§ 23. Реакции простых веществ с кислородом

Определения и обозначения

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух химических элементов, один из которых — кислород. Например, MgO состоит из магния и кислорода, а CO₂ — из углерода и кислорода. Это понятие помогает распознавать продукты реакций с кислородом и записывать их формулы.

Горение — быстрое взаимодействие вещества с кислородом, обычно сопровождающееся выделением теплоты и света. При горении углерода можно заметить свечение, а при горении серы — пламя. Термин нужен, чтобы отличать быстрое окисление от процессов, которые протекают медленно и без ярких внешних признаков.

Окисление — взаимодействие вещества с кислородом, в результате которого образуется оксид. Оно может происходить как быстро, так и постепенно, поэтому окисление не всегда выглядит как горение. Это понятие объединяет разные реакции веществ с кислородом.

Реакция соединения — реакция, в которой из нескольких веществ образуется одно сложное вещество. Так происходит, например, при взаимодействии магния с кислородом: два реагента дают оксид магния. Понятие помогает определить тип реакции по формулам веществ до и после превращения.

Как это устроено

Кислород реагирует со многими простыми веществами, потому что его атомы могут соединяться с атомами другого элемента. В результате появляется новое вещество, в состав которого входят оба элемента, — оксид. Поэтому исходные простые вещества и полученный продукт различаются по составу и свойствам. Если в реакции участвуют два вещества, а образуется один оксид, это также пример реакции соединения.

Металлы при взаимодействии с кислородом образуют оксиды металлов. Например, у магния формула оксида MgO: в одной формульной единице содержатся один атом магния и один атом кислорода. Поэтому скелет уравнения записывают как Mg + O₂ → MgO, но кислород слева входит парами, а справа указан по одному атому в каждой частице продукта. Чтобы количество атомов совпало, ставят коэффициенты: 2Mg + O₂ → 2MgO. Железо при горении может образовать Fe₃O₄, и уравнение будет таким: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄.

Неметаллы тоже реагируют с кислородом, но дают оксиды неметаллов. При горении углерода при достаточном количестве кислорода образуется углекислый газ CO₂: C + O₂ → CO₂. Сера соединяется с кислородом с образованием оксида серы(IV) SO₂: S + O₂ → SO₂. В обоих уравнениях коэффициенты равны единице: число атомов каждого элемента слева и справа уже одинаково.

Реакции с кислородом протекают с разной скоростью, потому что вещества по-разному легко вступают во взаимодействие, а условия реакции могут отличаться. Если окисление идёт быстро и сопровождается заметным выделением тепла и света, его называют горением. Медленное окисление может происходить без яркого свечения и видимого пламени, поэтому отсутствие огня ещё не означает, что взаимодействия с кислородом нет.

Уравнение реакции начинают составлять по формулам реагентов и продуктов, а затем проверяют число атомов каждого элемента с обеих сторон. Если числа не совпадают, перед формулами ставят целые коэффициенты. Например, в записи Mg + O₂ → MgO слева два атома кислорода, а справа один, поэтому сначала ставят 2 перед MgO, а затем 2 перед Mg. Индексы внутри формул при этом не меняют: они описывают состав конкретных веществ.

Реакции простых веществ с кислородом

Сравни реакции металлов и неметаллов, обращая внимание на формулу продукта и признаки взаимодействия. Формулы и уравнения в таблице показывают типичные примеры окисления простых веществ.

Используй таблицу так: сначала определи, металл перед тобой или неметалл, затем соотнеси наблюдение с образующимся оксидом. Последняя колонка показывает уже уравненную реакцию, где число атомов каждого элемента сохранено.

Разбор задач

1. Запишите уравнение реакции магния с кислородом и расставьте коэффициенты.

Требуется определить продукт реакции и уравнять запись. Магний — металл, его оксид имеет формулу MgO: на один атом магния приходится один атом кислорода. Кислород как простое вещество записываем O₂, поэтому сначала получаем схему Mg + O₂ → MgO.

1. Поставим 2 перед MgO, чтобы справа стало два атома кислорода.
2. Теперь справа два атома магния, поэтому поставим 2 перед Mg слева.
3. Проверим: с каждой стороны два атома Mg и два атома O.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты 2 относятся ко всей формуле после них, а индексы в формулах веществ сохраняются.

2. Составьте уравнение реакции серы с кислородом, если образуется оксид серы(IV).

Сначала записываем формулы реагентов: сера — S, простое вещество кислород — O₂. Оксид серы(IV) имеет формулу SO₂; римская цифра указывает степень окисления серы, а не число атомов в формуле. Теперь можно проверить баланс атомов в схеме реакции.

1. Запишем схему: S + O₂ → SO₂.
2. Слева и справа по одному атому серы, а также по два атома кислорода.
3. Коэффициенты не нужны: в данном случае все они равны единице.

Ответ: S + O₂ → SO₂. Равенство числа атомов подтверждает, что уравнение составлено правильно.

3. При сгорании 12 г углерода образуется оксид углерода(IV). Найдите массу вступившего в реакцию кислорода.

Оксид углерода(IV) — это CO₂, поэтому уравнение имеет вид C + O₂ → CO₂. По коэффициентам одному количеству вещества углерода соответствует такое же количество кислорода. Для расчёта массы можно воспользоваться массами атомов: 12 г углерода реагируют с 32 г кислорода, образуя 44 г CO₂.

1. Запишем уравнение и проверим его: C + O₂ → CO₂.
2. Найдём соотношение масс в реакции: 12 г C соответствуют 32 г O₂.
3. Дано 12 г углерода, то есть столько же, сколько в найденном соотношении; значит, кислорода требуется 32 г.
4. Проверим закон сохранения массы: 12 г + 32 г = 44 г продукта.

Ответ: в реакцию вступило 32 г кислорода. Масса продукта равна сумме масс прореагировавших веществ.

Типичные ошибки

Путать кислород как простое вещество O₂ с химическим элементом кислородом в составе оксида — значит неверно записывать реагент. Так бывает, когда символ O воспринимают как полную формулу кислорода. Проверь себя: слева в реакции простого вещества должна стоять формула O₂, а в оксиде количество атомов показывает формула продукта.

Неверная формула оксида приводит к уравнению другой реакции или к невозможности правильно его уравнять. Ошибку допускают, если ставят индексы наугад или переносят формулу из другого примера. Сначала выясни состав продукта, например MgO или CO₂, и только после этого подбирай коэффициенты.

Изменять индексы в формулах при уравнивании нельзя: изменение индекса меняет состав вещества. Иногда так пытаются быстро добиться одинакового числа атомов, но вместо баланса получают другой продукт. Проверка простая: формулы реагентов и продуктов должны оставаться прежними, а меняются только числа перед ними.

Считать, что любая реакция с кислородом обязательно сопровождается пламенем, — неверно. Пламя заметно при быстром горении, но медленное окисление может идти без него. Чтобы проверить себя, различай сам факт образования оксида и внешние признаки: отсутствие пламени не исключает окисления.

Связь с другими темами

Для изучения реакций с кислородом нужно различать простые и сложные вещества, читать формулы и понимать, чем индекс отличается от коэффициента. Уравнивание опирается на понятие химической реакции и закон сохранения массы: атомы не исчезают и не возникают, а лишь перегруппировываются. Знание оксидов и окисления пригодится при изучении свойств веществ, горения и способов получения соединений.

Что запомнить

• Кислород реагирует со многими простыми веществами.
• Продукт реакции простого вещества с кислородом — оксид.
• Многие такие реакции являются реакциями соединения.
• Горение — быстрое взаимодействие с кислородом с выделением теплоты и обычно света.
• В уравнении кислород как простое вещество записывают формулой O₂.
• При расстановке коэффициентов число атомов каждого элемента по обе стороны уравнения должно совпадать.