Страница 39 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение свойств кислорода.

«ПОМОЩНИК»

По указанию учителя соберите прибор для получения кислорода. Получите и соберите кислород в выданный вам сосуд.

В ложке для сжигания веществ раскалите уголёк и поместите его в сосуд с кислородом.

Запишите ваши наблюдения.

Составьте уравнения проведённых химических реакций.

Изучение свойств кислорода

Это лабораторная работа, демонстрирующая один из способов получения кислорода и его основное химическое свойство — способность активно поддерживать горение.

По указанию учителя соберите прибор для получения кислорода. Получите и соберите кислород в выданный вам сосуд.

В лабораторных условиях кислород чаще всего получают разложением сложных веществ. Наиболее распространены два метода:

1. Разложение пероксида водорода ($H_2O_2$). В колбу помещают катализатор — оксид марганца(IV) $MnO_2$, и через капельную воронку добавляют раствор пероксида водорода. Реакция начинается немедленно и не требует нагревания. Выделяющийся кислород собирают методом вытеснения воды или воздуха.

2. Разложение перманганата калия ($KMnO_4$). В пробирку насыпают кристаллы перманганата калия («марганцовки») и нагревают. При нагревании вещество разлагается с выделением кислорода.

Собранный кислород представляет собой бесцветный газ без запаха. Чтобы проверить, что сосуд наполнился, к его отверстию подносят тлеющую лучинку: в чистом кислороде она ярко вспыхивает.

Ответ: Кислород получен в лаборатории путём химической реакции разложения и собран в специальный сосуд для дальнейшего эксперимента.

В ложке для сжигания веществ раскалите уголёк и поместите его в сосуд с кислородом.

Данный этап предназначен для демонстрации окислительных свойств кислорода. Уголёк, который в основном состоит из углерода ($C$), зажимают в специальной металлической ложке для сжигания. Затем его нагревают в пламени спиртовки до тех пор, пока он не начнёт тлеть (светиться красным). После этого ложку с тлеющим угольком быстро опускают в сосуд, предварительно наполненный кислородом.

Ответ: Тлеющий уголёк помещён в сосуд с кислородом для наблюдения за реакцией горения.

Запишите ваши наблюдения.

В ходе эксперимента можно зафиксировать следующие наблюдения:

• На воздухе (где содержание кислорода около 21%) уголёк тлеет медленно и неярко.
• При внесении в сосуд с чистым кислородом (концентрация ~100%) тлеющий уголёк мгновенно и ярко вспыхивает. Горение становится очень интенсивным, сопровождается ослепительным белым пламенем.
• Уголёк быстро сгорает, уменьшаясь в размерах до полного исчезновения.
• После окончания реакции в сосуде остаётся бесцветный газ. Если в этот сосуд добавить известковую воду ($Ca(OH)_2$), она помутнеет, что доказывает образование углекислого газа ($CO_2$).

Ответ: В чистом кислороде уголь сгорает значительно быстрее и ярче, чем на воздухе, что свидетельствует о том, что кислород — это вещество, активно поддерживающее горение.

Составьте уравнения проведённых химических реакций.

1. Получение кислорода. В зависимости от выбранного метода, уравнение реакции будет одним из следующих:

а) Разложение пероксида водорода в присутствии катализатора:

$$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$$

б) Термическое разложение перманганата калия:

$$2KMnO_4 \xrightarrow{t^\circ} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$$

2. Горение угля в кислороде. Углерод реагирует с кислородом, образуя диоксид углерода (углекислый газ):

$$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2\uparrow$$

Ответ: Уравнение реакции получения кислорода (например, из $H_2O_2$): $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$. Уравнение реакции горения угля: $C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2\uparrow$.

С какими веществами взаимодействует кислород?

Найти:

Вещества, с которыми вступает в химическое взаимодействие кислород.

Решение:

Кислород ($O_2$) — это химически активный неметалл, который является сильным окислителем. Он реагирует с подавляющим большинством простых и сложных веществ. Реакции с кислородом, как правило, экзотермические (протекают с выделением тепла) и часто сопровождаются свечением (горение).

Рассмотрим основные классы веществ, с которыми взаимодействует кислород.

1. Взаимодействие с простыми веществами

Кислород реагирует почти со всеми простыми веществами, за редкими исключениями.

• С металлами. При взаимодействии образуются оксиды. Реакции с активными металлами (щелочными, щелочноземельными) могут приводить к образованию пероксидов или надпероксидов. Большинство реакций требует нагревания, но с активными металлами идет и при комнатной температуре.

  Примеры:

  • Горение магния: $2Mg + O_2 \xrightarrow{t} 2MgO$

  • Взаимодействие с натрием с образованием пероксида: $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$

  • Окисление меди при нагревании: $2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

  • Горение железа в кислороде: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$ (железная окалина)

  Кислород не реагирует напрямую с благородными металлами, такими как золото ($Au$), платина ($Pt$).

• С неметаллами. В результате реакций образуются оксиды неметаллов (кислотные или несолеобразующие).

  Примеры:

  • Горение серы: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$ (оксид серы(IV))

  • Горение фосфора: $4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$ (оксид фосфора(V))

  • Горение углерода: $C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$ (при избытке $O_2$)

  • Взаимодействие с водородом: $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$

  • Взаимодействие с азотом (только при высокой температуре, ~2000°C, или в электрическом разряде): $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$

  Кислород не реагирует напрямую с галогенами (фтор, хлор, бром, иод) и инертными (благородными) газами (гелий, неон, аргон).

2. Взаимодействие со сложными веществами

Кислород окисляет множество сложных веществ, как неорганических, так и органических.

• С оксидами низших степеней окисления. Кислород может доокислять оксиды, в которых элемент находится в промежуточной степени окисления.

  Примеры:

  • Окисление угарного газа: $2CO + O_2 \xrightarrow{t} 2CO_2$

  • Окисление оксида серы(IV) (стадия производства серной кислоты): $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ (катализатор $V_2O_5$)

• С бинарными соединениями (сульфидами, гидридами, карбидами и др.).

  Примеры:

  • Обжиг сульфидов металлов (металлургия): $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$

  • Горение сероводорода: $2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O + 2SO_2$

  • Горение аммиака (производство азотной кислоты): $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{kat, t} 4NO + 6H_2O$

• С органическими веществами. Практически все органические вещества горят или окисляются кислородом. При полном сгорании, как правило, образуются углекислый газ и вода.

  Примеры:

  • Горение метана: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

  • Горение этанола: $C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$

  • Клеточное дыхание (окисление глюкозы): $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$

Ответ:

Кислород взаимодействует с большинством известных веществ, в том числе:

1. С простыми веществами: почти со всеми металлами (например, $Na, Mg, Fe, Cu$) и неметаллами (например, $H_2, C, S, P$). Исключение составляют благородные металлы, галогены и инертные газы.

2. Со сложными веществами: с неорганическими соединениями, содержащими элементы в низших или промежуточных степенях окисления (например, $CO, SO_2, H_2S, NH_3$), и практически со всеми органическими соединениями (метан, спирты, сахара и т.д.), которые вступают с кислородом в реакции горения или окисления.

Что такое горение?

Что такое горение?

Горение — это сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит быстро протекающая экзотермическая (с выделением тепла) окислительно-восстановительная реакция. Этот процесс обычно сопровождается интенсивным выделением теплоты и света, что мы наблюдаем в виде пламени.

Для возникновения и поддержания горения необходимы три основных компонента, которые образуют так называемый "треугольник огня":

• Горючее вещество (топливо): это может быть твёрдое (древесина, уголь), жидкое (бензин, спирт) или газообразное (природный газ, пропан) вещество, способное к окислению.
• Окислитель: вещество, в присутствии которого происходит горение. Чаще всего в роли окислителя выступает кислород ($O_2$), содержащийся в воздухе. Однако вещества могут гореть и в других окислителях, например, в хлоре, фторе или оксидах азота.
• Источник зажигания (тепло): это начальная энергия, необходимая для запуска реакции, например, искра, открытое пламя или нагрев вещества до его температуры воспламенения.

Процесс горения можно разделить на несколько стадий:

1. Инициирование: Горючее вещество нагревается до температуры воспламенения, что приводит к началу химической реакции.
2. Распространение: Реакция становится самоподдерживающейся. Тепло, выделяющееся в ходе горения, подогревает новые порции горючего вещества и окислителя, вовлекая их в процесс. Это часто цепная реакция с участием активных частиц (радикалов).
3. Прекращение: Горение прекращается, когда исчерпывается один из компонентов "треугольника огня" (заканчивается топливо или окислитель) или когда температура опускается ниже температуры воспламенения (например, при тушении водой).

В зависимости от полноты сгорания топлива, горение бывает полным и неполным.

• При полном горении (в избытке кислорода) органические вещества сгорают до углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$). Например, горение метана: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Q$.
• При неполном горении (при недостатке кислорода) образуются продукты неполного окисления, такие как угарный газ ($CO$) и сажа (чистый углерод $C$). Например: $2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O + Q$.

Примерами горения в повседневной жизни являются горение свечи, работа двигателя внутреннего сгорания, горение дров в костре или камине, работа газовой плиты.

Ответ: Горение — это быстро протекающая экзотермическая химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и света. Для его возникновения необходимы три условия: наличие горючего вещества, окислителя (обычно кислорода) и источника зажигания.

Какие химические реакции называют реакциями окисления? Приведите примеры.

Решение

Какие химические реакции называют реакциями окисления?

Реакциями окисления называют химические процессы, в ходе которых атом, ион или молекула отдают электроны, что приводит к увеличению их степени окисления.

Первоначально термин "окисление" относился только к реакциям соединения веществ с кислородом. Однако современное определение основано на электронных переходах и является более общим. Окисление — это всегда одна из двух частей единого процесса, называемого окислительно-восстановительной реакцией (ОВР). Вторая часть — это восстановление, то есть процесс присоединения электронов.

Приведите примеры.

Примеры реакций, в которых происходит окисление веществ:

1. Окисление с участием кислорода. Это классический тип реакций окисления, к которому относятся горение и медленное окисление.

- Горение угля (углерода). Углерод отдает электроны, его степень окисления повышается с 0 до +4.
$C^0 + O_2^0 \rightarrow C^{+4}O_2^{-2}$

- Окисление меди при нагревании. Медь отдает электроны, ее степень окисления повышается с 0 до +2.
$2Cu^0 + O_2^0 \rightarrow 2Cu^{+2}O^{-2}$

2. Окисление без участия кислорода. Степень окисления может повышаться и при взаимодействии с другими окислителями, не только с кислородом.

- Взаимодействие натрия с хлором. Атом натрия отдает электрон хлору, окисляясь от 0 до +1.
$2Na^0 + Cl_2^0 \rightarrow 2Na^{+1}Cl^{-1}$

- Взаимодействие цинка с соляной кислотой. Атом цинка отдает два электрона, его степень окисления увеличивается с 0 до +2.
$Zn^0 + 2H^{+1}Cl^{-1} \rightarrow Zn^{+2}Cl_2^{-1} + H_2^0$

Ответ: Реакции окисления — это химические реакции, в ходе которых вещество отдает электроны, и его степень окисления увеличивается. Примерами являются реакции горения (например, горение серы $S + O_2 \rightarrow SO_2$) и взаимодействие активных металлов с кислотами (например, реакция цинка с соляной кислотой $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$).