§ 49. Реакции сложных веществ с кислородом

Определения и обозначения

Сложное вещество — вещество, состоящее из атомов разных химических элементов. При его реакции с кислородом могут измениться связи между атомами и образоваться несколько новых веществ, поэтому такие реакции рассматривают отдельно от горения простых веществ, например железа или серы.

Реакция горения — быстрое окисление вещества кислородом с выделением теплоты и обычно света. Это понятие помогает отличать горение от медленного окисления, которое идёт постепенно и не сопровождается пламенем.

Оксид — сложное вещество, состоящее из двух химических элементов, один из которых кислород. Многие вещества при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, например углерод — углекислый газ CO₂; по составу продуктов можно понять, какие элементы участвовали в реакции.

Полное и неполное горение различаются количеством кислорода. При его достатке углерод обычно превращается в CO₂, а при недостатке может образоваться CO или сажа C, поэтому условие реакции нужно учитывать при составлении уравнения.

Как это устроено

При реакции сложного вещества с кислородом исходные частицы не сохраняются неизменными: атомы перегруппировываются и образуют новые вещества. Поэтому к исходной формуле нельзя просто «приписать» кислород — нужно определить состав продуктов и записать отдельные формулы для них. В уравнении слева указывают исходное вещество и O₂, а справа — продукты реакции.

Чтобы предположить продукты полного горения, сначала разбирают состав исходного вещества. Углерод обычно переходит в углекислый газ CO₂, водород — в воду H₂O, а сера — в оксид серы, например SO₂. Если в составе вещества есть несколько таких элементов, каждый из них учитывают: поэтому при горении углеводорода получаются и CO₂, и H₂O. Это правило позволяет подобрать продукты до уравнивания реакции.

После записи формул проверяют, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа: действует закон сохранения массы. Если числа не совпадают, перед формулами ставят коэффициенты, которые умножают число атомов во всей формуле. Индексы внутри формул не меняют, иначе получится другое вещество. Например, в CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O с обеих сторон по одному атому углерода, четыре атома водорода и четыре атома кислорода.

При полном горении углеродсодержащих веществ обычно образуется CO₂, а при неполном может образоваться CO — угарный газ — или сажа, то есть углерод. Угарный газ возникает, когда кислорода недостаточно для полного окисления углерода; он ядовит, потому что мешает крови переносить кислород. При ещё более сильном недостатке кислорода часть углерода может выделиться в виде сажи. Поэтому недостаток кислорода меняет не только количество продуктов, но и их состав.

Горение часто заметно по выделению тепла и появлению пламени или свечения, но внешний вид реакции зависит от вещества и условий. Достаток кислорода обычно способствует полному горению, а плохой доступ воздуха — неполному. Именно поэтому один и тот же материал при разных условиях может давать разные продукты. Это важно учитывать, когда объясняют, почему при неполном сгорании топлива возможны угарный газ и сажа.

Реакции сложных веществ с кислородом

Таблица показывает типичные продукты и уравнения; в обобщённых формулах x, y и z обозначают число атомов соответствующих элементов. Для конкретной реакции уравнение нужно проверить и подобрать коэффициенты. В графе условий обрати внимание, достаточно ли кислорода: от этого зависит, полное горение или неполное.

Разбор задач

Полное горение метана

Задача. Составить и уравнять реакцию полного горения метана в кислороде. Сначала определим продукты: метан CH₄ содержит углерод и водород, значит, при полном горении образуются CO₂ и H₂O. Затем проверим число атомов и расставим коэффициенты.

1. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. Уравниваем углерод: по одному атому с обеих сторон. Уравниваем водород: в CH₄ четыре атома H, поэтому ставим 2 перед H₂O.
3. Справа теперь четыре атома O: два в CO₂ и два в 2H₂O. Слева для этого нужны 2 молекулы O₂.
4. Получаем CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Проверка: C — 1, H — 4 и O — 4 с каждой стороны.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Горение этанола и количество кислорода

Задача. Составить уравнение горения этанола C₂H₅OH и найти объём кислорода для сжигания 2 моль этанола при нормальных условиях. Этанол содержит C, H и O, а при полном горении углерод образует CO₂, водород — H₂O. Количество кислорода найдём по коэффициентам уравнения.

1. Записываем схему: C₂H₅OH + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. Балансируем C и H: получаем C₂H₅OH + O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. Справа всего семь атомов O, один уже есть в этаноле, значит, ещё шесть должны поступить из кислорода — это 3O₂.
3. Уравнение: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. На 1 моль этанола приходится 3 моль O₂, значит, на 2 моль нужно 6 моль O₂.
4. При нормальных условиях 1 моль газа занимает 22,4 л. Поэтому V(O₂) = 6 · 22,4 = 134,4 л.

Ответ: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O; потребуется 134,4 л кислорода.

Неполное горение и масса угарного газа

Задача. При недостатке кислорода сгорело 2 моль метана. Найти массу образовавшегося угарного газа, если продуктами неполного горения являются CO и H₂O. Условие сразу подсказывает, что записывать CO₂ нельзя: нехватка кислорода не позволяет полностью окислить углерод.

1. Составляем схему: CH₄ + O₂ → CO + H₂O.
2. Уравниваем атомы: чтобы получить целые коэффициенты, записываем 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O. Проверяем: C — 2, H — 8, O — 6 с каждой стороны.
3. По уравнению 2 моль CH₄ дают 2 моль CO. Молярная масса CO равна 12 + 16 = 28 г/моль.
4. Находим массу: m(CO) = n · M = 2 · 28 = 56 г.

Ответ: образуется 56 г CO.

Типичные ошибки

Записывать кислород как O вместо O₂ — ошибка в формуле простого вещества. Её допускают, смешивая обозначение химического элемента O с формулой молекулярного кислорода. Проверяй, что в уравнении реакции кислород записан как O₂.

Считать, что при горении сложного вещества образуется только один оксид, неверно: продукты зависят от всех элементов исходной формулы. Например, при горении углеводорода образуются CO₂ и H₂O. Перед записью продуктов выпиши, какие элементы входят в исходное вещество и во что они превращаются.

Изменение индексов при уравнивании меняет состав вещества: например, H₂O и H₂O₂ — разные вещества. Так поступают, когда пытаются уравнять атомы прямо в формулах. Проверяй себя: формулы веществ оставь неизменными, а число частиц меняй коэффициентами перед ними.

Если автоматически записать продукты полного горения, можно не заметить нехватку кислорода. При недостатке кислорода углеродсодержащее вещество может образовать CO или сажу вместо CO₂. Сначала прочитай условие и определи вид горения, затем подбирай продукты и проверяй уравнение.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о простых и сложных веществах, химических формулах и валентности: они помогают правильно записать состав веществ. Также нужно уметь расставлять коэффициенты и применять закон сохранения массы, проверяя число атомов. Эти умения пригодятся при изучении органических веществ и топлива, а сама тема объясняет получение энергии и загрязнение воздуха. Знание опасности угарного газа и условий горения полезно для пожарной безопасности.

Что запомнить

• Горение — быстрое окисление вещества кислородом с выделением теплоты и света.
• При горении сложного вещества продукты содержат элементы, входившие в его состав, и кислород.
• При полном горении углеводородов образуются углекислый газ и вода.
• Недостаток кислорода может привести к образованию угарного газа или сажи.
• Индексы в формулах при уравнивании не изменяют; коэффициенты подбирают перед формулами.
• Коэффициенты в уравнении показывают количественное соотношение реагентов и продуктов.
• Состав продуктов горения зависит не только от исходного вещества, но и от количества кислорода.