Контрольная работа по "Материаловедению"

№12.

 

Определите  длины волн первых трех линий серии Пашена для атомарного водорода. Указать, в каком диапазоне (ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном) они находятся.

 

Решение:

 

Обобщенная формула Бальмера, описывающая  серии спектра водорода

 

n

 

где  nl − частота спектральных линий в спектре атома водорода;

         – постоянная Ридберга для водорода;

       m – определяет серию;   

n − определяет отдельные линии соответствующей линии;

         m=3, n = 4,5,6,… серия Пашена.

 

Определяем частоты спектральных линий

n

n

n

 

при 

n

 

Определяем длины волн

ln

ln

ln

 

ln

 

Спектр видимого излучения начинается фиолетовым цветом и заканчивается красным светом. Длина волны фиолетовых лучей 380 нм, красных – 760 нм.

Найденные длины волн не попадает в этот диапазон.

 

Все линии серии Пашена находятся в инфракрасном диапазоне, в коротковолновой области. Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74 − 2,5 мкм;
• средневолновая область:   λ = 2,5 − 50 мкм;
• длинноволновая область:   λ = 50 − 2000 мкм.

№22.

 

Предельно допустимый уровень напряженности  электрического поля создаваемого ТV станциями на частоте 300 Мгц составляет 2,5 В/м. Определить предельно допустимый уровень плотности потока энергии.

 

Решение:

 

Плотность потока электромагнитной энергии – вектор Умова-Пойнтинга

 

 

 

так как векторы    взаимно перпендикулярны, то

 

 

 

 

Связь между мгновенными значениями напряженностей электрического Е и магнитного Н полей электромагнитной волны

 

 

 

Выразим    через

 

 

здесь  – электрическая постоянная,

 – магнитная  постоянная,

  и    равны единице.

 

Получаем

 

 

 

 

Предельно допустимый уровень плотности потока энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№32.

 

Счетчик Гейгера, установленный вблизи препарата радиоактивного изотопа  серебра, при первом измерении регистрировал 5200 – частиц в минуту, а через сутки только 1300. Определить период полураспада изотопа.

 

Решение:

 

Активность изотопа изменяется со временем по закону

А=A₀ e^−l∙t;

l − постоянная радиоактивного распада.

 

Период полураспада связан с постоянной распада соотношением:

Получаем уравнение:

 

 

Логарифмируем обе части  уравнения

 

Получаем (время t=1 сут=24 ч)

 

 

Период полураспада

 

 

 

 

 

 

 

 

№42.

 

Шум на улице, которому соответствует  интенсивность звука  L₁ = 50 дБ, слышен в комнате так, как шум L₂ = 30 дБ. Найдите отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

 

Решение:

 

Уровень интенсивности звука  в децибелах:

Интенсивность звука

 

 

где 

 

 

Отношение интенсивностей

 

 

 

 

Т. е. интенсивность, слышимого шума улицы, в комнате меньше в 100 раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№52.

 

Опишите основные и опасные свойства, напишите соответствующие уравнения  химических реакций хлора и его соединений 

 

Решение:

 

ХЛОР, химический элемент VII группы периодической системы, относится к галогенам. Атомный номер 17, относительная атомная масса 35,453. Природный хлор состоит из смеси двух изотопов – хлора-35 (75,77%) и хлора-37 (24,23%).

Этот элемент входит в  состав многих солей, в том числе  и самой известной – поваренной соли.

 

Хлор в природе. Хлора в земное коре не очень много – всего 0,017%, причем в свободном состоянии он встречается лишь в небольших количествах в вулканических газах. В списке самых распространенных элементов хлор находится в конце второго десятка. Хлора меньше, чем даже ванадия и циркония (но больше, чем хрома, никеля, цинка, меди и азота). При этом хлор очень сильно распылен: небольшие количества этого элемента входят в состав множества различных минералов и горных пород. Очень высокая химическая активность хлора приводит к тому, что в природе он встречается, как правило, в виде соединений, в сочетании с натрием, калием, магнием, кальцием.

 

Растворы хлоридов – обязательная составная часть живых организмов. Содержание хлора в теле человека 0,25%, в плазме крови – 0,35%. В теле взрослого человека содержится более 200 г хлорида натрия, из которых 45 г растворено в крови. В продуктах питания и природной воде часто недостаточно хлора для нормального развития человека, поэтому с древних времен люди подсаливают пищу. Вводят хлор и в подкормку животных. Растения же, в отличие от животных, никогда не испытывают дефицита хлора.

 

Свойства хлора. Хлор – тяжелый (в 2,5 раза тяжелее воздуха) желто-зеленый газ. Молекулы Cl₂легко диссоциируют на атомы при поглощении кванта света, а также при высокой температуре. При 730° С степень диссоциации составляет около 0,02%, а при 1730° С – уже почти 35%. При невысоких давлениях хлор близок к идеальным газам: 1 моль хлора при нормальных условиях занимает объем 22,06 л. При охлаждении до –34° С хлор сжижается, а при –101° С он затвердевает. Температуру сжижения газообразного хлора легко повысить, если увеличить давление; так при давлении 5 атм хлор кипит уже при +10,3° С.

 

Хлор активно и с выделением значительного количества тепла реагирует с водородом:

Cl₂ + H₂ 2HCl + 184 кДж. Реакция идет по цепному механизму, и если скорость ее инициирования велика (сильное освещение ультрафиолетовым или сине-фиолетовым светом, нагрев до высокой температуры), смесь газов (если хлора в ней содержится более 11,5 и менее 95%) взрывается.

 

Хлорноватистая  кислота на свету разлагается: HClO  HCl + O. Именно атомарному кислороду приписывают отбеливающий эффект (абсолютно сухой хлор такой способностью не обладает).

 

Хлор в своих соединениях может проявлять все степени окисления – от –1 до +7. С кислородом хлор образует ряд оксидов, все они в чистом виде нестабильны и взрывоопасны: Cl₂O – желто-оранжевый газ, ClO₂ – желтый газ (ниже 9,7^о С – яркокрасная жидкость), перхлорат хлора Cl₂O₄(ClO–ClO₃, светло-желтая жидкость), Cl₂O₆ (O₂Cl–O–ClO₃, ярко-красная жидкость), Cl₂O₇ – бесцветная очень взрывчатая жидкость. При низких температурах получены нестабильные оксиды Cl₂O₃ и ClO₃. Оксид ClO₂ производится в промышленном масштабе и используется вместо хлора для отбеливания целлюлозы и обеззараживания питьевой воды и сточных вод. С другими галогенами хлор образует ряд так называемых межгалогенных соединений, например, ClF, ClF₃, ClF₅, BrCl, ICl, ICl₃.

 

Хлор в разных степенях окисления образует ряд кислот: HCl – хлороводородная (соляная, соли – хлориды), HClO – хлорноватистая (соли – гипохлориты), HClO₂ – хлористая (соли – хлориты), HClO₃ – хлорноватая (соли – хлораты), HClO₄ – хлорная (соли – перхлораты). В чистом виде из кислородных кислот устойчива только хлорная. Из солей кислородных кислот практическое применение имеют гипохлориты, хлорит натрия NaClO₂ – для отбеливания тканей, для изготовления компактных пиротехнических источников кислорода («кислородные свечи»), хлораты калия (бертолетова соль), кальция и магния (для борьбы с вредителями сельского хозяйства, как компоненты пиротехнических составов и взрывчатых веществ, в производстве спичек), перхлораты – компоненты взрывчатых веществ и пиротехнических составов; перхлорат аммония – компонент твердых ракетных топлив. 

 

Хлор как отравляющий газ. Как потом выяснили, человек чувствует запах хлора даже в том случае, если в одном литре воздуха содержится лишь 0,005 мг этого газа, и при этом он уже оказывает раздражающее действие на дыхательные пути, разрушая клетки слизистой оболочки дыхательных путей и легких. Концентрация 0,012 мг/л переносится с трудом; если же концентрация хлора превышает 0,1 мг/л, он становится опасным для жизни: дыхание учащается, становится судорожным, а затем – все более редким, и уже через 5–25 минут происходит остановка дыхания. Предельно допустимой в воздухе промышленных предприятий считается концентрация 0,001 мг/л, а в воздухе жилых районов – 0,00003 мг/л.

 

Применение хлора. Основная его масса (до 50%) расходуется на хлорирование органических соединений – для получения растворителей, синтетического каучука, поливинилхлорида и других пластмасс, хлоропренового каучука, пестицидов, лекарственных средств, многих других нужных и полезных продуктов. Остальное потребляется для синтеза неорганических хлоридов, в целлюлозно-бумажной промышленности для отбеливания древесной пульпы, для очистки воды. В сравнительно небольших количествах хлор используют в металлургической промышленности. С его помощью получают очень чистые металлы – титан, олово, тантал, ниобий. Сжиганием водорода в хлоре получают хлороводород, а из него – соляную кислоту. Хлор применяют также для производства отбеливающих веществ (гипохлоритов, хлорной извести) и обеззараживания воды хлорированием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№62.

 

Проанализировать абсорбцию, распределение и токсичность  металла    (ванадий ) в организме человека и животных.

 

Решение:

 
  Ванадий (лат. Vanadium)- химический элемент V группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Имеет атомный номер 23, атомную массу 50,9415. Чистый ванадий - это ковкий твердый металл серебристо-серого цвета. Плотность его 6,11 г/см³, что позволяет отнести его к тяжелым металлам. Температура плавления - 1920 ^oC.  
    
    Чистый ванадий - химически стойкий металл. Он не подвержен воздействию воды, в том числе морской. Он также не реагирует с соляной и слабой серной кислотами, растворами щелочей. Растворяется в концентрированной серной кислоте, в плавиковой (фтористоводородной) и азотной кислотах, а также в "царской водке".  
  

Основным источником поступления  ванадия в подземные воды являются железные и полиметаллические руды, содержащие небольшую примесь ванадия, а также экологические факторы: сточные воды предприятий черной и цветной металлургии, добыча и  переработка нефти, сжигание углеводородного  топлива (например, выбросы автомобилей). Ванадий имеет свойство связываться  с другими элементами и частицами  и поэтому в основном задерживается  в почве, где и остается длительное время. В растениях обнаруживаются только незначительные следы ванадия, что свидетельствует о его  слабом накоплении в растительных тканях.

 

Влияние на качество воды.

 
    В воде ванадий образует устойчивые анионные комплексы (V₄O₁₂)^4- и (V₁₀O₂₆)^6-. В миграции ванадия существенна роль его растворенных комплексных соединений с органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами. Концентрация ванадия в природных водах ничтожна - сотые и тыс. доли мг/л. В таких количествах ванадий не оказывает сколь-нибудь значительного влияния на качество воды. Очевидно этот факт и является причиной того, что ни ВОЗ, ни USEPA, ни ЕС содержание ванадия в воде не нормируют. По российским нормам предельно допустимая концентрация ванадия для питьевой воды составляет 0.1 мг/л. Практически такие концентрации могут встречаться только при проникновении в подземные воды ванадийсодержащих сточных вод.

 

Пути поступления  в организм.

 
    Основной источник поступления ванадия в организм - вдыхание частичек пыли, содержащих оксиды ванадия (например, на металлургическом производстве или вблизи объектов, на которых сжигаются содержащие ванадий нефтепродукты или уголь). Этот путь является и наиболее опасным с точки зрения негативного влияния на здоровье человека. Более "физиологичный" путь поступления ванадия в организм - с пищей (в сравнительно небольших количествах). К числу содержащих ванадий продуктов можно отнести (1 мкг% соответствует содержанию элемента в микрограммах на 100 грамм продукта): рис ( 400 мкг%), фасоль (190 мкг%), редис (185 мкг%), ячмень (172 мкг%), гречиха (170 мкг%), зеленый салат (170 мкг%), горох (150 мкг%), картофель (149 мкг%), а также ненасыщенные жиры и масла растительного происхождения, укроп, петрушку.  
    Поступление с водой незначительно. Некоторые лекарства (например, антибиотики) также содержат ванадий.

 

Потенциальная опасность  для здоровья.

 
    Наибольшему воздействию при вдыхании содержащей ванадий пыли подвержены легкие, бронхи, глаза. Рабочие, вдыхавшие такую пыль даже непродолжительное время жалуются на раздражение и хрипы в легких, кашель, боли в груди, насморк и першение в горле. Иногда наблюдается удушье, зеленоватый налет на языке и побледнение кожных покровов. Правда, эти признаки исчезают уже вскоре после прекращения вдыхания загрязненного воздуха. Аналогичные результаты были получены и на животных. Данные об отрицательном влиянии ванадии при его поступлении с пищей или при кожном контакте отсутствуют. Тем не менее, опыты, проводившиеся на животных показали, что воздействие сверхвысоких доз ванадия приводит к смертельному исходу. У беременных животных, подвергавшихся воздействию несколько меньших доз наблюдались дефекты у новорожденных. У животных, долгое время вдыхавших или получавших с пищей значительные количества ванадия появлялись незначительные проблемы с печенью и почками. Следует отметить, что те дозы ванадия, которые использовались в опытах многократно превышают концентрации, имеющие место в природе.  
   При исследовании животных, длительное время получавших повышенные дозы ванадия с водой, рост числа опухолевых заболеваний не выявлен.  

Физиологическое значение.

 
    Суммируя различные источники, можно сказать, что ванадий - это микроэлемент, участвующий в регулировании углеводного обмена, сердечно-сосудистой деятельности (в частности, уменьшает выработку холестерина). Ванадий участвует также в процессах формирования костей и зубов, роста и метаболизма жиров, а также стимулирует рост и репродукцию клеток, действуя при этом как противораковое средство. Ванадий вместе с цирконием, сопутствуя серебру, благотворно действует на функции паренхиматозных органов (печень, селезенка, легкие), щитовидной и поджелудочной желез, гипофиза, половых органов, мышечной системы.  
    Хотя дефицит ванадия у человека - редкое явление, однако у подопытных животных нехватка ванадия приводит к ухудшению роста зубов, костей, хрящей и мускулов, а также ослаблению функции размножения. Существуют также американские данные о том, что недостаток ванадия связан с развитием диабета. По крайней мере дефицит ванадия, наряду с недостатком хрома и цинка, является одним из важнейших индикаторов симптомов диабета. Депонируется ванадий в основном в костных и жировых тканях.  
    Уровень суточной потребности организма человека в ванадии не установлен, но по экспертным оценкам составляет около 2 мг в день.