Страница 44 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

Основные химические свойства кислорода.

Кислород ($O$) — химический элемент 16-й группы второго периода периодической системы Д. И. Менделеева. Это самый распространенный элемент на Земле. В виде простого вещества $O_2$ он является сильным окислителем, уступая в электроотрицательности только фтору. Из-за высокой прочности двойной связи в молекуле $O=O$ (энергия связи 498 кДж/моль), реакции с участием кислорода часто требуют начального нагревания (активации), но затем протекают с выделением большого количества тепла и света (горение).

Взаимодействие с простыми веществами (металлами)

Кислород реагирует почти со всеми металлами, кроме благородных (золото $Au$, платина $Pt$). Продуктами реакции являются оксиды, пероксиды или супероксиды, в зависимости от активности металла и условий реакции.

• С щелочными металлами:
  Литий сгорает с образованием оксида: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$.
  Натрий при горении образует пероксид: $2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$.
  Калий, рубидий и цезий образуют супероксиды (надпероксиды): $K + O_2 \rightarrow KO_2$.
• С щелочноземельными и другими активными металлами:
  При горении образуются оксиды. Например, горение магния сопровождается яркой вспышкой: $2Mg + O_2 \xrightarrow{t} 2MgO$.
• С металлами средней активности и малоактивными:
  Реакции обычно протекают при нагревании.
  Окисление меди: $2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$.
  Горение железа в кислороде с образованием железной окалины: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$.

Ответ: Кислород взаимодействует с большинством металлов, образуя оксиды, пероксиды или супероксиды. Реакции, как правило, экзотермические и часто требуют нагревания для их начала.

Взаимодействие с простыми веществами (неметаллами)

Кислород реагирует с большинством неметаллов (кроме галогенов и инертных газов), образуя кислотные или несолеобразующие оксиды.

• С водородом:
  Смесь водорода и кислорода ("гремучий газ") взрывается при поджигании, образуя воду: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.
• С углеродом:
  В зависимости от количества кислорода образуется угарный газ (недостаток $O_2$) или углекислый газ (избыток $O_2$):
  $2C + O_2 \xrightarrow{t} 2CO$.
  $C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$.
• С серой и фосфором:
  Горение серы: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$.
  Горение фосфора (в избытке кислорода): $4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$ (или $P_4O_{10}$).
• С азотом:
  Реакция эндотермическая и обратимая, протекает при очень высоких температурах (например, в электрическом разряде): $N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$.

Ответ: Кислород окисляет большинство неметаллов с образованием оксидов; реакции обычно требуют высоких температур для инициирования.

Взаимодействие со сложными веществами

Кислород способен окислять множество сложных соединений. Эти реакции лежат в основе процессов горения, дыхания и промышленных синтезов.

• Горение органических и неорганических соединений:
  Большинство сложных веществ сгорают в кислороде. Продуктами являются оксиды составляющих их элементов.
  Горение метана: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$.
  Горение сероводорода: $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$.
• Окисление низших оксидов до высших:
  Кислород может доокислять оксиды, в которых элемент проявляет не высшую степень окисления.
  $2CO + O_2 \xrightarrow{t} 2CO_2$.
  $2SO_2 + O_2 \xrightarrow[V_2O_5]{t} 2SO_3$.
• Каталитическое окисление:
  Многие важные промышленные процессы являются каталитическим окислением кислородом.
  Окисление аммиака (производство азотной кислоты): $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow[Pt]{t} 4NO + 6H_2O$.

Ответ: Кислород взаимодействует со многими сложными веществами, вступая в реакции горения и окисления (в том числе каталитического), что приводит к образованию оксидов соответствующих элементов.

Какие реакции называют реакциями окисления?

Решение

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

Исторически этот термин применялся только к реакциям соединения веществ с кислородом (от лат. oxygenium — кислород), например, горение железа в кислороде:
$4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$

Однако современная электронная теория трактует это понятие гораздо шире. Ключевым моментом является не наличие кислорода, а сам факт передачи электронов. Важно понимать, что окисление никогда не происходит изолированно. Оно является одной из двух составляющих единого процесса — окислительно-восстановительной реакции (ОВР). Второй составляющей является восстановление.

• Окисление — это процесс отдачи электронов. Атом или ион, отдающий электроны, называется восстановителем. В ходе реакции восстановитель окисляется.
• Восстановление — это процесс присоединения электронов. Атом или ион, принимающий электроны, называется окислителем. В ходе реакции окислитель восстанавливается.

Рассмотрим в качестве примера реакцию между цинком и раствором сульфата меди(II):
$Zn^0 + Cu^{+2}SO_4 \rightarrow Zn^{+2}SO_4 + Cu^0$

В этой реакции происходят следующие процессы:

• Атом цинка ($Zn^0$) отдает два электрона и его степень окисления повышается с 0 до +2. Это процесс окисления. Цинк является восстановителем.
  Полуреакция окисления: $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$
• Ион меди ($Cu^{+2}$) принимает два электрона, и его степень окисления понижается с +2 до 0. Это процесс восстановления. Ион меди является окислителем.
  Полуреакция восстановления: $Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

Таким образом, любая реакция, в которой происходит отдача электронов каким-либо химическим элементом, является реакцией окисления этого элемента.

Ответ: Реакциями окисления называют химические процессы, сопровождающиеся отдачей электронов атомами, молекулами или ионами, что приводит к увеличению их степени окисления. Окисление является обязательной частью окислительно-восстановительной реакции.

Почему известное вам определение реакций окисления и окислителя требует уточнения?

Изначально, на заре развития химии, понятие «окисление» было непосредственно связано с кислородом (лат. Oxygenium). Окислением называли исключительно реакции соединения веществ с кислородом, а окислителем, соответственно, считался сам кислород. Например, процесс ржавления железа:

$4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$

В этой реакции железо соединяется с кислородом, то есть «окисляется» в первоначальном смысле этого слова.

Однако со временем было обнаружено множество реакций, которые по своей химической сути были аналогичны окислению, но протекали без участия кислорода. Это и послужило причиной для уточнения и расширения исходных определений.

Основная причина, по которой старое определение требует уточнения, заключается в его узости. Оно не способно описать процессы, где окислителем выступает не кислород, а другое вещество. Рассмотрим классический пример — реакцию натрия с хлором:

$2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$

В ходе этой реакции атом натрия отдает один электрон, превращаясь в ион $Na^+$, а молекула хлора принимает два электрона, распадаясь на два иона $Cl^-$. Процесс, который претерпевает натрий (отдача электрона), абсолютно аналогичен тому, что происходит с веществом при его реакции с кислородом. Следовательно, натрий окисляется, а хлор, принимающий электроны, выступает в роли окислителя.

На основе таких наблюдений было сформулировано более общее и современное определение, основанное на теории переноса электронов:

• Окисление — это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, который всегда сопровождается повышением степени окисления.
• Окислитель — это атом, молекула или ион, которые принимают электроны, в результате чего их собственная степень окисления понижается.

Таким образом, первоначальное определение является лишь частным, хотя и очень важным, случаем более общего явления. Уточнение потребовалось для того, чтобы создать единую и универсальную теорию, описывающую все реакции, связанные с перераспределением электронов между реагентами, а не только те, в которых участвует кислород. Современное определение позволяет классифицировать как окислитель любое вещество, способное принимать электроны, например, галогены ($F_2, Cl_2$), перманганат калия ($KMnO_4$), азотную кислоту ($HNO_3$) и многие другие.

Ответ:

Известное определение реакции окисления как процесса взаимодействия с кислородом и окислителя как источника кислорода требует уточнения, потому что оно не охватывает все реакции, имеющие ту же химическую природу. Существует множество реакций, где происходит аналогичный процесс передачи «окислительной способности», но без участия кислорода (например, горение натрия в хлоре). Поэтому было введено более общее электронное определение: окисление — это отдача электронов, а окислитель — это частица (атом, ион или молекула), которая принимает электроны. Это уточнение делает теорию окислительно-восстановительных реакций универсальной.

Что нужно сделать до начала работы с водородом?

Решение

Водород — это чрезвычайно горючий и взрывоопасный газ. Его смесь с воздухом (а точнее, с кислородом в воздухе) в широком диапазоне концентраций (от 4% до 75% водорода) образует так называемый «гремучий газ». Эта смесь может взорваться от малейшей искры, источника открытого огня или при нагревании. В лабораторных условиях при получении водорода в приборе сначала находится воздух, который смешивается с выделяющимся газом.

Поэтому перед началом любой работы с водородом, особенно если она включает его поджигание или нагревание, необходимо проверить собранный газ на чистоту. Это ключевое правило техники безопасности.

Проверка на чистоту выполняется следующим образом:

1. В перевернутую вверх дном пробирку собирают небольшое количество получаемого водорода. Газ собирают, вытесняя из пробирки воздух.
2. Пробирку с собранным газом, не переворачивая (так как водород значительно легче воздуха), убирают от прибора для получения газа и подносят к пламени (например, спиртовки или зажженной лучины).
3. Далее оценивают характер звука, который сопровождает сгорание газа:
   • Если слышен резкий, громкий, «лающий» хлопок, это означает, что в пробирке находится гремучий газ — взрывоопасная смесь водорода с воздухом. Такой водород является «грязным», и работать с ним нельзя. Необходимо подождать, пока из прибора выйдет весь воздух, и повторить пробу.
   • Если газ сгорает спокойно, с тихим, глухим хлопком или лёгким «па» — это признак того, что водород чистый и практически не содержит примеси воздуха.

Только после получения тихого хлопка, подтверждающего чистоту водорода, можно безопасно приступать к дальнейшим опытам.

Ответ:

До начала работы с водородом необходимо проверить его на чистоту, чтобы убедиться в отсутствии взрывоопасной смеси с воздухом. Для этого небольшое количество газа собирают в пробирку и подносят к огню. Чистый водород сгорает с тихим хлопком; если же раздается резкий «лающий» звук, значит, водород смешан с воздухом, и работу с ним начинать нельзя.