§ 23. Свойства кислорода

Определения и обозначения

Кислород как простое вещество — это вещество, образованное атомами одного химического элемента; его молекула имеет формулу O₂. Значит, в каждой такой молекуле соединены два атома кислорода. Это обозначение нужно помнить при записи реакций: в уравнении кислород обычно записывают как O₂, а не O.

Химический элемент кислород — вид атомов, которые входят в состав разных веществ. Например, атомы кислорода есть и в молекулах O₂, и в воде, и в углекислом газе. Различие помогает не путать простое вещество с элементом в составе сложного: в воде кислород присутствует, но вода не является кислородом.

Физические свойства кислорода — свойства, которые можно наблюдать, не превращая вещество в другое. При обычных условиях кислород является газом, не имеет цвета, запаха и вкуса, немного растворяется в воде и немного тяжелее воздуха. Эти характеристики позволяют описывать и распознавать вещество, а также выбирать способ его сбора.

Химические свойства показывают, как вещество изменяется при взаимодействии с другими веществами. Кислород реагирует со многими простыми веществами, в том числе металлами и неметаллами, образуя оксиды. Оксид — сложное вещество из двух химических элементов, один из которых кислород; например, MgO и CO₂. Это определение помогает узнавать продукты реакций по составу.

Как это устроено

При обычных условиях кислород — газ, потому что его молекулы не удерживаются друг возле друга так тесно, как частицы в жидкости или твёрдом теле. Молекулы O₂ не дают заметной окраски и запаха, поэтому газ воспринимается как бесцветный и не имеющий запаха. Он также не имеет вкуса, и пробовать вещества на вкус нельзя. В воде кислород растворяется лишь в небольшом количестве, поэтому в водоёмах растворённого газа хватает для дыхания водных организмов, но не для полного насыщения воды.

Кислород немного тяжелее воздуха, если сравнивать равные объёмы газов при одинаковых условиях. Поэтому его можно собирать не только вытеснением воды, но и вытеснением воздуха в подходящем сосуде. Слабая растворимость в воде делает удобным сбор газа над водой: кислород вытесняет воду из перевёрнутого сосуда и в основном остаётся внутри. Сам кислород не является горючим веществом, но нужен для реакции горения, поэтому пламя в чистом кислороде становится ярче.

При горении вещество взаимодействует с кислородом и выделяет тепло, часто также свет. Например, горящая лучина в кислороде вспыхивает ярче: кислорода для реакции больше, чем в воздухе. Тление отличается от горения тем, что протекает медленно и без заметного пламени, хотя вещество тоже может реагировать с кислородом. Поэтому кислород называют поддерживающим горение, а не горящим сам по себе.

Магний при нагревании в кислороде горит ярким белым светом, а после реакции остаётся белый порошок оксида магния MgO. Железо тоже может гореть в кислороде: раскалённые железные частицы сгорают с яркими искрами, образуя оксид железа Fe₃O₄. Эти примеры показывают, что металл соединяется с кислородом, а продукт содержит оба элемента. Название и формула оксида зависят от того, какой металл участвовал в реакции.

Кислород реагирует и с неметаллами. Уголь при горении образует углекислый газ CO₂, сера горит синим пламенем и даёт сернистый газ SO₂, а фосфор горит ярко, образуя оксид фосфора P₂O₅. Наблюдаемые пламя, свет или газ — признаки реакции, но сам продукт определяют по составу и уравнению. Во всех этих примерах атомы кислорода соединяются с атомами другого элемента.

Физические и химические свойства кислорода

Таблица помогает сопоставить, что наблюдают до или во время реакции, и какой продукт получается. Формула кислорода в уравнениях — O₂, а коэффициенты показывают соотношение реагентов и продуктов. В графе условий указаны основные наблюдения, а не полное описание лабораторного опыта.

Разбор задач

1. Физические свойства и сбор кислорода

Условие. Опишите физические свойства кислорода и укажите, как его можно собрать в сосуде с водой.

1. При обычных условиях кислород газообразный, бесцветный, без запаха и вкуса. Он немного растворяется в воде и немного тяжелее воздуха.
2. Для сбора над водой важно, что кислород растворяется слабо. Сосуд наполняют водой и переворачивают в ёмкости с водой, затем подают газ: он вытесняет воду и собирается внутри.

Ответ. Кислород — бесцветный газ без запаха и вкуса, немного растворимый в воде и немного более тяжёлый, чем воздух. Его можно собирать вытеснением воды.

2. Уравнения горения магния и углерода

Условие. Составьте уравнения реакций горения магния и углерода в кислороде, назовите продукты.

1. Сначала определяем продукты: магний с кислородом образует оксид магния MgO, а углерод — углекислый газ CO₂. Записываем схемы реакций: Mg + O₂ → MgO и C + O₂ → CO₂.
2. Во второй схеме атомы уже уравнены. В первой ставим коэффициент 2 перед MgO, чтобы число атомов кислорода стало чётным, а затем 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Ответ. 2Mg + O₂ → 2MgO — образуется оксид магния; C + O₂ → CO₂ — образуется углекислый газ.

3. Масса кислорода для сжигания углерода

Условие. При сжигании 12 г углерода образовался углекислый газ. Найдите массу израсходованного кислорода.

1. Записываем уравнение: C + O₂ → CO₂. Коэффициенты показывают, что 1 моль углерода реагирует с 1 моль кислорода.
2. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль. Значит, израсходован 1 моль O₂.
3. Молярная масса O₂ равна 32 г/моль. Поэтому масса кислорода: m(O₂) = nM = 1 моль · 32 г/моль = 32 г.

Ответ. Для сжигания 12 г углерода требуется 32 г кислорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кислород горит. Её допускают, потому что кислород находится рядом с пламенем и горение в нём становится интенсивнее. Проверь себя: горючее вещество расходуется, а кислород вступает с ним в реакцию. Поэтому правильно говорить, что кислород поддерживает горение.

Ошибка — путать кислород как простое вещество с химическим элементом кислородом. Названия похожи, поэтому может показаться, что всякое вещество с атомами кислорода — это газ O₂. Проверь себя по составу: простое вещество состоит только из атомов кислорода, а оксид включает ещё один элемент.

Ошибка — писать O вместо O₂ в уравнении реакции. Так делают, если забывают, что молекулы простого вещества кислорода состоят из двух атомов. Перед расстановкой коэффициентов проверь формулы исходных веществ: кислород записывают O₂, а затем уравнивают число атомов с обеих сторон.

Ошибка — ожидать, что кислород всегда образует один и тот же оксид. Продукт зависит от второго реагента, а иногда и от условий реакции. Проверь состав образовавшегося вещества и запиши формулу, соответствующую конкретной реакции: например, углерод даёт CO₂, а сера — SO₂.

Связь с другими темами

Для изучения свойств кислорода нужны понятия химического элемента, простого и сложного вещества, а также химической реакции. Полезно уметь составлять формулы: так можно отличить O₂ от оксидов и правильно записать вещества в уравнении. Коэффициенты расставляют, чтобы число атомов каждого элемента до реакции и после неё совпадало.

Эти знания пригодятся при изучении оксидов и реакций окисления, к которым относится горение. Они также помогают понять, как получают и собирают кислород: способ выбирают с учётом его физических свойств. Уравнения реакций позволяют связывать наблюдения опыта с веществами, которые образуются.

Что запомнить

• Кислород при обычных условиях — бесцветный газ без запаха.
• Кислород немного растворим в воде и немного тяжелее воздуха.
• Кислород сам не горит, но поддерживает горение.
• При взаимодействии кислорода с металлами и неметаллами образуются оксиды.
• Молекула простого вещества кислорода имеет формулу O₂.
• Многие реакции кислорода с простыми веществами — реакции соединения.