Страница 84 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Охарактеризуйте физические и химические свойства кислорода. Составьте уравнения соответствующих химических реакций. Под формулами веществ напишите их названия, а над формулами проставьте валентность элементов в соединениях.

Физические свойства кислорода

Кислород ($O_2$) — это простое вещество. При нормальных условиях (температура 0 °C и давление 1 атм) это газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха. Он малорастворим в воде: при комнатной температуре в 100 объёмах воды растворяется около 3 объёмов кислорода. Кислород немного тяжелее воздуха, так как его молярная масса составляет $M(O_2) = 32 \text{ г/моль}$, в то время как средняя молярная масса воздуха равна примерно $29 \text{ г/моль}$. Кислород переходит в жидкое состояние при температуре $-183 \text{ °C}$, превращаясь в подвижную жидкость бледно-голубого цвета. При дальнейшем охлаждении до $-218,4 \text{ °C}$ он затвердевает, образуя светло-синие кристаллы.

Ответ: Кислород — газ без цвета, вкуса и запаха, малорастворим в воде и немного тяжелее воздуха. Температура кипения $-183 \text{ °C}$ (жидкость бледно-голубая), температура плавления $-218,4 \text{ °C}$ (кристаллы светло-синие).

Химические свойства кислорода

Кислород — один из самых активных химических элементов-неметаллов, уступающий в электроотрицательности только фтору. Он является сильным окислителем. В подавляющем большинстве своих соединений кислород проявляет валентность, равную II. Кислород взаимодействует (часто при нагревании) со многими простыми и сложными веществами. Реакции, протекающие с выделением тепла и света, называются горением. Кислород не вступает в реакцию напрямую с галогенами, благородными газами (за исключением ксенона в особых условиях) и благородными металлами, такими как золото и платина.

Ниже приведены уравнения некоторых характерных химических реакций.

1. Взаимодействие с металлами с образованием оксидов. Например, реакция с магнием:

$\underset{\text{магний}}{2Mg} + \underset{\text{кислород}}{O_2} \rightarrow \underset{\text{оксид магния}}{2\overset{\text{II}}{Mg}\overset{\text{II}}{O}}$

2. Взаимодействие с неметаллами. Большинство неметаллов горят в кислороде, образуя оксиды.

Горение серы:

$\underset{\text{сера}}{S} + \underset{\text{кислород}}{O_2} \xrightarrow{t} \underset{\text{оксид серы(IV)}}{\overset{\text{IV}}{S}\overset{\text{II}}{O_2}}$

Горение фосфора (с образованием высшего оксида):

$\underset{\text{фосфор}}{4P} + \underset{\text{кислород}}{5O_2} \xrightarrow{t} \underset{\text{оксид фосфора(V)}}{2\overset{\text{V}}{P_2}\overset{\text{II}}{O_5}}$

3. Взаимодействие со сложными веществами. Кислород окисляет многие сложные вещества, при этом, как правило, образуются оксиды элементов, входящих в состав исходного вещества.

Горение метана (основного компонента природного газа):

$\underset{\text{метан}}{CH_4} + \underset{\text{кислород}}{2O_2} \xrightarrow{t} \underset{\text{оксид углерода(IV)}}{\overset{\text{IV}}{C}\overset{\text{II}}{O_2}} + \underset{\text{вода}}{2\overset{\text{I}}{H_2}\overset{\text{II}}{O}}$

Каталитическое окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI) (промышленный процесс):

$\underset{\text{оксид серы(IV)}}{2\overset{\text{IV}}{S}\overset{\text{II}}{O_2}} + \underset{\text{кислород}}{O_2} \rightleftharpoons \underset{\text{оксид серы(VI)}}{2\overset{\text{VI}}{S}\overset{\text{II}}{O_3}}$

Ответ: Кислород — химически активный неметалл и сильный окислитель, в соединениях его валентность равна II. Он вступает в реакции со многими простыми (металлами и неметаллами) и сложными веществами, образуя оксиды. Примеры уравнений реакций:

Реакция с магнием: $\underset{\text{магний}}{2Mg} + \underset{\text{кислород}}{O_2} \rightarrow \underset{\text{оксид магния}}{2\overset{\text{II}}{Mg}\overset{\text{II}}{O}}$
Реакция с фосфором: $\underset{\text{фосфор}}{4P} + \underset{\text{кислород}}{5O_2} \xrightarrow{t} \underset{\text{оксид фосфора(V)}}{2\overset{\text{V}}{P_2}\overset{\text{II}}{O_5}}$
Реакция с метаном: $\underset{\text{метан}}{CH_4} + \underset{\text{кислород}}{2O_2} \xrightarrow{t} \underset{\text{оксид углерода(IV)}}{\overset{\text{IV}}{C}\overset{\text{II}}{O_2}} + \underset{\text{вода}}{2\overset{\text{I}}{H_2}\overset{\text{II}}{O}}$

2. Как может протекать взаимодействие веществ с кислородом?

Взаимодействие веществ с кислородом — это химические реакции окисления. Эти реакции могут протекать с разной скоростью и с различными внешними эффектами в зависимости от условий (температура, давление, наличие катализаторов) и природы реагирующих веществ. Выделяют три основных вида таких процессов.

Горение — это быстрая экзотермическая реакция окисления, которая сопровождается выделением большого количества тепла и света (пламени). Для начала горения необходимо соблюдение «треугольника огня»: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания (достижение температуры воспламенения). В результате горения простых веществ образуются их оксиды. При горении сложных веществ, например, органических, образуются оксиды элементов, входящих в их состав.

Примеры реакций горения:

1. Горение угля (основа — углерод) с образованием углекислого газа: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$

2. Горение магния, которое происходит с ослепительной вспышкой и образованием оксида магния: $2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO$

3. Горение природного газа (метана) в бытовых плитах: $CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$

Медленное окисление — это процесс взаимодействия веществ с кислородом, протекающий постепенно, в течение длительного времени. В отличие от горения, при медленном окислении выделяющееся тепло успевает рассеяться в окружающую среду, поэтому не наблюдается ни пламени, ни значительного повышения температуры. К процессам медленного окисления относятся ржавление металлов, гниение органических веществ и дыхание живых организмов.

Примеры медленного окисления:

1. Ржавление железа на воздухе в присутствии влаги с образованием гидроксида железа(III): $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

2. Дыхание — сложный биохимический процесс в живых организмах, в ходе которого происходит окисление глюкозы для получения энергии: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия}$

3. Гниение — процесс разложения органических остатков (например, опавших листьев) под действием кислорода и микроорганизмов.

Взрыв — это чрезвычайно быстрая, практически мгновенная реакция окисления. Скорость реакции настолько велика, что за доли секунды выделяется огромное количество энергии и образуются газообразные продукты. Это приводит к резкому локальному повышению давления и температуры, вызывая разрушительную ударную волну. Взрыв можно рассматривать как предельный случай горения, когда скорость распространения пламени превышает скорость звука в данной среде.

Пример взрывной реакции:

1. Взрыв смеси двух объемов водорода и одного объема кислорода («гремучего газа») при инициировании (например, искрой): $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Ответ: Взаимодействие веществ с кислородом может протекать тремя основными способами в зависимости от скорости реакции и выделяемых эффектов: горение (быстро, с теплом и светом), медленное окисление (постепенно, без видимых проявлений) и взрыв (мгновенно, с образованием ударной волны).

3. Приведите не менее двух примеров медленного взаимодействия веществ с кислородом, кроме тех, что приведены в тексте параграфа.

Медленное взаимодействие веществ с кислородом, также известное как медленное окисление, — это химическая реакция, протекающая с небольшой скоростью, без заметного выделения тепла и света, в отличие от горения. Ниже приведены несколько примеров таких процессов.

Пример 1. Ржавление железа
Ржавление — это процесс медленного окисления железа и его сплавов (например, стали) под воздействием кислорода воздуха в присутствии воды или влаги. В результате на поверхности металла образуется рыхлый слой ржавчины, который состоит в основном из гидроксида железа(III). Этот процесс приводит к постепенному разрушению металлических конструкций и изделий. Он может занимать от нескольких дней до многих лет.
Упрощенное суммарное уравнение реакции образования ржавчины:
$4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

Пример 2. Гниение органических веществ
Гниение опавших листьев, древесины или пищевых отходов — это сложный биохимический процесс, который является формой медленного окисления. В нем участвуют микроорганизмы (бактерии и грибы), которые с помощью ферментов окисляют кислородом воздуха сложные органические соединения (целлюлозу, белки, жиры). В результате образуются более простые неорганические вещества: углекислый газ, вода, аммиак и другие. Процесс сопровождается выделением тепла, но оно происходит настолько медленно, что рассеивается в окружающей среде.

Пример 3. Высыхание масляных красок
Процесс «высыхания» масляных красок на самом деле не является испарением растворителя, а представляет собой сложную химическую реакцию. Основой таких красок служат высыхающие масла (например, льняное), содержащие ненасыщенные жирные кислоты. При контакте с кислородом воздуха происходит их окислительная полимеризация — молекулы масла «сшиваются» между собой, образуя прочную и твердую пленку. Этот процесс также является медленным окислением и занимает от нескольких часов до нескольких дней.

Ответ: Примерами медленного взаимодействия веществ с кислородом являются: ржавление железа, гниение органических веществ (например, древесины или опавших листьев), высыхание масляных красок.

4. Какие вещества называют оксидами? Напишите уравнения химических реакций, в результате которых образуются оксиды следующих химических элементов: а) кремния; б) цинка; в) бария; г) водорода; д) алюминия. Дайте названия этим оксидам.

Оксиды — это сложные вещества, которые состоят из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2. Оксиды образуются при взаимодействии простых или сложных веществ с кислородом (например, при горении), а также в результате разложения некоторых солей, кислот и оснований.

а) кремния

Оксид кремния(IV) можно получить при сгорании простого вещества кремния в кислороде при высокой температуре.

Уравнение реакции: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$

Полученное вещество $SiO_2$ носит название оксид кремния(IV) или диоксид кремния.

Ответ: Уравнение реакции: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$. Название оксида: оксид кремния(IV).

б) цинка

Оксид цинка образуется при сгорании металлического цинка на воздухе или в чистом кислороде.

Уравнение реакции: $2Zn + O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO$

Полученное вещество $ZnO$ носит название оксид цинка.

Ответ: Уравнение реакции: $2Zn + O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO$. Название оксида: оксид цинка.

в) бария

Оксид бария получают при сгорании бария в кислороде.

Уравнение реакции: $2Ba + O_2 \xrightarrow{t} 2BaO$

Полученное вещество $BaO$ носит название оксид бария.

Ответ: Уравнение реакции: $2Ba + O_2 \xrightarrow{t} 2BaO$. Название оксида: оксид бария.

г) водорода

Оксид водорода, более известный как вода, образуется в результате реакции горения водорода в кислороде.

Уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$

Полученное вещество $H_2O$ носит название оксид водорода (вода).

Ответ: Уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$. Название оксида: оксид водорода (вода).

д) алюминия

Оксид алюминия образуется при сгорании алюминия в кислороде.

Уравнение реакции: $4Al + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Al_2O_3$

Полученное вещество $Al_2O_3$ носит название оксид алюминия.

Ответ: Уравнение реакции: $4Al + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Al_2O_3$. Название оксида: оксид алюминия.

5. Из приведённого списка выпишите формулы оксидов и дайте им названия:

$\text{HNO}_3$, $\text{MnO}_2$, $\text{CaO}$, $\text{KOH}$, $\text{CH}_4$, $\text{P}_2\text{O}_5$, $\text{FeS}$, $\text{SO}_3$, $\text{Fe}_2\text{O}_3$, $\text{HClO}_4$, $\text{N}_2\text{O}$.

Из приведённого списка выпишите формулы оксидов и дайте им названия:

Оксиды — это бинарные (состоящие из двух элементов) химические соединения, в состав которых входит кислород в степени окисления -2. Исходя из этого определения, выберем из списка оксиды и дадим им названия, определяя степень окисления элемента, соединенного с кислородом.

Формулы оксидов из списка и их названия:

• $MnO_2$ — оксид марганца(IV). Степень окисления кислорода -2, марганца +4.

• $CaO$ — оксид кальция. Степень окисления кислорода -2, кальция +2. Валентность элемента с постоянной степенью окисления в названии не указывается.

• $P_2O_5$ — оксид фосфора(V). Степень окисления кислорода -2, фосфора +5.

• $SO_3$ — оксид серы(VI). Степень окисления кислорода -2, серы +6.

• $Fe_2O_3$ — оксид железа(III). Степень окисления кислорода -2, железа +3.

• $N_2O$ — оксид азота(I). Степень окисления кислорода -2, азота +1.

Остальные вещества из списка не являются оксидами:

• $HNO_3$ (азотная кислота) и $HClO_4$ (хлорная кислота) — это кислоты, состоящие из трех элементов (водород, неметалл, кислород).

• $KOH$ (гидроксид калия) — это основание (гидроксид), состоящее из трех элементов (металл, кислород, водород).

• $CH_4$ (метан) и $FeS$ (сульфид железа) — это бинарные соединения, но не содержат кислород.

Ответ: $MnO_2$ — оксид марганца(IV); $CaO$ — оксид кальция; $P_2O_5$ — оксид фосфора(V); $SO_3$ — оксид серы(VI); $Fe_2O_3$ — оксид железа(III); $N_2O$ — оксид азота(I).

Укажите оксиды металлов и оксиды неметаллов.

Классифицируем выписанные оксиды в зависимости от того, какой элемент (металл или неметалл) связан с кислородом.

Оксиды металлов (образованы элементом-металлом и кислородом):

• $MnO_2$ (марганец — металл)

• $CaO$ (кальций — щелочноземельный металл)

• $Fe_2O_3$ (железо — металл)

Оксиды неметаллов (образованы элементом-неметаллом и кислородом):

• $P_2O_5$ (фосфор — неметалл)

• $SO_3$ (сера — неметалл)

• $N_2O$ (азот — неметалл)

Ответ: Оксиды металлов: $MnO_2$, $CaO$, $Fe_2O_3$. Оксиды неметаллов: $P_2O_5$, $SO_3$, $N_2O$.

6.* Напишите уравнение реакции образования оксида углерода(IV) в результате окисления: а) простого вещества; б) сложного вещества.

Решение

а) простого вещества
Оксид углерода(IV), или углекислый газ, образуется в результате реакции окисления (горения) простого вещества — углерода (C). Углерод в виде угля, графита или других аллотропных модификаций сгорает в избытке кислорода с образованием $CO_2$. Эта реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла.
Уравнение реакции горения углерода:
$C + O_2 \rightarrow CO_2$
В этой реакции углерод (простое вещество) окисляется, изменяя свою степень окисления с 0 до +4, а кислород восстанавливается.
Ответ: $C + O_2 \rightarrow CO_2$

б) сложного вещества
Оксид углерода(IV) также образуется при окислении сложных веществ, в состав которых входит углерод. Классическим примером является полное сгорание углеводородов, например, метана ($CH_4$), который является основным компонентом природного газа. Другим примером может служить окисление угарного газа (оксида углерода(II)) до углекислого газа.
Рассмотрим реакцию полного сгорания метана:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
В этой реакции метан ($CH_4$) — сложное вещество, состоящее из атомов углерода и водорода — окисляется кислородом. Углерод, входивший в состав метана (степень окисления -4), окисляется до оксида углерода(IV) (степень окисления +4).
Ответ: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

7. Составьте уравнения реакций, протекающих при горении:

а) фосфора;

б) алюминия.

а) Горение фосфора — это реакция взаимодействия фосфора ($P$) с кислородом ($O_2$) при нагревании. В результате этой экзотермической реакции, сопровождающейся выделением большого количества света и тепла, образуется оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) — белое твердое вещество.

Сначала запишем схему реакции:

$P + O_2 \rightarrow P_2O_5$

Теперь уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения.
1. Начнем с кислорода. В правой части 5 атомов, в левой — 2. Наименьшее общее кратное — 10. Поставим коэффициент 2 перед $P_2O_5$ и 5 перед $O_2$:

$P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Теперь в правой части стало $2 \times 2 = 4$ атома фосфора. Поставим коэффициент 4 перед $P$ в левой части:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Проверяем: слева 4 атома P и 10 атомов O; справа $2 \times 2 = 4$ атома P и $2 \times 5 = 10$ атомов O. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.

б) Горение алюминия — это реакция взаимодействия металлического алюминия ($Al$) с кислородом ($O_2$). Алюминий горит ярким белым пламенем с образованием твердого оксида алюминия ($Al_2O_3$).

Запишем схему реакции:

$Al + O_2 \rightarrow Al_2O_3$

Уравняем реакцию.
1. Сбалансируем атомы кислорода. В левой части 2 атома, в правой — 3. Наименьшее общее кратное — 6. Поставим коэффициент 3 перед $O_2$ и 2 перед $Al_2O_3$:

$Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

2. Теперь в правой части $2 \times 2 = 4$ атома алюминия. Поставим коэффициент 4 перед $Al$ в левой части:

$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

Проверяем: слева 4 атома Al и 6 атомов O; справа $2 \times 2 = 4$ атома Al и $2 \times 3 = 6$ атомов O. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$.

8. Определите, какое из соединений железа – $Fe_2O_3$ или $Fe_3O_4$ – богаче железом.

Чтобы определить, какое из соединений — оксид железа(III) $Fe_2O_3$ или оксид железа(II,III) $Fe_3O_4$ — богаче железом, необходимо найти массовую долю ($\omega$) железа в каждом из них. Соединение с большей массовой долей железа и будет считаться более богатым этим элементом.

Массовая доля элемента в веществе вычисляется по формуле:

$\omega(\text{элемента}) = \frac{n \cdot Ar(\text{элемента})}{Mr(\text{вещества})} \cdot 100\%$

где $n$ — это количество атомов элемента в формуле, $Ar$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr$ — относительная молекулярная масса вещества.

Дано:

Соединения: $Fe_2O_3$ и $Fe_3O_4$.

Относительные атомные массы (из Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, округленные):

$Ar(Fe) = 56$

$Ar(O) = 16$

Найти:

Сравнить массовые доли железа, $\omega(Fe)$, в $Fe_2O_3$ и $Fe_3O_4$.

Решение:

1. Расчет массовой доли железа в $Fe_2O_3$ (оксид железа(III)).

Сначала вычислим относительную молекулярную массу $Fe_2O_3$:

$Mr(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160$.

Теперь рассчитаем массовую долю железа в этом оксиде:

$\omega(Fe \text{ в } Fe_2O_3) = \frac{2 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_2O_3)} \cdot 100\% = \frac{2 \cdot 56}{160} \cdot 100\% = \frac{112}{160} \cdot 100\% = 0.7 \cdot 100\% = 70\%$.

2. Расчет массовой доли железа в $Fe_3O_4$ (оксид железа(II,III), железная окалина).

Вычислим относительную молекулярную массу $Fe_3O_4$:

$Mr(Fe_3O_4) = 3 \cdot Ar(Fe) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232$.

Рассчитаем массовую долю железа в данном оксиде:

$\omega(Fe \text{ в } Fe_3O_4) = \frac{3 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_3O_4)} \cdot 100\% = \frac{3 \cdot 56}{232} \cdot 100\% = \frac{168}{232} \cdot 100\% \approx 0.7241 \cdot 100\% \approx 72.4\%$.

3. Сравнение результатов.

Массовая доля железа в $Fe_2O_3$ составляет $70\%$.

Массовая доля железа в $Fe_3O_4$ составляет примерно $72.4\%$.

Поскольку $72.4\% > 70\%$, соединение $Fe_3O_4$ содержит больше железа по массе.

Ответ: Соединение $Fe_3O_4$ богаче железом.