденсації при нагріванні аль­дегідів з фенолом у присутності кислот чи лугів, які слугують каталізаторами.

        Складіть рівняння взаємодії фенолу з метаналем, враховуючи, що побічним продуктом є вода.

5.  Небезпечний для людини карбон(П) оксид успішно використовують для добування метанової (мурашиної) кислоти. Для нього чадний газ пропускають над нагрітим їдким натром при тиску 6-8 атм. Добуту натрієву сіль розкладають розбавленою сульфатною кислотою, в потім відганяють мурашину кислоту.

Складіть рівняння згаданих реакцій.

6.  Синтетичні мийні засоби разом і побутовими стоками потрапляють у водойми, спричиняючи забруднення. До складу пральних порошків входять солі алкілсульфокнелот, поліборати, аміноспирти тощо. А от мило — це солі вищих жирних кислот.

При нейтралізації суміші пальмітинової і сте­аринової кислот масою 108 г одержали суміш со­лей натрію масою 116,8 г. Знайдіть масову част­ку стеаринової кислоти в суміші.

7.  Підраховано, що потреба людини в жирах у світовому масштабі задовольняється на 60 %. При цьому у розвинутих країнах середня забезпеченість жирами становить 31,1 кг на рік, а на 75% світового населення, яке проживає у країнах, що розвиваються, припадає лише 5,1 кг жирів
на рік.

         Під час гідролізу жиру масою 445 г добули насичену одноосновну карбонову кислоту масою 426 г і гліцерин. Визначте формулу жиру та назвіть його.

8.  Хіміки й біохіміки пропонують нові способи добування харчових жирів. Так, менш цінні жири шляхом переестерифікації за наявності спеціальних каталізаторів можна перетворити на цінніші продукти. Наприклад, 1,3 специфічна ліпаза каталізує переестерифікацію 1,3-дииальмітоїл-2-моноолеата, який є основним григліцеридом однієї з фракцій пальмової олії. При цьому одержують головні компоненти дорогого масла какао:

1-пальмітоїл-З-стеароїл-2-моноолеат та 1,3-дистеароїл-2-моноолеат.

Складіть формули згаданих жирів.

9.  У загальному вигляді процес фотосинтезу виражається рівнянням: 6С0₃ + 6Н,0 + сонячне світло > С₆Н₁₂0₆ + 60₂.

Встановлено, що 1 га дубового лісу продукує за рік близько 830 кг кисню, березовою — 725 кг, соснового — 540 кг. Яка маса глюкози при цьо­му утворюється?

10.  Протягом одного року в атмосферу плане­ти потрапило 6,5 млрд. тонн вуглекислого газу. Яку масу кисню могли б утворити з нього рос­лини в процесі фотосинтезу за умови засвоєння 6 % СО₂?
11.  Целюлоза, або клітковина, — головний компонент клітинної стінки вищих рослин. У волокнах деревини її вміст дорівнює 40—50 %. Ви­ділення целюлози з деревини — складний техно­логічний процес, який є потужним джерелом за­бруднення повітряних та водних басейнів.

     При нагріванні з розбавленими кислотами це­люлоза піддається гідролізу, утворюючи глюко­зу. Обчисліть вихід глюкози (у відсотках від тео­ретично можливого) за такими даними: при гідролізі деревних стружок масою 300 кг, масова частка целюлози в яких становить 60 %, було добуто 108 кг глюкози. 

12.                                      Раціональне лісокористування передбачає повну переробку деревини. Яку масу триацетат-целюлози можна добути з деревних відходів ма­сою 3,24 т, якщо масова частка целюлози в дере­вині — 50 %, а масова частка виходу естеру ста­новить 75 % від теоретично можливого?
13.                                      При гідролізі деревних стружок масою 324 г одержали глюкозу. Вміст целюлози у стружках становить 60 %. Обчисліть масу спирту, що утвориться при спиртовому бродінні глюкози, якщо масова частка виходу продукту -60%.
14.  Із 1 м³ відходів лісопереробки можна до­бути до 770 м³ горючого газу, 60 л метанолу, 12 кг білкових дріжджів. Кора — джерело дубиль­них речовин для текстильної та шкіряної про­мисловості. Активоване вугілля — важливий про­дукт для медицини й хімічної промисловості. Це далеко не повний перелік того, що можна добути за умови раціональної лісопереробки.

Складіть рівняння таких перетворень:

Целюлоза → Глюкоза → Етиловий спирт → Етилен → Поліетилен;

Целюлоза → Глюкоза → Етиловий спирт → Оцтовий альдегід →  Оцтова кислота → Триацетатцелюлоза.

         15. Шляхом нітрування целюлозу можна перетворити на moho-, ди- або тринітроцелюлозу, які широко використовують для виробництва нітролаків, бездимного пороху, штучної шкіри тощо.

         Яку масу нітратної кислоти з масовою част­кою 99 % треба затратити для добування 50 кг тринітроцелюлози?

Тема:

«НІТРОГЕНОВМІСНІ ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ»

1. У текстильній промисловості в останні роки природні барвники майже повністю витіснено синтетичними органічними барвниками. Багато з них є алергенами й навіть мутагенами.

Сировиною для виробництва барвників є анілін.

Російський хімік М. М. Зінін у 1842 р. впер­ше розробив метод синтезу аніліну з нітробензо­лу:

С_бН₅N0₂ + 6Н → С₆Н₅NH₂ + 2Н₂0.

Обчисліть масову частку виходу продукту, якщо в результаті відновлення 12,3 г нітробензо­лу добули 8 г аніліну.

2. Бензол, фенол та анілін — сполуки, що у складі питної води можуть потрапити в організм людини й спричинити серйозні порушення.

Бромною водою обробили 50 г суміші бензо­лу, фенолу й аніліну. Утворився осад масою 9,91 г. При дії металічного натрію на таку саму масу суміші виділилось 0,112 л водню (н. у.). Які ма­сові частки (у відсотках) компонентів у суміші?

3.               У ролі окисника пального застосовують по­хідну метану - тетранітрометан. Складіть струк­турну формулу цієї сполуки.
4.               За даними ООН, близько 10 млн. дітей у світі недоїдають, а понад 200 млн. — харчуються неповноцінно. Білкова їжа вважається повноцін­ною, якщо вона містить незамінні амінокислоти, що не синтезуються в організмі. До цих аміно­кислот належать лейцин, фенілаланін, треонін та інші.

Складіть можливі схеми утворення трипептидів з цих амінокислот: