§ 28. Кислород — хороший окислитель

Определения и обозначения

Окислитель — вещество, которое принимает электроны или способствует окислению другого вещества. Кислород часто выступает окислителем, потому что соединяется со многими элементами и помогает им превращаться в новые вещества. Этот термин помогает понять, какую роль кислород играет в реакции.

Окисление — взаимодействие вещества с кислородом, сопровождающееся образованием нового вещества. Например, при соединении магния с кислородом получается оксид магния. Понятие окисления объединяет реакции, в которых вещество изменяется при участии кислорода.

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух элементов, один из которых — кислород. Так, оксид углерода(IV) содержит углерод и кислород, а оксид магния — магний и кислород. По формуле оксида можно определить, какие элементы вступили в реакцию.

Горение — быстрое окисление вещества кислородом с выделением большого количества теплоты и обычно света. При горении магния можно увидеть яркое свечение, а окружающая среда нагревается. Этот термин отличает быстрое окисление от процессов, которые идут медленно и без пламени.

Как это устроено

Молекула кислорода состоит из двух атомов, связанных между собой. В реакциях кислород взаимодействует с атомами других элементов и образует с ними химические связи, поэтому исходные вещества превращаются в новые. Кислород способен реагировать со многими элементами, поэтому его называют хорошим окислителем. Однако для начала реакции часто нужна энергия: например, вещество нагревают или поджигают.

При соединении кислорода с металлом образуется оксид металла, а при реакции с неметаллом — оксид неметалла. Например, магний даёт оксид магния, а углерод при достаточном количестве кислорода — углекислый газ, или оксид углерода(IV). Формулу продукта составляют по элементам, которые вступили в реакцию, и их валентностям. Затем проверяют, что получившееся соединение действительно содержит два элемента, один из которых кислород.

Во многих реакциях образуются более устойчивые соединения, чем исходные вещества, и разница энергии выделяется в окружающую среду. Поэтому при взаимодействии с кислородом часто становится горячо, а при быстром процессе часть энергии выходит в виде света. Количество тепла и заметность свечения зависят от вещества и скорости реакции. При медленном окислении энергия выделяется постепенно, поэтому яркого света обычно не видно.

Медленное окисление протекает постепенно: вещество изменяется без быстрого выделения большого количества энергии, обычно без пламени. Пример — образование ржавчины на железе во влажном воздухе. Горение, напротив, идёт быстро и обычно заметно по нагреванию, свечению или пламени. Оба процесса связаны с окислением, но отличаются прежде всего скоростью и внешними признаками.

Чтобы записать реакцию, сначала определяют формулу оксида, а потом составляют схему: исходное вещество + кислород → продукт. После этого расставляют коэффициенты перед формулами, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа стало одинаковым. Индексы внутри формул при уравнивании не меняют: иначе получится другое вещество. Например, для магния схема Mg + O₂ → MgO становится уравнением 2Mg + O₂ → 2MgO.

Взаимодействие кислорода с простыми веществами

В таблице указаны типичные продукты взаимодействия простых веществ с кислородом и заметные признаки реакций. Условия вроде нагревания показывают, что может понадобиться для начала процесса, а не то, что обязательно наблюдается во время него. Используй уравнения как примеры и проверяй, что число атомов каждого элемента с обеих сторон одинаково.

Разбор задач

1. Магний и кислород

Условие: определить окислитель при горении магния в кислороде и назвать продукт реакции. Чтобы ответить, нужно проследить, какие вещества вступают в реакцию, а затем определить состав образовавшегося соединения. Магний — металл, кислород — второй исходный элемент.

1. Записываем исходные вещества: Mg и O₂. Вещество, которое принимает участие в окислении магния, — кислород, поэтому именно он является окислителем.
2. Составляем формулу продукта из магния и кислорода. Образуется оксид магния MgO, так как соединение содержит два элемента: Mg и O.
3. Проверяем уравнение: 2Mg + O₂ → 2MgO. Слева и справа по два атома магния и два атома кислорода, значит, уравнение уравнено.

Ответ: окислитель — кислород, продукт реакции — оксид магния MgO. Коэффициенты показывают, что две частицы магния реагируют с одной молекулой кислорода. При этом сам кислород не горит, а поддерживает горение магния.

2. Сера и кислород

Условие: составить и уравнять уравнение горения серы в кислороде. Сера — неметалл, поэтому при реакции с кислородом она образует оксид неметалла. Нужно определить его формулу, а затем проверить число атомов.

1. Записываем реагенты: S и O₂. Для школьного примера горения серы продукт — оксид серы(IV), его формула SO₂.
2. Составляем схему S + O₂ → SO₂. В ней по одному атому серы и по два атома кислорода с каждой стороны.
3. Уравнение уже уравнено: S + O₂ → SO₂. Коэффициенты 1 обычно не пишут, а индексы в формулах не меняют.

Ответ: S + O₂ → SO₂. При реакции образуется оксид серы(IV). Для проверки достаточно сосчитать атомы серы и кислорода по обе стороны стрелки: их количество совпадает.

3. Железо и кислород

Условие: составить уравнение реакции железа с кислородом, назвать продукт и объяснить, зачем нужно нагревание. При сильном нагревании железа в кислороде образуется оксид железа(II,III) Fe₃O₄. Условия реакции связаны с тем, как запускается превращение, а не с составом продукта.

1. Записываем формулы исходных веществ Fe и O₂, а продукт обозначаем формулой Fe₃O₄. Получаем схему Fe + O₂ → Fe₃O₄.
2. В продукте три атома железа и четыре атома кислорода. Чтобы обеспечить четыре атома кислорода, ставим перед O₂ коэффициент 2; затем перед Fe ставим 3.
3. Получаем уравнение 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄. Число атомов железа равно трём с обеих сторон, а кислорода — четырём.
4. Нагревание нужно, чтобы сообщить веществам энергию для начала реакции. После запуска превращение может продолжаться с выделением теплоты.

Ответ: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄, продукт — оксид железа(II,III). Нагревание помогает преодолеть начальный энергетический барьер реакции. Это условие запуска процесса, а не продукт или признак состава вещества.

Типичные ошибки

Называть кислород горючим веществом неправильно: он обычно не горит, а поддерживает горение и является окислителем. Такую ошибку допускают, путая яркое пламя вокруг кислорода с ролью самого газа в реакции. Проверь себя вопросом: какое вещество соединяется с кислородом и сгорает? Именно его считают горючим.

Не всякое взаимодействие с кислородом мгновенно и сопровождается пламенем. Например, железо может медленно окисляться, образуя ржавчину без огня. Путаница возникает из-за того, что горение — самый заметный пример окисления. Проверь скорость процесса и наблюдаемые признаки: медленное изменение без пламени не следует называть горением.

Неправильно записанная формула оксида или неуравненное уравнение нарушают состав вещества либо закон сохранения атомов. Обычно ошибку допускают, меняя индексы ради подгонки числа атомов или забывая коэффициент перед формулой. Проверь, что формула соответствует элементам и их валентностям, а затем пересчитай атомы слева и справа. Индексы в формуле вещества при уравнивании не изменяют.

Нагревание — это условие, которое помогает начать некоторые реакции, а не продукт реакции и не обязательный признак самого вещества. Его можно спутать с выделением теплоты, потому что в обоих случаях говорится о нагреве. Проверь, где указано действие до или в начале реакции, а где описан наблюдаемый результат процесса. Искры, пламя и образование порошка могут быть признаками, а нагревание — способом запустить реакцию.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о химических элементах, простых и сложных веществах, реакциях и валентности: они помогают составить формулу оксида и записать превращение. Свойства кислорода объясняют, почему он может взаимодействовать со многими веществами и поддерживать горение. Позже эти знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, топлива, дыхания и коррозии. Они также помогают разбираться в способах получения оксидов.

Что запомнить

• Кислород — сильный окислитель.
• Окисление — взаимодействие вещества с кислородом.
• Продукты взаимодействия кислорода с другими элементами часто являются оксидами.
• Горение — быстрое окисление с выделением теплоты и обычно света.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим веществом.
• Уравнение реакции с кислородом необходимо составлять с сохранением числа атомов каждого элемента.
• Для начала некоторых реакций с кислородом требуется нагревание или поджигание.