| Предыдущая задача | Содержание | Следующая задача | 38-ая Международная Химическая Олимпиада Тренировочные задачи |
Солнечная система образовалась 4.6 миллиарда лет назад из облака межзвездного газа, состоящего в основном из водорода и гелия с небольшими примесями других газов и пыли.
5-1. Возраст Солнечной системы можно оценить по массовому соотношению изотопов Pb-206 и U-238 в лунных породах. Напишите суммарное уравнение реакции радиоактивного распада U-238 до Pb-206.
5-2. Скорость общей реакции распада определяется первой стадией – a-распадом U-238 (238U ®234Th + 4He), которая является самой медленной. Период полураспада в этой реакции составляет 4.51 x 109 лет. Оцените отношение масс Pb-206 и U-238 в лунных породах, исходя из которого был сделан вывод о возрасте Солнечной системы.
Атомарный водород и гелий редко встречаются на Земле, т.к. они способны вылетать за пределы атмосферы (речь идет о верхних слоях атмосферы, в нижних слоях атомарный водород связан химически – прим. пер.). Вторая космическая скорость – скорость тела, необходимая для преодоления сил гравитации планеты. Вторая космическая скорость определяется равенством энергии выхода из гравитационного поля GMm/R и кинетической энергии (1/2)mv2. Она не зависит от массы тела и является характеристикой планеты.
G: универсальная гравитационная постоянная = 6.67 x 10–11 Н м2 кг–2
M: масса Земли = 5.98 x 1024 кг
R: радиус Земли = 6.37 x 106 м
5-3. Рассчитайте вторую космическую скорость для Земли.
5-4. Рассчитайте среднюю скорость (8RT/πM)1/2 атома водорода и молекулы азота при обычной температуре и сравните их со второй космической скоростью Земли. Учтите, что температуры верхних и нижних слоев атмосферы различны. Также следует заметить, что при фотолизе водяного пара могут образовываться атомы водорода. Объясните, почему атомы водорода легче, чем молекулы азота покидают атмосферу Земли, несмотря на то, что вторая космическая скорость не зависит от массы тела.
Химический состав атмосферы планеты зависит от её температуры (которая определяется расстоянием от Солнца, температурой внутри планеты и т.п.), тектонической активности и существования жизни.
Поскольку Солнце является источником тепла, света и солнечного ветра, то ближайшие к нему планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) потеряли значительную часть атмосферы – в основном легкие газообразные вещества (водород, гелий, метан, азот, водяной пар, монооксид углерода). В то же время, тяжелые элементы накапливались в ядре планет из-за сил гравитации, и происходило нагревание планет благодаря радиоактивному распаду нестабильных изотопов. Впоследствии газы, такие как диоксид углерода и вода, мигрировали из ядра планеты на поверхность. Возможность того, что газы впоследствии покинут атмосферу, зависит от распределения молекул по энергии. Чем больше молекул имеют скорость выше второй космической, тем меньше газ удерживается атмосферой.
5-5. Подчеркните планеты, чьи состав атмосферы и давление соответствуют указанным данным. Ответ обоснуйте.
Средняя температура и радиус планет составляют:
Венера: 730 K; 6052 км
Земля: 288 K; 6378 км
Марс: 218 K; 3393 км
Юпитер: 165 K; 71400 км
Плутон: 42 K; 1,160 км
|
Давление (атм.) |
Состав (%) |
Планета |
|
> 100 |
H2(82); He(17) |
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Плутон |
|
90 |
CO2(96.4); N2(3.4) |
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Плутон |
|
0.007 |
CO2(95.7); N2(2.7) |
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Плутон |
|
1 |
N2(78); O2(21) |
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Плутон |
|
10–5 |
CH4(100) |
Венера, Земля, Марс, Юпитер, Плутон |
5-6. Напишите структуры Льюиса для следующих молекул: H2, He, CO2, N2, O2 и CH4. Укажите все валентные электроны.
5-7. Все перечисленные компоненты атмосфер – это вещества с низкой температурой кипения. Температура кипения вещества определяется полярностью молекулы, которая зависит от полярностей отдельных связей и геометрии молекулы. Неполярные молекулы взаимодействуют между собой только за счет дисперсионных сил и поэтому имеют низкую температуру кипения. Однако температуры кипения различных неполярных веществ отличаются друг от друга. Расположите следующие вещества в порядке увеличения температуры кипения: H2, He, N2, O2 и CH4. Ответ обоснуйте.
Ответ
5-2. 0.89.
5-3. 11.2 км/с.
5-4. N2 - 470 м/с, H - 2500 м/с.
5-5. Юпитер, Венера, Марс, Земля, Плутон
5-7. He < H2 < N2 < O2 < CH4.