Страница 37 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Домашний эксперимент.

«ПОМОЩНИК»

Возьмите ломтик сырого картофеля и поместите на него 3 – 4 капли пероксида водорода.

Повторите опыт, заменив сырой картофель варёным.

В каком случае происходит разложение пероксида водорода с выделением кислорода?

Возьмите ломтик сырого картофеля и поместите на него 3 – 4 капли пероксида водорода.

При нанесении капель пероксида водорода ($H_2O_2$) на срез сырого картофеля наблюдается бурная реакция, которая сопровождается шипением и образованием пены. Это является признаком выделения газа.

Повторите опыт, заменив сырой картофель варёным.

При нанесении капель пероксида водорода на срез варёного картофеля видимые изменения отсутствуют. Реакция не происходит или протекает крайне медленно, без заметного выделения газа.

В каком случае происходит разложение пероксида водорода с выделением кислорода?

Решение:

Разложение пероксида водорода с выделением кислорода происходит в первом опыте — при его контакте с сырым картофелем.

Объяснение:

В живых клетках растений, включая клубни картофеля, содержится фермент каталаза. Ферменты — это белки, выполняющие роль биологических катализаторов, то есть веществ, ускоряющих химические реакции. Функция каталазы заключается в расщеплении пероксида водорода, который токсичен для клеток и образуется в них в ходе обмена веществ. Реакция разложения описывается следующим уравнением:

$$2H_2O_2 \xrightarrow{\text{каталаза}} 2H_2O + O_2\uparrow$$

Когда пероксид водорода попадает на срез сырого картофеля, содержащаяся в его клетках каталаза мгновенно запускает и многократно ускоряет реакцию разложения. Мы наблюдаем этот процесс как активное выделение пузырьков кислорода ($O_2$), образующих пену.

Во время варки картофеля происходит его термическая обработка. Под действием высокой температуры происходит необратимое изменение пространственной структуры белковых молекул — денатурация. Поскольку фермент каталаза является белком, он разрушается и полностью теряет свою каталитическую активность. Поэтому в варёном картофеле катализатор уже не работает, и реакция разложения пероксида водорода не происходит.

Ответ: разложение пероксида водорода с выделением кислорода происходит в случае с сырым картофелем, так как в его клетках содержится активный фермент каталаза, который ускоряет эту реакцию. При варке картофеля каталаза разрушается (денатурирует) и теряет свою активность.

Где в природе встречается химический элемент кислород?

Химический элемент кислород является самым распространенным на Земле по массе и встречается повсеместно в природе в различных формах.

В атмосфере
Кислород присутствует в воздухе в виде простого вещества — двухатомного газа кислорода ($O_2$). Его объемная доля в атмосфере составляет примерно 21%. Этот газ жизненно необходим для процесса дыхания большинства живых организмов. В верхних слоях атмосферы (стратосфере) существует еще одна аллотропная модификация кислорода — озон ($O_3$). Озоновый слой поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, защищая жизнь на Земле.

В гидросфере
Кислород входит в состав молекулы воды ($H_2O$), которая является самым распространенным веществом в гидросфере (океаны, моря, реки, озера, ледники). Массовая доля кислорода в воде составляет около 89%. Таким образом, гидросфера представляет собой огромное хранилище связанного кислорода. Также молекулярный кислород ($O_2$) растворен в воде, что обеспечивает возможность дыхания для водных обитателей.

В литосфере
В земной коре кислород является самым распространенным элементом, составляя около 47% ее массы. Он входит в состав подавляющего большинства минералов и горных пород. Самые распространенные из них — это силикаты (например, кварц $SiO_2$, глина, полевые шпаты), оксиды (например, железная руда гематит $Fe_2O_3$), карбонаты (например, известняк и мрамор $CaCO_3$), сульфаты и многие другие.

В биосфере
Кислород является неотъемлемой частью всех живых организмов. Он составляет около 65% массы человеческого тела. Атомы кислорода входят в состав всех ключевых органических молекул, обеспечивающих жизнедеятельность: белков, жиров (липидов), углеводов (например, глюкозы $C_6H_{12}O_6$), а также нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Основная часть кислорода в организмах находится в составе воды.

Ответ: Химический элемент кислород встречается в природе повсеместно: в свободном виде ($O_2$ и $O_3$) в атмосфере; в связанном виде — в составе воды ($H_2O$) в гидросфере, в составе многочисленных минералов (оксидов, силикатов, карбонатов и др.) в литосфере, а также в составе всех органических соединений, из которых состоят живые организмы (биосфера).

Как получают кислород в промышленности и в химических лабораториях?

Получение кислорода в промышленности

В промышленных масштабах кислород получают в основном из атмосферного воздуха. Основным методом является криогенная ректификация (или фракционная перегонка) жидкого воздуха. Этот метод позволяет получать большие объемы кислорода высокой чистоты. Процесс заключается в сжижении предварительно очищенного и сжатого воздуха и его последующем разделении на компоненты в ректификационной колонне. Разделение основано на разнице температур кипения основных компонентов воздуха: азота ($-196^{\circ}C$) и кислорода ($-183^{\circ}C$). При медленном нагревании жидкого воздуха азот испаряется первым, а оставшаяся жидкость обогащается кислородом.

Также в промышленности применяют электролиз воды. Этот метод более энергозатратный, но позволяет получать кислород и водород очень высокой чистоты. Уравнение реакции: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$.

Для получения кислорода в меньших объемах или не такой высокой чистоты (например, для медицинских целей) используются методы, основанные на адсорбции (например, короткоцикловая безнагревная адсорбция), где специальные материалы (цеолиты) под давлением поглощают из воздуха азот, пропуская кислород.

Ответ: В промышленности кислород получают главным образом путем фракционной перегонки жидкого воздуха, а также, в меньших масштабах, электролизом воды и методами адсорбции.

Получение кислорода в химических лабораториях

В лабораторных условиях кислород получают в небольших количествах, как правило, путем термического или каталитического разложения кислородсодержащих соединений. Наиболее распространенные способы:

1. Разложение пероксида (перекиси) водорода ($H_2O_2$) в присутствии катализатора, например, оксида марганца(IV) ($MnO_2$). Это безопасный способ, протекающий при комнатной температуре. Реакция: $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$.

2. Разложение перманганата калия ($KMnO_4$) при нагревании. Это классический лабораторный метод. Реакция: $2KMnO_4 \xrightarrow{t^\circ} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$.

3. Разложение хлората калия ($KClO_3$, бертолетова соль) при нагревании в присутствии катализатора ($MnO_2$). Этот метод используется реже из-за потенциальной взрывоопасности исходного вещества. Реакция: $2KClO_3 \xrightarrow{MnO_2, t^\circ} 2KCl + 3O_2\uparrow$.

4. Электролиз воды или водных растворов электролитов также может применяться для получения чистого кислорода в лаборатории.

Ответ: В лабораториях кислород получают разложением пероксида водорода, перманганата калия, хлората калия или электролизом воды.

Какими физическими свойствами обладает простое вещество кислород?

Простое вещество кислород ($O_2$) обладает следующими основными физическими свойствами:

• Агрегатное состояние при нормальных условиях. Кислород — это газ. Нормальными условиями в химии считаются температура $0 \text{ }^{\circ}\text{C}$ ($273,15 \text{ K}$) и давление $101,325 \text{ кПа}$ (1 атмосфера).
• Органолептические свойства. Кислород в газообразном состоянии не имеет цвета, вкуса и запаха.
• Плотность. Газообразный кислород немного тяжелее воздуха. Его молярная масса составляет $M(O_2) \approx 32 \text{ г/моль}$, в то время как средняя молярная масса воздуха — около $29 \text{ г/моль}$. Плотность кислорода при нормальных условиях равна $1,429 \text{ кг/м}^3$.
• Растворимость. Кислород плохо растворяется в воде. При температуре $20 \text{ }^{\circ}\text{C}$ и нормальном давлении в 100 мл воды может раствориться лишь около 3,1 мл кислорода. Однако этой растворимости достаточно для дыхания большинства водных организмов. С понижением температуры растворимость кислорода в воде увеличивается.
• Температуры фазовых переходов. Кислород, как и большинство газов, может переходить в жидкое и твердое состояния при низких температурах.
  • Температура кипения (конденсации) кислорода составляет $t_{кип} = -183 \text{ }^{\circ}\text{C}$. Жидкий кислород — это подвижная жидкость бледно-голубого цвета.
  • Температура плавления (кристаллизации) кислорода составляет $t_{пл} = -218,79 \text{ }^{\circ}\text{C}$. Твердый кислород представляет собой кристаллы светло-синего цвета.
• Магнитные свойства. В жидком и твердом состояниях кислород является парамагнетиком, то есть он притягивается к магниту.

Ответ: При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха, малорастворимый в воде и немного тяжелее воздуха. При охлаждении до $-183 \text{ }^{\circ}\text{C}$ он превращается в жидкость бледно-голубого цвета, а при $-218,79 \text{ }^{\circ}\text{C}$ — в синие кристаллы. Жидкий кислород является парамагнетиком (притягивается магнитом).