Страница 41 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Домашний эксперимент.

«ПОМОЩНИК»

Подумайте, какие оксиды есть у вас дома.

Опишите их физические свойства и с помощью справочников (в том числе и размещённых в Интернете) установите их качественный и количественный состав.

Подумайте, какие оксиды есть у вас дома.

В быту можно встретить различные вещества, которые являются оксидами. Например: вода (оксид водорода, $H_2O$), которая течет из крана; углекислый газ (диоксид углерода, $CO_2$) в газированных напитках и продуктах горения; оксид кремния(IV) ($SiO_2$), являющийся основой стекла и песка; оксид железа(III) ($Fe_2O_3$), известный как ржавчина; оксид алюминия ($Al_2O_3$), образующий защитную пленку на алюминиевой фольге и посуде; оксид цинка ($ZnO$), входящий в состав некоторых лечебных кремов и мазей.

Ответ: Примеры оксидов, которые можно найти дома: вода ($H_2O$), углекислый газ ($CO_2$), оксид кремния(IV) ($SiO_2$), оксид железа(III) ($Fe_2O_3$).

Опишите их физические свойства и с помощью справочников (в том числе и размещённых в Интернете) установите их качественный и количественный состав.

1. Вода (оксид водорода) – $H_2O$

Физические свойства: При стандартных условиях – прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха. Температура кипения – $100^{\circ}C$, температура замерзания – $0^{\circ}C$. Плотность около $1 \text{ г/см}^3$. Является универсальным полярным растворителем.

Качественный и количественный состав:

Дано:
Формула вещества: $H_2O$
Относительные атомные массы: $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Найти:
Качественный состав.
Количественный состав (массовые доли элементов $w(H)$ и $w(O)$).

Решение:
1. Качественный состав: Молекула воды состоит из атомов двух химических элементов – водорода ($H$) и кислорода ($O$).
2. Количественный состав: В одной молекуле воды содержится два атома водорода и один атом кислорода. Рассчитаем массовые доли элементов.
Относительная молекулярная масса воды:
$Mr(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$.
Массовая доля водорода:
$w(H) = \frac{2 \cdot Ar(H)}{Mr(H_2O)} = \frac{2}{18} \approx 0,111$ или $11,1\%$.
Массовая доля кислорода:
$w(O) = \frac{1 \cdot Ar(O)}{Mr(H_2O)} = \frac{16}{18} \approx 0,889$ или $88,9\%$.

2. Оксид кремния(IV) (кремнезём) – $SiO_2$

Физические свойства: Очень твёрдое, тугоплавкое кристаллическое вещество. В природе встречается в виде кварца (прозрачные кристаллы) и песка. Не имеет запаха. Нерастворим в воде. Температура плавления – около $1713^{\circ}C$. Основной компонент стекла, которое является аморфным веществом.

Качественный и количественный состав:

Дано:
Формула вещества: $SiO_2$
Относительные атомные массы: $Ar(Si) = 28$, $Ar(O) = 16$.

Найти:
Качественный состав.
Количественный состав (массовые доли элементов $w(Si)$ и $w(O)$).

Решение:
1. Качественный состав: Вещество состоит из атомов двух химических элементов – кремния ($Si$) и кислорода ($O$).
2. Количественный состав: В формульной единице оксида кремния(IV) содержится один атом кремния и два атома кислорода.
Относительная молекулярная масса оксида кремния(IV):
$Mr(SiO_2) = 1 \cdot Ar(Si) + 2 \cdot Ar(O) = 28 + 2 \cdot 16 = 60$.
Массовая доля кремния:
$w(Si) = \frac{1 \cdot Ar(Si)}{Mr(SiO_2)} = \frac{28}{60} \approx 0,467$ или $46,7\%$.
Массовая доля кислорода:
$w(O) = \frac{2 \cdot Ar(O)}{Mr(SiO_2)} = \frac{32}{60} \approx 0,533$ или $53,3\%$.

3. Оксид железа(III) (гематит) – $Fe_2O_3$

Физические свойства: Твердое вещество, в виде порошка имеет красно-коричневый цвет. Именно он придает ржавчине характерный оттенок. Нерастворим в воде. Является амфотерным оксидом. Температура плавления – около $1565^{\circ}C$.

Качественный и количественный состав:

Дано:
Формула вещества: $Fe_2O_3$
Относительные атомные массы: $Ar(Fe) = 56$, $Ar(O) = 16$.

Найти:
Качественный состав.
Количественный состав (массовые доли элементов $w(Fe)$ и $w(O)$).

Решение:
1. Качественный состав: Вещество состоит из атомов двух химических элементов – железа ($Fe$) и кислорода ($O$).
2. Количественный состав: В формульной единице оксида железа(III) содержится два атома железа и три атома кислорода.
Относительная молекулярная масса оксида железа(III):
$Mr(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160$.
Массовая доля железа:
$w(Fe) = \frac{2 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_2O_3)} = \frac{112}{160} = 0,7$ или $70\%$.
Массовая доля кислорода:
$w(O) = \frac{3 \cdot Ar(O)}{Mr(Fe_2O_3)} = \frac{48}{160} = 0,3$ или $30\%$.

Ответ:
-Вода ($H_2O$): прозрачная жидкость без цвета и запаха, состоит из водорода ($w(H) \approx 11,1\%$) и кислорода ($w(O) \approx 88,9\%$).
-Оксид кремния(IV) ($SiO_2$): твёрдое тугоплавкое вещество (кварц, песок), состоит из кремния ($w(Si) \approx 46,7\%$) и кислорода ($w(O) \approx 53,3\%$).
-Оксид железа(III) ($Fe_2O_3$): твёрдое вещество красно-коричневого цвета (ржавчина), состоит из железа ($w(Fe) = 70\%$) и кислорода ($w(O) = 30\%$).

Какие вещества относят к классу оксидов?

Какие вещества относят к классу оксидов?

Решение

Оксиды — это класс сложных неорганических веществ, которые состоят из двух химических элементов, один из которых обязательно является кислородом в степени окисления -2. Второй элемент в составе оксида может быть как металлом, так и неметаллом. Общая химическая формула оксидов выглядит как $Э_xО_y$, где $Э$ — это химический элемент, а $x$ и $y$ — стехиометрические индексы.

Например, к оксидам относятся:
– оксид водорода (вода) — $H_2O$;
– оксид углерода(IV) (углекислый газ) — $CO_2$;
– оксид железа(III) (один из компонентов ржавчины) — $Fe_2O_3$;
– оксид алюминия (глинозём) — $Al_2O_3$.

Оксиды принято классифицировать по их способности образовывать соли при химических реакциях:

1. Солеобразующие оксиды — это оксиды, которые вступают в реакции с кислотами или основаниями с образованием соли и воды. Они делятся на три группы:
– Основные оксиды: как правило, это оксиды металлов со степенью окисления +1 или +2 (например, $Na_2O$, $CaO$, $CuO$). Они реагируют с кислотами.
– Кислотные оксиды: это оксиды неметаллов (например, $SO_3$, $P_2O_5$, $CO_2$) или металлов с высокой степенью окисления, обычно от +5 до +7 (например, $CrO_3$, $Mn_2O_7$). Они реагируют с основаниями.
– Амфотерные оксиды: это оксиды металлов с промежуточными степенями окисления (например, +3, +4), которые проявляют и кислотные, и основные свойства. Они могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Типичные примеры: $Al_2O_3$, $ZnO$, $BeO$.

2. Несолеобразующие (безразличные) оксиды — это оксиды, которые не проявляют ни кислотных, ни основных свойств и не образуют солей в обычных условиях. Их немного, основные из них: $CO$ (угарный газ), $NO$ (оксид азота(II)), $N_2O$ (оксид азота(I)).

Следует отличать оксиды от других бинарных соединений кислорода, где его степень окисления отличается от -2. К таким соединениям относятся пероксиды (степень окисления кислорода -1, например, $H_2O_2$), надпероксиды (-1/2, $KO_2$), озониды (-1/3, $KO_3$), а также фториды кислорода ($OF_2$), где кислород имеет положительную степень окисления +2, так как фтор является более электроотрицательным элементом.

Ответ: К классу оксидов относят бинарные (состоящие из двух элементов) соединения химических элементов с кислородом, в которых кислород имеет степень окисления -2.

Как получают оксиды?

Оксиды — это бинарные соединения химических элементов с кислородом в степени окисления -2. Существует несколько основных способов их получения, как в промышленности, так и в лаборатории.

1. Взаимодействие простых веществ (металлов и неметаллов) с кислородом

Это один из наиболее распространенных способов получения оксидов. Большинство металлов (кроме золота, платины) и неметаллов взаимодействуют с кислородом при нагревании (горят), образуя соответствующие оксиды.
Примеры:
• Горение магния в кислороде с образованием оксида магния: $2Mg + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2MgO$.
• Горение серы с образованием оксида серы(IV): $S + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} SO_2$.
Стоит отметить, что активные металлы, например, натрий, при горении образуют преимущественно пероксид ($2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$), а не оксид.
Ответ: Оксиды получают прямым взаимодействием большинства простых веществ с кислородом, как правило, при нагревании.

2. Горение (окисление кислородом) сложных веществ

Оксиды можно получить при сжигании бинарных соединений (например, сульфидов, гидридов, карбидов) или органических веществ. В результате реакции образуются оксиды тех элементов, которые входили в состав исходного сложного вещества.
Примеры:
• Обжиг пирита (сульфида железа(II)) — один из промышленных способов получения оксида серы(IV): $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.
• Горение метана, основного компонента природного газа: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$.
Ответ: Оксиды получают путем сжигания в кислороде сложных неорганических и органических веществ.

3. Термическое разложение сложных веществ

Многие сложные вещества при нагревании неустойчивы и разлагаются с образованием одного или нескольких оксидов. К таким веществам относятся нерастворимые основания, некоторые кислоты и соли кислородсодержащих кислот.
Примеры:
• Разложение нерастворимых оснований (гидроксидов): $Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} CuO + H_2O$. (Гидроксиды щелочных металлов, например, NaOH, термически устойчивы).
• Разложение некоторых кислот: Кремниевая кислота разлагается на оксид кремния(IV) и воду: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} SiO_2 + H_2O$.
• Разложение солей: Карбонат кальция (известняк) разлагается на оксид кальция и углекислый газ: $CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} CaO + CO_2\uparrow$.
Ответ: Оксиды получают путем термического разложения нерастворимых оснований, некоторых кислот и солей.

4. Окислительно-восстановительные реакции

Оксиды могут быть получены в ходе реакций, где изменяются степени окисления элементов. Это может быть как окисление соединений с более низкой степенью окисления, так и восстановление с более высокой.
Примеры:
• Окисление низших оксидов: Каталитическое окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI) — ключевая стадия в производстве серной кислоты: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.
• Восстановление высших оксидов: При высоких температурах углекислый газ может быть восстановлен углеродом (коксом) до угарного газа: $CO_2 + C \xrightarrow{t^{\circ}C} 2CO$.
• Взаимодействие металлов с кислотами-окислителями: Реакция меди с концентрированной азотной кислотой приводит к образованию оксида азота(IV) и оксида водорода (воды): $Cu + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$.
Ответ: Оксиды получают в результате окислительно-восстановительных реакций, таких как окисление низших оксидов, восстановление высших оксидов или взаимодействие металлов с кислотами-окислителями.

5. Реакции обмена, приводящие к образованию оксида

Некоторые оксиды, особенно кислотные, можно получить в результате реакций обмена, если образующийся оксид является летучим или получается из нерастворимой кислоты.
Примеры:
• Действие сильной кислоты на соль слабой летучей кислоты: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$. Образующаяся угольная кислота ($H_2CO_3$) неустойчива и сразу разлагается на воду и углекислый газ.
• Получение нерастворимого оксида через осаждение и последующее разложение: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3\downarrow$. Полученную кремниевую кислоту затем прокаливают: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} SiO_2 + H_2O$.
Ответ: Оксиды (чаще кислотные) можно получить в результате реакций обмена, в ходе которых образуется неустойчивая кислота, разлагающаяся на оксид и воду, или нерастворимая кислота, которую затем прокаливают до оксида.

Какими физическими свойствами обладают оксиды?

Физические свойства оксидов очень разнообразны и зависят от их химического состава и типа кристаллической решетки, которая определяет характер химических связей в веществе.

Агрегатное состояние

При стандартных условиях (температура 25°C и давление 1 атм) оксиды могут находиться во всех трех агрегатных состояниях:

• Твердые: большинство оксидов являются твердыми веществами. Это, например, оксиды металлов, такие как оксид кальция $CaO$ (негашеная известь), оксид железа(III) $Fe_2O_3$ (основной компонент ржавчины), оксид алюминия $Al_2O_3$ (корунд), а также некоторые оксиды неметаллов, например, оксид кремния(IV) $SiO_2$ (кварц, песок).

• Жидкие: оксидов в жидком состоянии при обычных условиях очень мало. Самый распространенный пример — оксид водорода $H_2O$ (вода). Также к жидкостям относится оксид марганца(VII) $Mn_2O_7$.

• Газообразные: в газообразном состоянии находятся многие оксиды неметаллов. Например, оксид углерода(IV) $CO_2$ (углекислый газ), оксид углерода(II) $CO$ (угарный газ), оксид серы(IV) $SO_2$ (сернистый газ), оксид азота(IV) $NO_2$ и оксид азота(II) $NO$.

Цвет и запах

Оксиды могут быть как бесцветными, так и окрашенными. Многие оксиды главных подгрупп и некоторые оксиды неметаллов бесцветны или имеют белый цвет (например, $CaO$, $MgO$, $ZnO$, $Al_2O_3$). В то же время оксиды большинства переходных металлов имеют характерную окраску: оксид меди(II) $CuO$ — черный, оксид меди(I) $Cu_2O$ — красный, оксид железа(III) $Fe_2O_3$ — красно-коричневый, оксид хрома(III) $Cr_2O_3$ — темно-зеленый, диоксид марганца $MnO_2$ — бурый. Большинство твердых и жидких оксидов не имеют запаха. Однако некоторые газообразные оксиды обладают резким, характерным запахом: например, $SO_2$ имеет запах загорающейся спички, а $NO_2$ — резкий удушливый запах.

Температуры плавления и кипения

Эти свойства напрямую зависят от типа кристаллической решетки. Оксиды с ионной кристаллической решеткой (оксиды типичных металлов, например, $MgO$, $CaO$) и атомной кристаллической решеткой (например, $SiO_2$, $Al_2O_3$) являются тугоплавкими веществами с очень высокими температурами плавления и кипения из-за прочных связей в кристалле. Оксиды с молекулярной кристаллической решеткой (оксиды неметаллов, например, $CO_2$, $SO_2$, $N_2O_5$) имеют низкие температуры плавления и кипения, так как молекулы в кристалле связаны слабыми межмолекулярными силами. Поэтому они летучи.

Растворимость в воде

По отношению к воде оксиды также ведут себя по-разному. Некоторые оксиды взаимодействуют с водой, другие в ней не растворяются. Оксиды щелочных ($Na_2O$, $K_2O$) и некоторых щелочноземельных металлов ($CaO$, $SrO$, $BaO$) хорошо растворяются в воде, реагируя с ней с образованием щелочей (растворимых оснований). Многие кислотные оксиды ($SO_2$, $SO_3$, $P_2O_5$, $N_2O_5$) также хорошо растворяются и реагируют с водой, образуя соответствующие кислоты. Однако большинство оксидов металлов ($Fe_2O_3$, $CuO$, $ZnO$, $Al_2O_3$) и некоторые оксиды неметаллов ($SiO_2$) в воде практически нерастворимы.

Ответ: Оксиды обладают широким спектром физических свойств: они могут быть твердыми, жидкими или газообразными; окрашенными в различные цвета или бесцветными; иметь запах или быть без него; обладать как очень высокими, так и низкими температурами плавления и кипения; могут растворяться в воде (часто с химической реакцией) или быть нерастворимыми. Эти свойства определяются химическим составом и типом кристаллической решетки оксида.

Составьте презентацию о разнообразии оксидов в природе.

Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2. Кислород — один из самых распространенных элементов на Земле и очень химически активен, поэтому он образует соединения (оксиды) с большинством других элементов. Оксиды являются основой многих минералов, содержатся в воде, воздухе и живых организмах, играя фундаментальную роль в природе.

Ответ:

В зависимости от химических свойств оксиды делят на несколько групп:

• Основные оксиды — оксиды металлов (преимущественно I и II групп), которые реагируют с кислотами, образуя соль и воду. Пример: оксид кальция ($CaO$).
• Кислотные оксиды — оксиды неметаллов и некоторых металлов в высоких степенях окисления. Реагируют с основаниями. Пример: оксид углерода(IV) ($CO_2$), оксид серы(VI) ($SO_3$).
• Амфотерные оксиды — проявляют и кислотные, и основные свойства. Пример: оксид алюминия ($Al_2O_3$), оксид цинка ($ZnO$).
• Несолеобразующие (безразличные) оксиды — не реагируют ни с кислотами, ни с основаниями с образованием солей. Пример: оксид углерода(II) ($CO$), оксид азота(I) ($N_2O$).

Ответ:

Литосфера более чем на 90% состоит из соединений, содержащих оксиды.

• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$): самый распространенный оксид в земной коре. Встречается в виде кварца, песка, кремня. Его разновидности — это драгоценные и поделочные камни: горный хрусталь, аметист, агат, опал.
• Оксид алюминия ($Al_2O_3$): основа минерала корунда. Его окрашенные примесями разновидности — это рубин (красный) и сапфир (синий). Является главной составной частью бокситов — руды для получения алюминия.
• Оксиды железа: гематит ($Fe_2O_3$) и магнетит ($Fe_3O_4$) — важнейшие железные руды. Ржавчина — это тоже гидратированный оксид железа(III).

Ответ:

В гидросфере:

Главный оксид гидросферы — это вода, или оксид водорода ($H_2O$). Это самое уникальное и важное вещество на планете, основа жизни и универсальный растворитель.

В атмосфере:

• Оксид углерода(IV) ($CO_2$), или углекислый газ. Участвует в фотосинтезе и дыхании, является основным парниковым газом.
• Оксиды азота ($NO_x$) и серы ($SO_2$). Образуются при грозовых разрядах, извержениях вулканов, а также в результате деятельности человека (сжигание топлива). Являются причиной кислотных дождей.

Ответ:

Оксиды являются неотъемлемой частью живых организмов.

• Вода ($H_2O$) составляет от 50% до 95% массы живого организма и является средой для всех биохимических реакций.
• Оксид углерода(IV) ($CO_2$) — источник углерода для синтеза органических веществ растениями в процессе фотосинтеза и конечный продукт дыхания у животных и растений.
• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) используется некоторыми организмами для построения скелетов или защитных панцирей (диатомовые водоросли, радиолярии, хвощи, губки).

Ответ:

Оксиды — это вездесущие соединения, формирующие облик нашей планеты. Они составляют основу неживой природы (минералы, вода, газы атмосферы) и являются ключевыми участниками процессов в живых организмах. Их разнообразие и многогранность ролей подчеркивают фундаментальную важность химии кислорода для существования мира, каким мы его знаем.

Ответ: