§ 17. Повітря, його склад. Оксиген. Кисень, його фізичні властивості

Повітря — природна суміш газів. Це ви знаєте з курсу природознавства. Які гази й у якій кількості входять до складу повітря? Пригадати ці відомості вам допоможуть діаграми на рисунку 17.1.

Рис. 17.1. Середній склад сухого повітря: об’ємні (1) і масові (2) частки (у частках від одиниці й відсотках) газів у ньому

Окрім азоту, кисню, вуглекислого газу, у повітрі є водяна пара, озон, домішки пилу, інших газів тощо (докладніше про склад повітря – у таблиці 6 Додатка).

Відкриття кисню дотепер залишається предметом наукової дискусії істориків хімії.

Цікаво і пізнавально

У VIII столітті китайський алхімік Мао Хоа вважав: повітря складається з двох частин, одна з яких підтримує горіння й дихання, а інша – ні.

Є підстави вважати відкривачами кисню щонайменше трьох дослідників: шведського хіміка Карла Вільгельма Шеєле (рис. 17.2.1), англійського священика Джозефа Прістлі (рис. 17.2.2) і французького хіміка Антуана Лорана Лавуазьє (рис. 17.2.3).

Рис. 17.2.1. Шеєле Карл Вільгельм (1742-1786). Шведський хімік і фармацевт. Член Королівської шведської академії наук. Хімію вивчав самотужки. Уперше добув багато неорганічних і органічних речовин, зокрема кисень

Рис. 17.2.2. Прістлі Джозеф (1733-1804). Англійський хімік, філософ, член Лондонського королівського товариства. Відкрив кисень. Проводив експерименти з повітрям, забрудненим різними газами. Виявив, що «повітря, зіпсоване горінням або диханням», стає придатним для дихання внаслідок життєдіяльності зелених частин рослин, одним з продуктів якої є кисень

Рис. 17.2.3. Лавуазьє Антуан Лоран (1743-1794). Французький хімік. Член Паризької академії наук. Його праці сприяли перетворенню хімії на науку, яка ґрунтується на точних вимірюваннях. Експериментально обґрунтував основний закон хімії – закон збереження маси речовин; визначив склад повітря; уперше правильно пояснив явище горіння як процес взаємодії речовин із киснем; довів, що процес дихання подібний до процесу горіння

Перше повідомлення про одержання безбарвного газу, в якому свічка горить яскравіше, ніж у повітрі, а тліюча скіпка спалахує, було зроблено в 1775 році Дж. Прістлі на засіданні Лондонського королівського товариства. Кількома роками раніше кисень добув К. Шеєле і назвав його «вогненним повітрям». Однак він необачливо забарився з оприлюдненням свого відкриття: трактат «Про повітря й вогонь» побачив світ лише 1777 року.

Тим часом у 1775 році А. Лавуазьє повторив досліди Дж. Прістлі та вдосконалив їхню методику. У виступі на засіданні Паризької академії наук учений повідомив, що йому вдалося отримати та описати властивості «найчистішої частини повітря, яке нас оточує». А. Лавуазьє назвав цей складник повітря життєвою основою (спробуйте пояснити чому).

Цікаво і пізнавально

Термін «кисень» уперше запровадив Антуан Лавуазьє 1777 року.

Про кількісний склад повітря. Щоб перевірити правильність міркувань великих хіміків минулого, відтворимо історію досліду. Помістимо в посудину з водою чашку для випарювання, у якій закріпимо свічку (рис. 17.3.1). Запалимо її й хутко накриємо скляним дзвоном, попередньо розміченим на п’ять рівних частин.

З курсу природознавства ви знаєте: поки у дзвоні є кисень – свічка горітиме. Під час горіння кисень витрачатиметься, тож вода заповнюватиме простір, що вивільнився. Тому її рівень у дзвоні підвищиться. Свічка погасне, коли кисню у дзвоні не залишиться (рис. 17.3.2).

Результати експерименту засвідчили: рівень води в циліндрі підвищився на одну поділку. Це означає, що об’єм повітря зменшився приблизно на одну п’яту частину. Тобто об’ємна частка кисню в повітрі становить близько 20 % (порівняйте здобуті експериментальні дані з тими, що наведено на діаграмі, зображеній на рисунку 17.1.1). Однак зауважимо, що внаслідок згоряння парафіну свічки утворюється газувата речовина – вуглекислий газ CO₂ й водяна пара H₂O. Це ускладнює точність визначення частки кисню під час згаданого історичного досліду.

Рис. 17.3. Визначення об’ємної частки кисню в повітрі

Склад молекули кисню вперше правильно визначив італійський науковець Амедео Авогадро (рис. 17.4). Він експериментально встановив відносну молекулярну масу кисню й дійшов висновку, що його молекула складається з двох атомів Оксигену (рис. 11.1).

Пригадайте хімічний знак Оксигену. Зазначте валентність (за потреби скористайтеся таблицею 15.1) і запишіть значення відносної атомної маси цього хімічного елемента.

Запишіть і вимовте хімічну формулу кисню. Обчисліть його відносну молекулярну масу. Простою чи складною речовиною є кисень?

Рис. 17.4. Авогадро Амедео (1776-1856). Італійський фізик і хімік (юрист за освітою). Популярність його імені пов’язана з відкриттями в галузі фізики й хімії. У 1811 році заклав основи молекулярної теорії. Цього ж року відкрив закон, названий його ім’ям. Винайшов метод визначення молекулярних мас, першим правильно обчислив атомні маси низки хімічних елементів

Фізичні властивості кисню. За звичайних умов кисень – безбарвний газ, без смаку й запаху. Його густина трохи більша за густину повітря. Твердий кисень плавиться за температури -218 °С. Рідкий кисень кипить за температури -183 °С. Кисень у рідкому стані – блакитна рухлива рідина. Скраплений кисень зберігають у посудинах Дьюара.

Цікаво і пізнавально

У лабораторіях і в промисловості посудину Дьюара використовують для зберігання зрідженого кисню, азоту, гелію. Побутовий термос – різновид посудини Дьюара.

Кисень малорозчинний у воді: за нормальних умов (0 °С, 1 атм) у воді об’ємом 100 л розчиняється кисень об’ємом 5 л. За 20 °С і тиску 1 атм у воді такого самого об’єму розчиняється кисень об’ємом 3,1 л.

Чи не кожен акваріуміст використовує компресори для аерації води. Поясніть, чому в спеку потреба в аерації зростає.

Які фізичні властивості кисню використовують для його збирання в посудину, ви дізнаєтеся з § 20.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Хімічний символ Оксигену – О, відносна атомна маса – 16, валентність – ІІ.
• Молекула кисню складається з двох атомів Оксигену. Відносна молекулярна маса кисню – 32.
• За звичайних умов кисень – безбарвний газ, без смаку й запаху, малорозчинний у воді.
• Густина кисню трохи більша за густину повітря.
• Кисень кипить за температури -183 °С.
• Рідкий кисень – блакитна рухлива рідина.
• Температура плавлення кисню -218 °С.

Перевірте себе

• 1. Який склад повітря?
• 2. Уміст якого газу в повітрі найбільший?
• 3. Хто відкрив кисень?
• 4. Як експериментально можна визначити приблизний уміст кисню в повітрі?
• 5. Який науковець уперше правильно визначив відносну молекулярну масу кисню і склад його молекули?
• 6. Яка відносна атомна маса Оксигену? Валентність?
• 7. Скільки атомів у молекулі кисню? Яка його хімічна формула?
• 8. Які фізичні властивості кисню?

Застосуйте свої знання й уміння

• 9. Чому кисень, випущений з балона, накопичується в нижній частині виробничого приміщення, заповнює всі приямки та траншеї і надовго там затримується?
• 10. Чому жива троянда, яку занурили в посудину з рідким киснем, стала крихкою (рис. 17.5)?

• 11*. Чому науковці тривалий час вважали повітря чистою речовиною, а не сумішшю?
• 12. Класифікуйте речовини, що є в повітрі (тут і далі див. таблицю 6 Додатка), на прості й складні.
• 13. Порівняйте якісний і кількісний склад: а) кисню О₂ й озону O₃; б) кисню O₂, азоту N₂ й водню H₂; в) вуглекислого газу CO₂ й нітроген(ІV) оксиду NO₂.
• 14. Визначте валентності хімічних елементів у складних речовинах, які є в повітрі.
• 15. Обчисліть відносні молекулярні маси складних речовин, які є в повітрі.
• 16*. Прокоментуйте висловлювання відомого вченого-хіміка А. Лавуазьє: «. Не робити жодного висновку, який не випливав би безпосередньо з досліду і спостереження, не пропонувати нічого понад те, що підтверджує дослід, і нічого не добавляти там, де факти мовчать».

Творча майстерня

• 17. Підготуйте презентацію «Історія відкриття кисню».
• 18. За матеріалами Інтернету підготуйте повідомлення про дивовижні властивості рідкого кисню.

Дізнайтеся більше про кисень (с. 179).

§ 41. ВОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ТА ЙОГО МЕШКАНЦІ

Для багатьох організмів на Землі середовищем життя є вода. У водному середовищі коливання температури не такі різкі, як у повітрі. Порівняно з наземно-повітряним середовищем у водному середовищі кисень і світло розподілені нерівномірно. Особливістю водного середовища є також те, що в ньому розчинені різні речовини. Одні з них (їх називають солями) надають воді солоного смаку. Якщо вміст цих речовин незначний, таку воду називають прісною. Це вода річок, озер, ставків, джерел. У воді морів і океанів уміст солей значно вищий, тому ці водойми називають солоними.

• Як умови водного середовища впливають на його мешканців

Світ мешканців водного середовища дуже різноманітний. Хоча кисню у водному середовищі не так багато, як у наземно-повітряному, тварини пристосувалися забезпечувати себе цим життєво необхідним газом. Так, риби вбирають розчинений у воді кисень за допомогою зябер. Дельфіни і кити живуть у водному середовищі, але киснем забезпечують себе за його межами. Для цього вони час від часу піднімаються на поверхню води, щоб вдихнути повітря.

У водному середовищі менше світла, ніж у наземно-повітряному. Тому водяні рослини зростають здебільшого в неглибоких, достатньо освітлених місцях. З глибиною кількість світла зменшується, тож рослин стає менше.

Тварини – мешканці водних глибин перебувають у суцільній темряві. Їхні очі або дуже великі, щоб вловлювати світло, або взагалі відсутні. У деяких глибоководних організмів є світні органи (мал. 149).

Мал. 149. Тварини – мешканці водних глибин

У холодних морях температура води низька, але й там не припиняється життя. Тут мешкають тварини доволі великих розмірів – морські слони, моржі, тюлені та інші. Як вони пристосувалися до існування за цих умов, не маючи густого хутра чи пір’я, які б рятували їх від холоду? Виявляється, ці тварини під шкірою мають товстий прошарок жиру, товщина якого може сягати півметра. Це і є їхнім надійним захистом.

Рослини водного середовища – важливі постачальники кисню для всіх його мешканців. У водоймах не побачиш дерев з міцним стовбуром, натомість багато водоростей з гнучким тілом (мал. 150, 1).

Мал. 150. Водяні рослини: водорість ламінарія (1), латаття біле (2), глечики жовті (3)

Ростуть у водоймах і квіткові рослини, наприклад латаття біле і глечики жовті (мал. 150). Коренями вони прикріплені до дна водойми, а їхні листки й квітки плавають на її поверхні. Листки деяких водяних рослин нагадують стрічки. Так збільшується їхня поверхня, щоб вбирати з води кисень і поживні речовини.

Завдяки вмісту різноманітних речовин у воді прісні й солоні водойми населені різними організмами. Так, найбільший хижак українських річок щука не має пристосувань до життя в солоному морі, а небезпечна акула не зможе існувати у прісних водоймах.

• Як рухаються водяні тварини

Водне середовище більш щільне порівняно з наземно-повітряним. Людині складніше бігти і стрибати у воді, ніж на суходолі. Купаючись у річці, ставку або морі, тобі, напевно, доводилося помічати, що слід докласти більше зусиль, щоб добігти до м’яча чи високо підстрибнути. Вода чинить опір рухам дужче, ніж повітря. Проте водяні тварини мають різноманітні пристосування до руху у водному середовищі.

Маленькі рачки дафнії та циклопи (мал. 151, 1, 2) ніби зависають у товщі води чи на її поверхні, підхоплюються течіями й переносяться в інші місця. Медуза утримується у воді завдяки формі тіла, що нагадує дзвін (мал. 151, 4). Стискаючи його, медуза виштовхує струмінь води, а сама рухається у протилежний бік. Подібний спосіб переміщення властивий і кальмару та восьминогу (мал. 151, 3, 5).

Мал. 151. Тварини водойм: дафнія (1), циклоп (2), кальмар (3), медуза (4), восьминіг (5)

Розглянемо, як інші мешканці водного середовища пристосовані до активного руху або плавання. Почнемо з риб.

Зверни увагу на форму тіла риб (мал. 152). Голова дещо загострена, від неї тіло поступово потовщується, досягає найбільшої товщини посередині й звужується до хвоста. Завдяки цьому тіло риби з меншим напруженням врізається в товщу води. Вода наче обтікає рибу. Тому така форма тіла дістала назву обтічної. Людина використала таку форму в суднобудуванні для створення підводних човнів. Зберігати рівновагу тіла й швидко рухатися рибі допомагають плавці на спинному й черевному боках тіла, а хвостовий плавець виконує роль керма.

Мал. 152. Риби – типові мешканці водойм

Пристосуванням жаб і водоплавних птахів до руху у водному середовищі є плавальні перетинки між пальцями ніг (мал. 153, 1, 2).

Органами руху мешканців холодних морів і океанів тюленя і моржа є ласти (мал. 153, 3). Завдяки ним ці тварини вправно плавають, а от виповзаючи на крижини, вони стають доволі неповороткі.

Мал. 153. Пристосування до руху у воді жаби (1), качки (2) і тюленя (3)

• Про деяких мешканців водойм України

Жук-плавунець (мал. 154, 1) – велика комаха українських прісних водойм. Пласке, гладке й заокруглене тіло жука розтинає воду, наче підводний човен. Задня пара ніг плавунця схожа на весла. Завдяки ним жук плаває з такою швидкістю, що може позмагатися з рибою. Жук-плавунець дихає киснем повітря. Час від часу він виставляє з води задній кінець тіла. Через наявні в ньому спеціальні отвори повітря потрапляє в організм жука.

З водним середовищем пов’язано життя крижня (мал. 154, 2) – великої дикої качки. Завдяки перетинкам між пальцями ніг цей водоплавний птах управно плаває. А от на березі крижень рухається повільно. Птах довго перебуває на воді, іноді спритно пірнає, але не намокає. Цьому сприяють водовідштовхувальні речовини, якими вкрите пір’я, а також маленькі бульбашки повітря між пір’їнками.

У водоймах і на їхніх узбережжях мешкає бобер (мал. 154, 3). Плавальні перетинки на ногах допомагають бобру рухатися у воді, а хвіст у формі весла – змінювати напрямок руху. Тобто хвіст бобра виконує роль керма. У разі небезпеки бобер голосно плескає хвостом по воді й пірнає, що є сигналом тривоги для інших бобрів.

Мал. 154. Мешканці наших водойм: 1 – жук-плавунець, 2 – крижень, 3 – бобер

Бобри – управні інженери і будівельники. У крутих берегах вони риють нори з кількома входами, які розташовані під водою. Там, де немає можливості вирити нору, наприклад у болотистій місцевості, бобри споруджують хатки. Для цього численні гілочки скріплюються мулом і землею. Хатка бобра нагадує купку хмизу, та насправді це надійна фортеця від ворогів і укриття для зимівлі.

Бобри, які мешкають на неглибоких річках, будують греблі. Бобер здатний підгризати рослини під водою. Але ж існує загроза захлинутись! Щоб цього не сталося, губи опиняються позаду передніх зубів, щільно притискаються і вода не проникає до рота.

• У водному середовищі світло і кисень розподілені нерівномірно, коливання температури не різкі.

• Водне середовище населене різними організмами.

• Рослини і тварини мають різні пристосування до існування у водному середовищі.

Сторінка природодослідника

Мешканці водного середовища риби є окрасою акваріумів. Як визначити температуру тіла риби, яка плаває в акваріумі? Риби належать до тварин, які не мають постійної температури тіла, тобто до холоднокровних. Температура їхнього тіла приблизно на 1 °С вища за температуру навколишнього середовища. Отже, слід виміряти температуру води в акваріумі й додати один градус.

Запитання і завдання

1. Які умови життя організмів у водному середовищі?

2. Які тварини мешкають у водному середовищі?

3. Назви рослини водного середовища.

4. Які пристосування мають тварини і рослини до існування у водному середовищі?

5*. Користуючись додатковими джерелами інформації (довідниками, енциклопедіями, Інтернет-ресурсами), підготуй повідомлення про будь-яку тварину – мешканця водного середовища за таким планом: 1) назва тварини, 2) де мешкає, 3) які особливості будови тіла забезпечують пристосування тварини до водного способу життя, 4) як пристосована до руху (якщо тварина рухається), 5) які пристосування має для добування їжі.

Попрацюйте в групах

Запишіть ознаки, за якими можна визначити, що організм мешкає у водному середовищі.