"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Кислород — химически активный неметалл, который вступает в реакции со многими металлами и неметаллами. При соединении с кислородом образуются новые вещества, часто — оксиды. Быстрое окисление с выделением теплоты и обычно света называют горением, а постепенное взаимодействие без пламени — медленным окислением. Чтобы описать такие реакции, нужно правильно составить формулы продуктов и уравнять уравнение, сохраняя число атомов каждого элемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Окисление — соединение вещества с кислородом, при котором происходит химическая реакция и образуются новые вещества. Например, при горении магния исходные магний и кислород превращаются в оксид магния. Это понятие помогает распознавать реакции кислорода, даже если пламени не видно. Окисляться могут и металлы, и неметаллы.
Оксид — сложное вещество, состоящее из двух элементов, один из которых — кислород. Так, MgO содержит магний и кислород, а CO₂ — углерод и кислород. По составу продукта можно понять, какой элемент вступил в реакцию. Формулу оксида составляют с учётом валентностей элементов.
Горение — быстрое окисление вещества кислородом, сопровождающееся выделением теплоты и обычно света. К примеру, магний в кислороде горит ярким пламенем и образует твёрдый оксид. По этим признакам горение отличают от более медленных процессов. Для начала горения часто требуется нагревание.
Медленное окисление — постепенное взаимодействие вещества с кислородом без заметного пламени. Так происходит ржавление железа, а в живых организмах окисление веществ связано с дыханием. Оно тоже приводит к образованию новых веществ, хотя огня не видно. Это понятие объясняет, почему не всякая реакция с кислородом выглядит как горение.
Кислород называют химически активным неметаллом и окислителем, потому что он способен соединяться со многими веществами. В ходе такой реакции атомы кислорода входят в состав продуктов, а исходные вещества превращаются в новые. Поэтому взаимодействие с кислородом — это не простое смешивание, а химическое превращение. О наличии реакции судят по появлению новых веществ и изменению наблюдаемых свойств.
При взаимодействии кислорода с металлом или неметаллом часто образуется оксид: в его состав входят кислород и второй элемент. Конкретный продукт зависит от природы реагента и условий реакции. Например, углерод при достаточном количестве кислорода образует углекислый газ CO₂, а сера — оксид серы(IV) SO₂. Формулу продукта устанавливают до расстановки коэффициентов, иначе уравнение будет описывать неверное вещество.
Многим реакциям для начала нужно сообщить энергию: вещество нагревают или поджигают. Нагревание помогает реагентам перейти к взаимодействию, поэтому без него реакция может идти слишком медленно или не быть заметной. После воспламенения выделение теплоты поддерживает дальнейшее горение. Однако необходимость начального нагрева не означает, что вещество должно постоянно оставаться в пламени.
Горение и медленное окисление различаются прежде всего скоростью и проявлением реакции. При быстром окислении энергия выделяется заметно, поэтому наблюдаются нагревание и обычно свет; медленное окисление протекает постепенно, без яркого пламени. К первой группе относится горение топлива, ко второй — ржавление, дыхание и порча органических веществ. Во всех случаях кислород участвует в химическом превращении, но условия и скорость различаются.
Кислород не со всеми веществами реагирует одинаково быстро: результат зависит от свойств реагентов, температуры и площади их соприкосновения. При повышении температуры частицы движутся быстрее, поэтому столкновения, способные привести к реакции, происходят чаще. Чем больше поверхность твёрдого вещества доступна кислороду, тем легче идёт взаимодействие. Поэтому кусок вещества и его порошок могут реагировать с разной скоростью.
Таблица показывает типичные реакции кислорода с простыми веществами. Условия и признаки помогают отличить начало реакции от её дальнейшего протекания, а уравнение показывает состав продуктов и соотношение частиц. При чтении проверяйте, что число атомов каждого элемента слева и справа совпадает.
| Реагент | Условия реакции | Продукт | Уравнение реакции | Признаки реакции |
|---|---|---|---|---|
| Углерод | Нагревание | Углекислый газ, CO₂ | C + O₂ → CO₂ | Уголь раскаляется, выделяется теплота |
| Сера | Поджигание | Оксид серы(IV), SO₂ | S + O₂ → SO₂ | Сера горит голубым пламенем |
| Фосфор | Поджигание | Оксид фосфора(V), P₂O₅ | 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ | Яркое свечение, образуется белый дым |
| Магний | Нагревание или поджигание | Оксид магния, MgO | 2Mg + O₂ → 2MgO | Яркий белый свет, белый порошок |
| Железо | Нагревание; железо в виде тонких волокон или порошка | Оксид железа, Fe₃O₄ | 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ | Раскалённые частицы, искры |
| Водород | Поджигание смеси с кислородом | Вода, H₂O | 2H₂ + O₂ → 2H₂O | Выделяется теплота, появляются капли воды |
Задача 1. Записать и уравнять реакцию горения магния в кислороде. Сначала определяем продукт: металл магний при соединении с кислородом образует оксид магния MgO. Затем записываем схему реакции и проверяем число атомов по обе стороны. Индекс 2 у кислорода показывает, что его простое вещество состоит из двухатомных молекул.
Записываем формулы исходных веществ и продукта: Mg + O₂ → MgO. Пока это схема, а не уравненное уравнение.
Слева два атома кислорода, справа один. Ставим коэффициент 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO.
Теперь справа два атома магния, поэтому ставим коэффициент 2 перед Mg. Получаем 2Mg + O₂ → 2MgO; число атомов обоих элементов совпадает.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты показывают соотношение частиц: две частицы магния реагируют с одной молекулой кислорода.
Задача 2. Сера сгорела, нужно найти массу образовавшегося оксида серы(IV), если известна масса серы m(S). Уравнение реакции S + O₂ → SO₂ показывает, что количества серы и SO₂ соотносятся как 1:1. Поэтому сначала переводим массу серы в количество вещества, а затем используем это же количество для расчёта продукта. Например, если сгорело 3,2 г серы, молярная масса S равна 32 г/моль.
Находим количество серы: n(S) = m(S) / M(S) = 3,2 / 32 = 0,1 моль.
По коэффициентам уравнения n(SO₂) = n(S) = 0,1 моль. Молярная масса SO₂ равна 32 + 2 · 16 = 64 г/моль.
Находим массу продукта: m(SO₂) = n(SO₂) · M(SO₂) = 0,1 · 64 = 6,4 г. Масса продукта может быть больше массы серы, потому что в SO₂ входит ещё кислород.
Ответ: при сгорании 3,2 г серы образуется 6,4 г SO₂. Для другой заданной массы повторите те же действия, подставив её в расчёт.
Задача 3. Найти объём кислорода для полного сгорания заданной массы углерода и объём образовавшегося CO₂. Возьмём для примера 12 г углерода, а газы измерим при одинаковых условиях. Уравнение C + O₂ → CO₂ показывает соотношение веществ 1:1: на один моль углерода требуется один моль O₂ и образуется один моль CO₂. Для перевода количества газа в объём применяем молярный объём 22,4 л/моль при нормальных условиях.
Находим количество углерода: n(C) = m(C) / M(C) = 12 / 12 = 1 моль.
По уравнению n(O₂) = 1 моль и n(CO₂) = 1 моль. Следовательно, кислорода нужно V(O₂) = 1 · 22,4 = 22,4 л.
Объём углекислого газа равен V(CO₂) = 1 · 22,4 = 22,4 л. Равенство объёмов здесь следует из равных коэффициентов газов в уравнении.
Ответ: для сгорания 12 г углерода требуется 22,4 л O₂, образуется 22,4 л CO₂ при нормальных условиях. Для иной массы углерода сначала найдите количество вещества, а затем примените коэффициенты реакции.
Ошибка 1 — считать, что любая реакция с кислородом сопровождается пламенем. Так думают, потому что горение — самый заметный пример окисления. Но ржавление и дыхание идут без видимого огня. Проверьте себя: если пламени нет, это ещё не доказывает отсутствие реакции.
Ошибка 2 — записывать продукт реакции металла с кислородом как смесь элементов. Такая запись не показывает химическое превращение: при реакции возникает новое сложное вещество, например MgO. Ошибка появляется, если забыть, что атомы соединяются в определённом соотношении. Проверьте, содержит ли формула продукта оба элемента и соответствует ли она понятию оксида.
Ошибка 3 — неверно составлять формулу оксида. Индексы нельзя выбирать наугад: они зависят от валентностей элементов. Неправильная формула приводит к неверному уравнению, даже если коэффициенты подобраны аккуратно. Перед уравниванием проверьте формулу по валентностям и убедитесь, что она соответствует известному названию вещества.
Ошибка 4 — менять индексы вместо коэффициентов. Индексы входят в формулу и задают состав вещества, а коэффициенты показывают число его частиц. Если изменить индекс, например превратить MgO в MgO₂, получится другое вещество, а не уравненная реакция. Проверяйте себя подсчётом атомов: уравнивают их число только коэффициентами перед формулами.
Для изучения реакций кислорода нужны знания о простых и сложных веществах, правила составления формул и умение расставлять коэффициенты. Понимание состава воздуха помогает объяснить, почему реакции на воздухе и в чистом кислороде идут по-разному. Валентность и относительные атомные массы необходимы, чтобы записывать формулы оксидов и проводить расчёты. Эти знания пригодятся при изучении оксидов, горения топлива, дыхания, коррозии и окислительно-восстановительных реакций.
Почему кислород называют окислителем?
Кислород соединяется с другими веществами, и его атомы входят в состав продуктов реакции. Поэтому кислород выступает окислителем: он участвует в окислении других веществ.
Чем горение отличается от медленного окисления?
Горение — быстрое окисление, при котором выделяются теплота и обычно свет. Медленное окисление идёт постепенно, как правило, без заметного пламени.
Почему некоторые вещества начинают гореть только после нагревания?
Нагревание помогает частицам реагентов начать взаимодействовать. Оно сообщает веществу энергию, необходимую для начала реакции; затем выделяющаяся теплота может поддерживать горение.
Как определить формулу оксида, образующегося при реакции?
Сначала определяют, какой элемент соединяется с кислородом, затем составляют формулу по валентностям элементов. После проверки формулы записывают уравнение и подбирают коэффициенты, не меняя индексы.
Почему железо горит в чистом кислороде, но медленно ржавеет на воздухе?
В чистом кислороде его больше, чем в воздухе, поэтому железо окисляется интенсивнее и может гореть после нагревания. На воздухе реакция обычно идёт медленно, а влага способствует ржавлению.
§ 16. Химические свойства кислорода
