Уравнение реакций кислорода с металлами. Химические свойства кислорода

>>

Химические свойства кислорода. Оксиды

В этом параграфе речь идет:

> о реакциях кислорода с простыми и сложными веществами;
> о реакциях соединения;
> о соединениях, которые называют оксидами.

Химические свойства каждого вещества проявляются в химических реакциях при его участии.

Кислород - один из наиболее активных неметаллов. Ho в обычных условиях он реагирует с немногими веществами. Его реакционная способность существенно возрастает с повышением температуры.

Реакции кислорода с простыми веществами.

Кислород реагирует, как правило, при нагревании, с большинством неметаллов и почти со всеми металлами.

Реакция с углем (углеродом). Известно, что уголь, нагретый на воздухе до высокой температуры, загорается. Это свидетельствует о протекании химической реакции вещества с кислородом. Теплоту, которая выделяется при этом, используют, например, для обогрева домов в сельской местности.

Основным продуктом сгорания угля является углекислый газ. Его химическая формула - CO 2 . Уголь - смесь многих веществ. Массовая доля Карбона в нем превышает 80 % . Считая, что уголь состоит только из атомов Карбона, напишем соответствующее химическое уравнение:

t
С + O 2 = CO 2 .

Карбон образует простые вещества - графит и алмаз. Они имеют общее название - углерод - и взаимодействуют с кислородом при нагревании согласно приведенному химическому уравнению 1 .

Реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно, называют реакциями соединения.

Реакция с серой.

Это химическое превращение осуществляет каждый, когда зажигает спичку; сера входит в состав ее головки. В лаборатории реакцию серы с кислородом проводят в вытяжном шкафу. Небольшое количество серы (светло-желтый порошок или кристаллы) нагревают в железной ложке. Вещество сначала плавится, потом загорается в результате взаимодействия с кислородом воздуха и горит едва заметным синим пламенем (рис. 56, б). Появляется резкий запах продукта реакции - сернистого газа (этот запах мы ощущаем в момент загорания спички). Химическая формула сернистого газа - SO 2 , а уравнение реакции -
t
S + O 2 = SO 2 .

Рис. 56. Сера (а) и ее горение на воздухе (б) и в кислороде (в)

1 В случае недостаточного количества кислорода образуется другое соединение Карбона с Оксигеном - угарный газ
t
CO: 2С + O 2 = 2СО.

Рис. 57. Красный фосфор (а) и его горение на воздухе (б) и в кислороде (в)

Если ложку с горящей серой поместить в сосуд с кислородом, то сера будет гореть более ярким пламенем, чем на воздухе (рис. 56, в). Это можно объяснить тем, что молекул O 2 в чистом кислороде больше, чем в воздухе.

Реакция с фосфором. Фосфор, как и сера, горит в кислороде интенсивнее, чем на воздухе (рис. 57). Продуктом реакции является белое твердое вещество - фосфор(\/) оксид (его мелкие частицы образуют дым):
t
P + O 2 -> P 2 0 5 .

Превратите схему реакции в химическое уравнение.

Реакция с магнием.

Раньше эту реакцию использовали фотографы для создания яркого освещения («магниевая вспышка») при фотосъемке. В химической лаборатории соответствующий опыт проводят так. Металлическим пинцетом берут магниевую ленту и поджигают на воздухе. Магний сгорает ослепительно-белым пламенем (рис. 58, б); смотреть на него нельзя! В результате реакции образуется белое твердое вещество. Это соединение Магния с Оксигеном; его название - магний оксид.

Рис. 58. Магний (а) и его горение на воздухе (б)

Составьте уравнение реакции магния с кислородом.

Реакции кислорода со сложными веществами. Кислород может взаимодействовать с некоторыми оксигенсодержащими соединениями. Например, угарный газ CO горит на воздухе с образованием углекислого газа:

t
2СО + O 2 = 2С0 2 .

Немало реакций кислорода со сложными веществами мы осуществляем в повседневной жизни, сжигая природный газ (метан), спирт, древесину, бумагу, керосин и др. При их горении образуются углекислый газ и водяной пар:
t
CH 4 + 20 2 = CO 2 + 2Н 2 О;
метан
t
C 2 H 5 OH + 30 2 = 2С0 2 + 3H 2 О.
спирт

Оксиды.

Продуктами всех реакций, рассмотренных в параграфе, являются бинарные соединения элементов с Оксигеном.

Соединение, образованное двумя элементами, одним из которых является Оксиген, называют оксидом.

Общая формула оксидов - EnOm.

Каждый оксид имеет химическое название, а некоторые - еще и традиционные, или тривиальные 1 , названия (табл. 4). Химическое название оксида состоит из двух слов. Первым словом является название соответствующего элемента, а вторым - слово «оксид». Если элемент имеет переменную валентность, то он может образовывать несколько оксидов. Их названия должны отличаться. Для этого после названия элемента указывают (без отступа) римской цифрой в скобках значение его валентности в оксиде. Пример такого названия соединения: купрум(II) оксид (читается « купрум-два-оксид »).

Таблица 4

1 Термин происходит от латинского слова trivialis - обыкновенный.

Выводы

Кислород - химически активное вещество. Он взаимодействует с большинством простых веществ, а также со сложными веществами. Продуктами таких реакций являются соединения элементов с Оксигеном - оксиды.

Реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно, называют реакциями соединения.

?
135. Чем различаются реакции соединения и разложения?

136. Превратите схемы реакций в химические уравнения:

а) Li + O 2 -> Li 2 O;
N2 + O 2 -> NO;

б) SO 2 + O 2 -> SO 3 ;
CrO + O 2 -> Cr 2 O 3 .

137. Выберите среди приведенных формул те, которые отвечают оксидам:

O 2 , NaOH, H 2 O, HCI, I 2 O 5 , FeO.

138. Дайте химические названия оксидам с такими формулами:

NO, Ti 2 O 3 , Cu 2 O, MnO 2 , CI 2 O 7 , V 2 O 5 , CrO 3 .

Примите во внимание, что элементы, которые образуют эти оксиды, имеют переменную валентность.

139. Запишите формулы: а) плюмбум(I\/) оксида; б) хром(III) оксида;
в) хлор(I) оксида; г) нитроген(I\/) оксида; д) осмий(\/III) оксида.

140. Допишите формулы простых веществ в схемах реакций и составьте химические уравнения:

а) ... + ... -> CaO;

б) NO + ... -> NO 2 ; ... + ... -> As 2 O 3 ; Mn 2 O 3 + ... -> MnO 2 .

141. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осущест­вить такие «цепочки» превращений, т. е. из первого вещества полу­чить второе, из второго - третье:

а) С -> CO -> CO 2 ;
б) P -> P 2 0 3 -> P 2 0 5 ;
в) Cu -> Cu 2 O -> CuO.

142.. Составьте уравнения реакций, которые происходят при горении на воздухе ацетона (CH 3) 2 CO и эфира (C 2 H 5) 2 O. Продуктами каждой ре­акции являются углекислый газ и вода.

143. Массовая доля Оксигена в оксиде EO 2 равна 26 %. Определите элемент Е.

144. Две колбы заполнены кислородом. После их герметизации в одной колбе сожгли избыток магния, а в другой - избыток серы. В какой колбе образовался вакуум? Ответ объясните.

Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. - К.: ВЦ «Академія», 2008. - 136 с.: іл.

Кислород является родоначальником главной подгруппы VI группы (VIA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева.

Элементы этой подгруппы - кислород О, сера S, селен Se, теллур Те, полоний Ро - имеют общее название «халькогены», что означает «рождающие руды». (Вспомните, с какими рудами, содержащими кислород и серу, вы уже познакомились.)

Рис. 108.
Получение кислорода в лаборатории разложением пероксида водорода и собирание его методом вытеснения воды

С некоторыми аспектами химии кислорода вы уже частично знакомы. Получение кислорода из пероксида водорода (рис. 108) и перманганата калия (рис. 109) вы разбирали в прошлом году (вспомните эти реакции).

Рис. 109.
Получение кислорода в лаборатории разложением перманганата калия и собирание его методом вытеснения воздуха

Вы теперь хорошо знакомы и с аллотропией кислорода, вам известно такое важное простое вещество, как озон. (Сравните ещё раз свойства кислорода O 2 и озона O 3 , вспомните биологическое значение озона.)

Кислород - самый распространённый элемент на нашей планете. Он входит в состав воды (88,9%), которая покрывает 2/3 поверхности земного шара, образуя его водную оболочку - гидросферу. Кислород - вторая по количеству и первая по значению для жизни составная часть воздушной оболочки Земли - атмосферы, где на его долю приходится 20,95% по объёму и 23,15% по массе. Кислород входит в состав многочисленных минералов твёрдой оболочки земной коры - литосферы: из каждых 100 атомов земной коры на долю кислорода приходится 58 атомов.

Как вы уже знаете, кислород существует в форме O 2 . Это газ без цвета, запаха. В жидком состоянии имеет светло-голубую окраску, в твёрдом - синюю. В воде газообразный кислород растворим лучше, чем азот и водород.

Кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами, кроме галогенов, благородных газов, золота и платиновых металлов. Например, энергично реагирует с металлами: щелочными, образуя оксид с литием Li 2 O и другие продукты, например пероксиды М 2 O 2 ; с железом, образуя железную окалину Fe 3 O 4 ; с алюминием (запишите соответствующие уравнения реакций, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы).

Реакции металлов и неметаллов с кислородом протекают очень часто с выделением большого количества теплоты и сопровождаются воспламенением - реакции горения. (Запишите уравнения реакций горения серы с образованием SO 2 , фосфора - с образованием Р 2 O 5 и угля - с образованием СO 2 .)

Почти все реакции с участием кислорода экзотермические. Исключение составляет взаимодействие азота с кислородом: это эндотермическая реакция, которая протекает при температуре выше 2000 °С или при электрическом разряде:

Кислород энергично окисляет не только простые, но и многие сложные вещества, при этом образуются оксиды элементов, из которых они построены:

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива.

Кислород участвует и в процессах дыхания (рис. 110), медленного окисления различных веществ при обычной температуре. Эти процессы не менее важны, чем реакции горения. Так, медленное окисление пищи в нашем организме является источником энергии, за счёт которой живёт организм. Кислород для этой цели доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать с ним непрочное соединение уже при комнатной температуре. Окисленный гемоглобин - оксигемоглобин - доставляет во все ткани и клетки организма кислород, который окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя при этом оксид углерода (IV) (углекислый газ) и воду и освобождая энергию, необходимую для деятельности организма.

Рис. 110.
Газообмен в лёгких и тканях

Исключительно важна роль кислорода в процессе дыхания человека и животных. Растения также поглощают атмосферный кислород. Но если в темноте идёт только процесс поглощения растениями кислорода, то на свету протекает ещё один противоположный ему процесс - фотосинтез (рис. 111), в результате которого растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

Рис. 111.
Фотосинтез

Так как процесс фотосинтеза идёт более интенсивно, то в итоге на свету растения выделяют гораздо больше кислорода, чем поглощают его при дыхании. Таким образом, содержание свободного кислорода Земли сохраняется благодаря жизнедеятельности зелёных растений, хотя изначально атмосфера нашей планеты была другой. Рисунок 112 показывает историю возникновения современной атмосферы Земли.

Рис. 112.
Образование современной атмосферы

Круговорот кислорода в природе иллюстрирует рисунок 113.

Рис. 113.
Круговорот кислорода в природе

Повторим ещё раз, что в промышленности кислород получают из жидкого воздуха, а в лаборатории - разложением пероксида водорода Н 2 O 2 в присутствии катализатора - оксида марганца (IV) МnO 2 , а также разложением перманганата калия КМnO 4 при нагревании.

Лабораторный опыт № 27
Получение и распознавание кислорода

Кислород применяют в металлургической и химической промышленности для ускорения (интенсификации) производственных процессов. Так, замена воздушного дутья кислородным в доменном и сталеплавильном производстве намного ускоряет выплавку металла. Чистый кислород применяют также для получения высоких температур, например при газовой сварке и резке металлов. Его используют для жизнеобеспечения на подводных и космических кораблях, при работах водолазов, пожарных.

В медицине кислород применяют в случаях временного затруднения дыхания, связанного с некоторыми заболеваниями.

Кислород хранят в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет (рис. 114, а), под давлением 150 атм. В лабораторных условиях кислород хранят в стеклянном приборе - газометре (рис. 114, б).

Рис. 114.
Хранение кислорода:
а - стальной баллон; б - газометр

Основные области применения кислорода представлены на рисунке 115.

Рис. 115.
Применение кислорода:
1 - в металлургии; 2 - как окислитель ракетного топлива; 3 - в авиации для дыхания; 4 - в медицине для дыхания; 5 - при взрывных работах; 6 - для газовой резки и сварки металлов

Открытие кислорода . Кислород открыли и впервые получили почти одновременно два выдающихся химика XVIII в. - швед К. Шееле путём нагревания селитры и англичанин Дж. Пристли при нагревании оксида ртути (II). Название oxygenium, т. е. «рождающий кислоты», или «кислород», этому элементу дал великий французский химик А. Лавуазье.

Новые слова и понятия

1. Кислород в природе.
2. Химические свойства кислорода: взаимодействие с простыми веществами (металлами и неметаллами), сложными веществами.
3. Горение и медленное окисление.
4. Дыхание и фотосинтез.
5. Получение кислорода.
6. Применение кислорода.

Задания для самостоятельной работы

1. Напишите уравнения реакций кислорода с металлами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
2. Напишите уравнения реакций кислорода с неметаллами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
3. Какие вещества называются катализаторами? Какая реакция, применяемая для получения кислорода, осуществляется в присутствии оксида марганца (IV)? Напишите уравнение этой реакции.
4. Английский химик Дж. Пристли получил кислород разложением оксида ртути (II). Напишите уравнение этой реакции. Придумайте и решите задачу, в условии которой были бы указаны масса исходного вещества и доля в нём примесей, а требовалось бы найти объём кислорода при известном выходе его от теоретически возможного.
5. Укажите признаки сходства и различия в процессах дыхания и горения.
6. Сравните процессы дыхания и фотосинтеза.
7. Используя свои знания по химии кислорода, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или процесса».
8. Напишите уравнение реакции фтора с водой. В какой роли здесь выступает кислород? Рассмотрите окислительновосстановительный процесс, определите окислитель и восстановитель.

1. Напишите уравнения реакций кислорода с металлами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

2. Напишите уравнения реакций кислорода с неметаллами, о которых говорится в параграфе. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

3. Какие вещества называются катализаторами? Какая реакция, применяемая для получения кислорода, осуществляется в присутствии оксида марганца (IV)? Напишите уравнение этой реакции.

4. Английский химик Дж. Пристли получил кислород разложением оксида ртути (II). Напишите уравнение этой реакции. Придумайте и решите задачу, в условии которой были бы указаны масса исходного вещества и доля в нем примесей, а требовалось бы найти объем кислорода при известном выходе его от теоретически возможного.

5. Укажите признаки сходства и различия в процессах дыхания и горения.

Реакции горения — реакции вещества с кислородом, протекающие с большой скоростью, с выделением большого количества тепла и сопровождающиеся воспламенением.

Дыхание— это процесс медленного окисления. Он заключается в следующем: кислород доставляется гемоглобином крови во все ткани и клетки организма, кислород окисляет углеводы, образуя при этом углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для организма.

Сходство заключается в том, что: оба процесса есть процессы окисления, в обоих случаях высвобождается энергия, в результате реакций образуются оксиды.

Различия заключаются в скоростях окисления, в количестве выделяемой энергии.

6. Сравните процессы дыхания и фотосинтеза.

Фотосинтез — это процесс жизнедеятельности растения, в результате которого они поглощают CO2 и выделяют O2.

Дыхание— это процесс жизнедеятельности растения, животного и человека, в результате которого поглощается O2 и выделяется CO2.

При фотосинтезе и дыхании в растениях происходят противоположные процессы.

7. Используя свои знания по химии кислорода, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или процесса».

8. Напишите уравнение реакции фтора с водой. В какой роли здесь выступает кислород? Рассмотрите окислительно-восстановительный процесс, определите окислитель и восстановитель.