Номер 3, страница 276 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 38. Кислород и озон. Пероксид водорода - номер 3, страница 276.

Условие.

3. Сравните окислительные свойства кислорода, озона и пероксида водорода.

Решение.

Решение 2.

Окислительные свойства кислорода ($O_2$), озона ($O_3$) и пероксида водорода ($H_2O_2$) можно сравнить, расположив их в ряд по убыванию активности. Наиболее сильным окислителем из этого ряда является озон, за ним следует пероксид водорода, а молекулярный кислород является самым слабым.

Ряд по убыванию окислительной способности: $O_3 > H_2O_2 > O_2$.

Это различие в активности можно количественно подтвердить сравнением стандартных электродных потенциалов ($E^0$) соответствующих окислительно-восстановительных полуреакций в кислой среде. Чем больше положительное значение $E^0$, тем сильнее окислительные свойства вещества.

• Для озона: $O_3 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow O_2 + H_2O$, $E^0 = +2.07$ В
• Для пероксида водорода: $H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow 2H_2O$, $E^0 = +1.78$ В
• Для кислорода: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$, $E^0 = +1.23$ В

Причины таких различий кроются в строении и устойчивости молекул этих веществ.

Кислород ($O_2$)

Кислород является сильным окислителем, однако его активность при обычных условиях ограничена из-за высокой прочности двойной связи в молекуле $O=O$ (энергия связи 498 кДж/моль). Для разрыва этой связи требуется значительная энергия активации, поэтому многие реакции с участием кислорода (например, горение) необходимо инициировать нагреванием. Кислород окисляет большинство металлов и неметаллов, но часто реакции протекают медленно или при повышенной температуре.

Озон ($O_3$)

Озон — аллотропная модификация кислорода, являющаяся значительно более сильным окислителем. Его высокая окислительная способность обусловлена термодинамической неустойчивостью молекулы $O_3$, которая легко распадается с образованием молекулярного кислорода и очень реакционноспособного атомарного кислорода:

$O_3 \rightarrow O_2 + O$

Атомарный кислород является мощнейшим окислителем. Благодаря этому озон реагирует со многими веществами, с которыми кислород не взаимодействует или реагирует очень медленно при обычных условиях. Например, озон окисляет серебро до оксида и сульфид свинца до сульфата:

$2Ag + O_3 \rightarrow Ag_2O + O_2$

$PbS + 4O_3 \rightarrow PbSO_4 + 4O_2$

Пероксид водорода ($H_2O_2$)

Пероксид водорода также является очень сильным окислителем, превосходящим по силе кислород, но уступающим озону. В его молекуле атомы кислорода находятся в промежуточной степени окисления -1 и связаны непрочной одинарной связью O-O (энергия связи около 213 кДж/моль). Эта связь значительно слабее, чем в молекуле кислорода, и легко разрывается, что и обуславливает высокую реакционную способность пероксида. В окислительно-восстановительных реакциях пероксид водорода чаще всего выступает в роли окислителя, при этом кислород восстанавливается до степени окисления -2:

$H_2O_2 + 2e^- + 2H^+ \rightarrow 2H_2O$

Например, он окисляет иодид-ионы до свободного иода в кислой среде:

$H_2O_2 + 2KI + H_2SO_4 \rightarrow I_2 + K_2SO_4 + 2H_2O$

Следует отметить, что пероксид водорода может проявлять и восстановительные свойства (окисляясь до $O_2$), например, при взаимодействии с еще более сильными окислителями, такими как озон или перманганат калия.

Ответ: Окислительные свойства убывают в ряду: озон > пероксид водорода > кислород ($O_3 > H_2O_2 > O_2$). Высокая активность озона объясняется его неустойчивостью и образованием атомарного кислорода. Активность пероксида водорода обусловлена наличием слабой связи O-O. Кислород является наименее активным из-за прочной двойной связи в молекуле, требующей большой энергии активации для разрыва.